ᐉ Системы изменения степени сжатия двигателя

Степень сжатия двигателя внутреннего сгорания тесно связана с к.п.д. В бензиновых двигателях степень сжатия ограничивается областью детонационного сгорания. Эти ограничения имеют особое значение для работы двигателя на полных нагрузках, в то время как на частичных нагрузках высокая степень сжатия не вызывает опасности детонации. Для увеличения мощности двигателя и повышения экономичности желательно снижать степень сжатия, однако если степень сжатия будет малой для всех диапазонов работы двигателя, это приведет к снижению мощности и увеличению расхода топлива на частичных нагрузках. При этом значения степени сжатия, как правило, выбираются намного ниже тех величин, при которых достигаются наиболее экономичные показатели работы двигателей. Заведомо ухудшая экономичность двигателей, это особенно сильно проявляется при работе на частичных нагрузках. Между тем, снижение наполнения цилиндров горючей смесью, увеличение относительного количества остаточных газов, уменьшение температуры деталей и т. п. создают возможности для повышения степени сжатия при частичных нагрузках с целью повышения экономичности двигателя и увеличения его мощности. Чтобы решить такую компромиссную задачу, разрабатываются варианты двигателей с изменяющейся степенью сжатия.

Повсеместное применение в конструкциях двигателей систем наддува сделало направление этой работы еще более актуальным. Дело в том, что при наддуве значительно увеличиваются механические и тепловые нагрузки на детали двигателя, в связи с чем их приходится усиливать, повышая массу всего двигателя в целом. При этом, как правило, срок службы деталей, работающих при более нагруженном режиме, сокращается, а надежность двигателя снижается. В случае перехода на переменную степень сжатия рабочий процесс в двигателе при наддуве можно организовать так, что за счет соответствующего снижения степени сжатия при любых давлениях наддува максимальные давления рабочего цикла (т.е. эффективность работы) будут оставаться неизменными или будут изменяться незначительно. При этом, несмотря на увеличение полезной работы за цикл, а, следовательно, и мощности двигателя, максимальные нагрузки на его детали могут не увеличиваться, что позволяет форсировать двигатели без внедрения изменений в их конструкцию.

Очень существенным для нормального протекания процесса сгорания в двигателе с изменяющейся степенью сжатия является правильный выбор формы камеры сгорания, обеспечивающей наиболее короткий путь распространения пламени. Изменение фронта распространения пламени должно быть очень оперативным, чтобы учитывать различные режимы работы двигателя при эксплуатации автомобиля. Учитывая применение дополнительных деталей в кривошипно-шатунном механизме, необходимо также разрабатывать системы с малым коэффициентом трения, чтобы не потерять преимуществ при применении изменяющейся степени сжатия.

Один из наиболее распространенных вариантов двигателя с изменяющейся степенью сжатия показан на рисунке.

Рис. Схема двигателя с изменяющейся степенью сжатия:
1 – шатун; 2 – поршень; 3 – эксцентриковый вал; 4 — дополнительный шатун; 5 – шатунная шейка коленчатого вала; 6 – коромысло

На частичных нагрузках дополнительный шатун 4 занимает крайнее нижнее положение и поднимает зону рабочего хода поршня. Степень сжатия при этом максимальна. При высоких нагрузках эксцентрик на валу 3 поднимает ось верхней головки дополнительного шатуна 4. При этом увеличивается надпоршневой зазор и уменьшается степень сжатия.

В 2000 году в Женеве был представлен экспериментальный бензиновый двигатель фирмы SAAB с изменяемой степенью сжатия. Его уникальные особенности позволяют достигать мощности в 225 л.с. при рабочем объеме в 1,6 л. и сохранять расход топлива сравнимого с вдвое меньшим двигателем. Возможность бесшагового изменения рабочего объема позволяет двигателю работать на бензине, дизельном топливе или на спирте.

