Переменная степень сжатия простыми словами

Александр Расторгуев [razborkazapzap]

02.09.2019, Просмотров: 807

Двигатели внутреннего сгорания постоянно совершенствуются. Появляются новые конструктивные особенности, внедряются новые технологии, приводящие к одному итогу — при минимальном объеме — максимально возможная мощность. За последние 10 лет автопроизводители активно внедряют турбину, фазовращатели, высокоточный прямой впуск, коллектора с изменяемой геометрией, и другие решения, направленные на экологичность и экономичность.

За эти же года констуркторы пытались выпустить двигатели без коленвала и шатунов, а также без распредвала. Такого рода разработки еще в стадии проектирования, однако есть одна интересная вещь, которую удалось внедрить в такие автомобили, как Infinity, Toyota и Saab — двигатель с изменяемой степенью сжатия.

Теория

Перед тем, как я расскажу о переменной степени сжатия, вкратце расскажу о том, что представляет собой сама по себе степень сжатия. Степенью сжатия называют отношения объема цилиндра к объему камеры сгорания. Простыми словами: замеряется объем цилиндра от верхнего края к нижнему, а также замеряется объем камеры сгорания, когда поршень находится в верхней мертвой точке, где дно поршня это нижний край камеры, а верхний край — поверхность ГБЦ.

Для чего нужна переменная степень сжатия

Среди бензиновых моторов степень сжатия варьируется от 8:1 до 14:1, для дизельных же 18:1-24:1. Степень сжатия рассчитывается конструкторами и фиксируется ими же. Для расчета степени сжатия берутся в учет такие моменты, как: октановое число топлива и наличие турбины.

Также степень сжатия указывает на то, как сильно будет сжиматься топливно-воздушная смесь в камере сгорания. Чем лучше сжимается смесь — тем лучше отдача в мощности. У высокой степени сжатия есть преимущество в виде хорошей мощности и топливной экономичности, и недостаток, в виде риска детонации. Смесь должна воспламеняться от свечи зажигания, а не взрываться, а при высокой степени сжатия вероятность такого “взрыва” явно высока. Результатом детонации является разрушение поршня, образование трещин в гильзах. Чтобы найти ту самую золотую середину, была придумана система переменной степени сжатия.

Теория работы системы

Возможность, по ходу работы силового агрегата, изменять степень сжатия, позволила повысить мощность и снизить расход топлива. Такая система дает возможность топливно-воздушной смеси сгорать в наилучших условиях. То есть, двигатель становится максимально гибким к различным условиям работы. Если двигатель работает в режиме постоянной скорости, либо, практически, без нагрузки, то в цилиндры агрегата подается бедная смесь, а значит для эффективного сгорания требуется высокая степень сжатия. Тем самым мы получаем невероятный коэффициент полезного действия, при бедной смеси. При высоких нагрузках топливно-воздушная смесь обогащается, чтобы обеспечить максимальную мощность. Следовательно, в данный режим работы ДВС, нужна низкая степень сжатия, позволяющая избежать детонации. Кстати, в обычных моторах, чтобы избежать возникновение детонации, был внедрен угол опережения зажигания, который подвигает угол назад, но в предотвращением детонации снижается мощность.

Схема переменной степени сжатия интересна тем, что при показателях, что 8:1, что 14:1, мощность двигателя и крутящий момент не меняется.

Так как такой мотор проектировало несколько компаний, это позволило внедрить несколько способов изменять размер камеры сгорания. Например, в одном из таковых, конструкция шатунов позволяет поднять поршень и т.д. Первая попытка создать такой мотор не увенчалась успехом, так как уменьшить камеру сгорания помогал второй внедренный поршень, однако такая конструкция крайне сложна, а сгорание топливно-воздушной смеси не поддавалось контролю, то есть было хаотичным. Вторая попытка была в виде поршней с подъемом. Но это значительно увеличивало вес поршней, а также не представлялось возможным реализовать управление подъемом верхней части поршня, относительно нижней. Следующие попытки коснулись кривошипно-шатунного механизма, и как оказалось — он успешны и удачно внедрены в режим эксплуатации.

Конструкция изменения степени сжатия выглядит следующим образом: опорные шейки коленчатого вала помещаются в специальные эксцентрики, а они, в свою очередь, через шестерню связаны с электродвигателем. При повороте эксцентрика, шатун поднимается или опускается.

Кстати, у Volkswagen был такой мотор на базе 1.8 литрового агрегата TSI. Конструкция была удачно протестирована, она оказалась надежной, но в серию мотор так и не пошел.

Saab также решились на проектировании такого мотора, но пошли индивидуальным путем. Здесь за изменение размера камеры сгорания отвечает головка блока цилиндров. ГБЦ, когда это нужно, немного сдвигается. Это был бензиновый агрегат 1.6 литра 20v. Мощность такого турбированного мотора составила 220 “лошадей”, а крутящий момент немного выше 300 Н*м. А вот работать двигатель мог как от 76 бензина, так и на А-100.

Позволило сдвинуть головку блока цилиндров шарнир между блоком и ГБЦ. С одной стороны механизм механический, с другой — оснащен электромотором. К сожалению, серийным мотором не стал, так как оказался абсолютно “сырым”. Французы не остались в стороне, и также предложили свой вариант. Это был полуторалитровый бензиновый турбоагрегат, мощность которого составила 225 л. с, а крутящий момент 420 Н*м. При этом, степень сжатия варьируется от 7:1 до 18:1. Этот агрегат с разделенным шатуном, где его нижняя часть оснащена коромыслом, а крепится шатун к коленвалу при помощи зубчатой планки-рейки. К коромыслу с другой стороны подходила рейка поршня, реализующая управление. Регулировка высоты шатуна здесь определяется давлением масла.

Как видите, изменяемый объем камеры сгорания, уже завтра становится реальностью. Сейчас эта конструкция в стадии зародыша модернизируется, чтобы не терялся ресурс силового агрегата. КПД такого мотора невероятный, особенно если он турбированный, с непосредственным впрыском, изменяемыми фазами