Цилиндры двигателя и головка блока выполнены как моноблок, т. е. единым блоком, а не раздельно как у обычных двигателей. Отдельный блок представляет собой также блок-картер и шатунно-поршневая группа. Моноблок может перемещаться в блок-картере. Левая сторона моноблока при этом опирается на расположенную в блоке ось 1, служащую шарниром, правая сторона может приподниматься или опускаться при помощи шатуна 3 управляемого эксцентриковым валом 4. Для герметизации моноблока и блок-картера предусмотрен гофрированный резиновый чехол 2.

Рис. Двигатель с изменяющейся степенью сжатия SAAB:
1 – ось; 2 – резиновый чехол; 3 – шатун; 4 – эксцентриковый вал.

Степень сжатия изменяется при наклоне моноблока относительно блок-картера посредством гидропривода при неизменном ходе поршня. Отклонение моноблока от вертикали приводит к увеличению объема камеры сгорания, что вызывает снижение степени сжатия.

При уменьшении угла наклона степень сжатия повышается. Максимальная величина отклонения моноблока от вертикальной оси – 4%.

На минимальной частоте вращения коленчатого вал и сбросе подачи топлива, а также при малых нагрузках, моноблок занимает самое нижнее положение, в котором объем камеры сгорания минимален (степень сжатия – 14). Система наддува отключается, и воздух поступает в двигатель напрямую.

Под нагрузкой, за счет поворота эксцентрикового вала, шатун отклоняет моноблок в сторону, и объем камеры сгорания увеличивается (степень сжатия – 8). При этом сцепление подключает нагнетатель, и воздух начинает поступать в двигатель под избыточным давлением.

Рис. Изменение подачи воздуха в двигатель SAAB при различных режимах:
1 – дроссельная заслонка; 2 – перепускной клапан; 3 – сцепление; а – на малой частоте вращения коленчатого вала; б – на нагрузочных режимах

Оптимальная степень сжатия рассчитывается блоком управления электронной системы с учетом частоты вращения коленчатого вала, степени нагрузки, вида топлива и др. параметров.

В связи с необходимостью быстрого реагирования на изменение степени сжатия в данном двигателе пришлось отказаться от турбокомпрессора в пользу механического наддува с промежуточным охлаждением воздуха с максимальным давлением наддува 2,8 кгс/см2.

Расход топлива для разработанного двигателя на 30% меньше, чем у обычного двигателя такого же объема, а показатели по токсичности отработавших газов соответствуют действующим нормам.

Французская фирма МСЕ-5 Development, разработала для концерна «Пежо-Ситроен», двигатель с изменяемой степенью сжатия VCR (Variable Compression Ratio). В этом решении применена оригинальная кинематика кривошипно-шатунного механизма.

В данной конструкции передача движения от шатуна на поршни осуществляется через двойной зубчатый сектор 5. С правой стороны двигателя расположена опорная зубчатая рейка 7, на которую опирается сектор 5. Такое зацепление обеспечивает строго возвратно-поступательное движение поршня цилиндра, который соединен с зубчатой рейкой 4. Рейка 7 соединена с поршнем 6 управляющего гидроцилиндра.

В зависимости от режима работы двигателя по сигналу блока управления двигателем изменяется положение поршня 6 управляющего цилиндра, связанного с рейкой 7. Смещение рейки управления 7 вверх или вниз изменяет положение ВМТ и НМТ поршня двигателя, а вместе с ними и степени сжатия от 7:1 до 20:1 за 0,1 с. В случае необходимости имеется возможность изменения степени сжатия для каждого цилиндра в отдельности.

Рис. Двигатель с изменяемой степенью сжатия VCR:
1 – коленчатый вал; 2 – шатун; 3 – зубчатый опорный ролик; 4 – зубчатая рейка поршня; 5 – зубчатый сектор; 6 – поршень управляющего цилиндра; 7 – опорная зубчатая рейка управления.

Система изменения степени сжатия топливной смеси современного ДВС — Autodromo

Важным техническим показателем современного ДВС является степень сжатия, которая представляет собой отношение объема рабочего цилиндра, когда поршень находится в, так называемой, нижней мертвой точке (НМТ) к объему камеры сгорания.

Рост степени сжатия позволяет создавать наиболее подходящие условия для воспламенения ТВС (топливо-воздушной смеси) в камере сгорания, и как результат – более рационального использования выделяемой при этом энергии.

Особенности системы изменения сжатия

Степень сжатия изменяется в зависимости от типа используемого топлива и рабочих режимов двигателя. Подобные изменения учитываются и применяются системой изменения степени сжатия.

В бензиновых ДВС данный показатель ограничивается исключительно той областью, в которой происходит детонация ТВС. При малых нагрузках увеличение сжатия не приводит к процессу детонации, а вот при усиленных нагрузках детонация может достигнуть критической точки.

Снижение сжатия приводит к увеличению мощности двигателя и снижению потребления топливной смеси. Однако стоит соблюдать равновесие между увеличением и снижением данного показателя, поскольку чрезмерно низкая степень сжатия и малые нагрузки могут привести к снижению мощности и экономичности двигателя.

Сама же система предназначена для того, чтобы обеспечить увеличение мощности и вращающегося момента, уменьшения расхода топлива и токсичности отработанных газов. Система обеспечивает слаженную работу двигателя на разных видах топлива без снижения эффективности процесса детонации.

Первооткрывателем в производстве двигателей с измененной степенью сжатия является компания SAAB, которая 14 лет назад представила первый аналог 5-ти цилиндрового ДВС, оснащенного системой изменения сжатия Variable Compression. Особенностью данного двигателя являлось то, что в нем были соединены в единый механизм головка блока и цилиндровые гильзы.

Подобный механизм соединялся с валом и КШМ, который давал некоторое смещение (на 4-5 градусов), что приводило к изменению степени сжатия.

Контроль над данным показателем осуществлялся общей системой управления ДВС с учетом различной степени нагрузки. Так при максимальной нагрузке степень сжатия была минимальной, и, наоборот, при минимальной нагрузке – максимальное сжатие.

При положительных результатах по увеличению мощности и вращающегося момента, экспериментальный образец так и не был пущен в серийное производство.

В 2010 году концерном SAAB была представлена новая разработка – 4-х цилиндровый ДВС, объемом в полтора литра с системой сжатия MCE-5 Development. Подобный образец дополнительно был оснащен современной системой преобразования фаз распределения газов, а также непосредственной системой подачи топлива.

Двигатель с системой сжатия МСЕ-5

ДВС, оснащенный подобной системой, имеет достаточно сложную конструкцию, которая предполагает изменение характеристики рабочего хода поршней в цилиндрах.

Секатор зубчатый вступает во взаимодействие с рабочим поршнем и поршнем управления. Коромысло соединяется через рычаг с коленвалом.

Секатор движется под воздействием поршня управления. Камера над поршнем начинает заполняться маслом, объем которого строго контролируется специальным клапаном.

При перемещении секатора происходит изменение положении ВМТ поршня, и как следствие – изменение рабочего объема камеры сгорания при значительном интервале сжатия.

В настоящее время двигатель МСЕ-5 еще не пущен в серийное производство, но имеет неплохие перспективы развития в будущем.

Новую концепцию ДВС, оснащенного современной системой сжатия представила компания Lotus Cars. Это уникальный двухтактный двигатель, получивший название Omnivore, который позволяет использовать различные виды топлива – бензин, дизель, спирт, этанол и др.

Верхняя часть камеры оснащена шайбой, перемещение которой приводит к изменению объема камеры. Это позволяет обеспечить наивысшую степень сжатия – 40 к 1.

Несмотря на свою эффективность, подобная система сжатия в настоящее время не позволяет добиться хороших показателей относительно экономичного расхода топлива и экологичности двухтактного двигателя.

Переменная степень сжатия

Переменная степень сжатия

Ханну Яаскеляйнен

Это предварительный просмотр статьи, ограниченный некоторым исходным содержанием. Для полного доступа требуется подписка DieselNet.
Пожалуйста, войдите под номером , чтобы просмотреть полную версию этого документа.

Abstract : Переменная степень сжатия может дать ряд преимуществ, таких как ограничение требуемого пикового давления зажигания в дизелях и противодействие потере эффективности из-за детонации в двигателях с искровым зажиганием. Механизмы изменения степени сжатия двигателя включают двухступенчатую систему, в которой можно выбрать низкую или высокую степень сжатия, или систему с плавным регулированием сжатия. В большинстве двухступенчатых систем используется шатун переменной длины, в то время как для бесступенчатых систем было предложено множество механизмов.

• Введение
• Двухступенчатые системы
• Бесступенчатые системы
• Преимущества дизельного двигателя
• Преимущества двигателя с циклом Отто
• Преимущества двухтопливного двигателя

Введение

Переменная степень сжатия предлагает ряд преимуществ для дизельных и бензиновых двигателей. В то время как концепция изучается уже много лет42] , дополнительные затраты и сложность трудно оправдать для многих приложений. Разработки, которые обеспечили более простой механизм за счет использования шатунов переменной длины, по-видимому, делают этот вариант жизнеспособным для массового производства.

Механизмы изменения степени сжатия включают либо двухступенчатую систему, в которой можно выбрать низкую или высокую степень сжатия, либо бесступенчатую систему, в которой можно выбрать любую степень сжатия между низким и высоким значением.

Двухступенчатые системы включают шатуны переменной длины AVL и FEV. Бесступенчатые системы могут быть реализованы с помощью различных механизмов, включая:

• Многорычажный механизм между коленчатым валом и поршнем Nissan и MCE-5
• Подвижная головка/цилиндр, SAAB [3541] и Enerva [3542]
• Эксцентриковые шейки коленвала, Caterpillar [1927] [1921] [1934]
• Подвижная головка поршня [3543]

Двухступенчатые системы

Система АВЛ

В двухступенчатой ​​системе переменной степени сжатия компании АВЛ используется телескопический шатун, рис. 1. Приведение в действие осуществляется газом или массовыми силами. Сила инерции F _M и сила газа F _G используются для удлинения и укорачивания шатуна. Поступательное соединение укорачивает шатун, когда результирующая сила на валу F _R направлена ​​к центру коленчатого вала (F

G > F _M ) и удлиняет шатун, когда он находится в противоположном направлении (F _G < F _M ). Ограничители определяют минимальную и максимальную длину шатуна. Для «удержания» одного из двух положений масло перекачивается в объемы ниже или выше поступательного сустава. Система управления сигнализирует о необходимости изменения длины шатуна [3518] [3544] .

Рисунок 1 . Телескопический шатун АВЛ

###

Что такое степень сжатия? | Степень сжатия бензинового и дизельного двигателя

Содержание

Переключатель

Что такое степень сжатия?

Степень сжатия (CR) двигателя IC представляет собой соотношение между максимальным и минимальным значениями цилиндра двигателя и камеры сгорания . Простыми словами, отношение между общим объемом камеры сгорания, который остается, когда поршень находится в положении НМТ к объему, который остается в камере сгорания при движении поршня к ВМТ известен как степень сжатия .

Типы степени сжатия

Степень сжатия рассчитывается двумя способами:

1. Статическая степень сжатия
2. Динамическая степень сжатия

1) Степень статического сжатия

Степень статического сжатия измеряется в соответствии с объемом камеры сгорания, когда поршень находится в верхней точке своего хода, и в соответствии с относительным объемом камеры сгорания и цилиндра, когда поршень находится в нижней части своего хода.

2) Динамическая степень сжатия

Динамическую степень сжатия очень сложно рассчитать, поскольку она также включает газ, поступающий в цилиндр и выходящий из него в процессе сжатия.

Поясню на примере; представьте двигатель с общим объемом 2000cc . В этом 2000cc , 1900cc — это рабочий объем (расстояние, пройденное поршнем при его перемещении от НМТ до ВМТ), а объем зазора равен 100cc (остаточный объем в цилиндре при достижении поршнем ВМТ). Следовательно, CR этого двигателя равен 2000:100 или 20:1 .

Мощность двигателя увеличивается за счет увеличения степени сжатия. Как известно, дизельный двигатель не содержит свечи зажигания, а процесс воспламенения происходит за счет высокого сжатия топливовоздушной смеси. Следовательно, степень сжатия дизельного двигателя ( 18:1 до 23:1 ) выше, чем степень сжатия бензинового двигателя ( 10:1 до 14:1 ).

Конструкция Критерии, от которых зависит степень сжатия

Степень сжатия зависит от следующих параметров:

1) Длина хода

Длина хода двигателя — это длина камеры сгорания или расстояние между днищем мертвая точка и верхняя мертвая точка цилиндра двигателя.

CR зависит от длины хода. Она увеличивается за счет увеличения длины хода. Чем больше длина хода цилиндра двигателя, тем выше CR.

2) Диаметр отверстия

Цилиндр двигателя имеет цилиндрическую форму. Диаметр отверстия — это диаметр или внутренний диаметр цилиндра двигателя, в котором поршень совершает возвратно-поступательное движение.

CR также зависит от диаметра цилиндра (т. е. чем больше диаметр цилиндра двигателя, тем выше степень сжатия).

3) Квадратный двигатель

Квадратный двигатель имеет диаметр цилиндра двигателя, равный длине хода цилиндра, что обеспечивает правильный баланс мощности и скорости.

4) Количество цилиндров

Степень сжатия сильно зависит от количества цилиндров двигателя. Это связано с тем, что количество поршней увеличивается за счет увеличения цилиндров. Следовательно, степень сжатия выше в двигателе с большим количеством поршней; количество цилиндров также влияет на CR двигателя.

Таким образом, из приведенного выше обсуждения мы легко можем сделать вывод, что большой двигатель будет иметь более высокий CR, чем маленький двигатель.

Из-за требований к большим размерам I-образного двигателя с более высокой степенью сжатия был разработан V-образный двигатель, который имеет компактную конструкцию и обеспечивает высокую степень сжатия.

Подробнее: Различные типы поршневых двигателей

Как улучшить степень сжатия двигателя

Следуйте приведенным ниже методам для достижения более высокой степени сжатия:

90 014 Замените поршень с плоским верхом на поршень с высокой степенью сжатия, который изгибается вверх, что приводит к более высокому CR. Однако сильное сжатие воздушно-топливной смеси выделяет больше тепла. По этой причине топливо начинает сгорать естественным образом (до того, как свеча зажигания даст искру), что приводит к детонации и снижению производительности двигателя. Из-за этого новейшие двигатели могут использовать только высокооктановое топливо, так как топливо с низким октановым числом, например, 92 легко сбивается.
1. Наддув : Это увеличивает наддув пропорционально скорости, но создает непосредственную нагрузку на двигатель, как шкив кондиционера. На малых скоростях эффект наддува тоже не виден.
2. Турбонаддув : Обеспечивает максимальную мощность, когда частота вращения турбонаддува превышает 3000 об/мин, но при частоте вращения ниже 3000 об/мин турбонаддув снижает скорость двигателя, поскольку он работает на выхлопных газах. Это известно как турбо лаг. Чтобы подготовиться к высокоэффективному сжатию двигателя, которое происходит, когда турбонаддув работает на полную мощность, двигатель должен иметь низкую степень сжатия (т. е. 8:1), которая дополнительно снижает мощность до того, как турбонаддув включится. В целом это увеличивает расход топлива в автомобилях с турбонаддувом.

Как рассчитать статическую степень сжатия

Прежде всего, вам нужно найти клиренс и рабочий объем для расчета степени сжатия. Значения объема зазора и рабочего объема помогают рассчитать отношение объема камеры сгорания к объему цилиндра в верхней (до сжатия) и нижней (после сжатия) части хода поршня.

Рабочий объем — это количество топливно-воздушной смеси, которое перемещается при движении поршня вниз.

Объем зазора – это количество (или площадь) воздушно-топливной смеси, остающееся, когда поршень находится в ВМТ. Для расчета степени сжатия используется следующая формула:

CR = (Объем клиренса + Рабочий объем) / Объем клиренса

Предположим, что клиренс двигателя равен 30 , а рабочий объем равен 6 , тогда степень сжатия равна:

90 002                            CR = (30 + 6) / 6 = 6:1

Соотношение 6:1. Это низкий CR, указывающий на недостаточную мощность, вырабатываемую поршневым циклом.

Предположим, вы измерили статическую степень сжатия и обнаружили, что объемы поршня и камеры сгорания малы. В этом случае вы можете доставить автомобиль к профессиональному автомеханику, чтобы определить причину низкой степени сжатия двигателя внутреннего сгорания.

Подробнее: Работа и типы камер сгорания

Степень сжатия бензинового двигателя

Степень сжатия четырехтактного бензинового двигателя приведена ниже:

1. Как известно, бензиновый двигатель всасывает топливно-воздушную смесь во время такта впуска. Во время такта сжатия топливовоздушная смесь сжимается для того, чтобы эта смесь смешалась и правильно сгорела. Бензиновому двигателю требуется правильная степень сжатия воздушно-топливной смеси, чтобы правильно сжигать воздушно-топливную смесь и обеспечивать лучший тепловой КПД.
2. Во время такта сжатия давление и температура топливно-воздушной смеси в цилиндре увеличиваются, вызывая полное или нормальное сгорание топлива при срабатывании свечи зажигания, что улучшает экономию топлива и предотвращает пропуски зажигания двигателя.
3. Бензиновый двигатель с достаточным CR обеспечивает сбалансированную мощность и скорость.
4. Современные бензиновые двигатели обычно имеют степень сжатия от от 10,0:1 до 13,5:1 . CR двигателя с датчиком детонации обычно превышает 11,1:1 и близок к 14,0:1 (обычно для высокооктанового топлива и прямого впрыска топлива), но CR бензинового двигателя без датчика детонации обычно составляет от 8,0:1 до 10,5:1 .

Подробнее: Типы и работа бензинового двигателя

Степень сжатия дизельного двигателя

1. В дизельных двигателях нет свечи зажигания для сжигания воздушно-топливной смеси. Следовательно, они требуют высокого CR для правильного сжигания воздушно-топливной смеси. Таким образом, сгорание топлива полностью зависит от сжатия воздуха во время такта сжатия дизельного цикла.
2. Дизельные двигатели с высокой степенью сжатия сильно сжимают воздух, поэтому температура сжатого воздуха должна быть повышена до температуры самовоспламенения впрыскиваемого топлива, что обеспечивает полное или правильное сгорание топлива.
3. Дизельные двигатели имеют более высокую степень сжатия, чем бензиновые.
4. Дизельные двигатели развивают большую мощность благодаря высокому CR дизельных двигателей. Как известно, чем выше CR, тем выше тепловой КПД или выходная мощность.
5. Дизельные двигатели High CR обеспечивают превосходную экономию топлива благодаря повышенному тепловому КПД, обеспечиваемому сгоранием при высокой степени сжатия.
6. Обычно степень сжатия дизельного двигателя составляет от 18:1 до 23:1 в зависимости от конструкции двигателя и характера применения.

Подробнее: Работа и типы дизельных двигателей

Как увеличить степень сжатия?

Мощность двигателя увеличивается за счет увеличения степени сжатия (CR).

Высокий CR позволяет двигателю получать максимальную энергию от процесса сгорания благодаря более высокому тепловому КПД.

По мере увеличения степени сжатия поршень перемещается выше внутри цилиндра, что увеличивает силу расширения, что приводит к большей движущей силе.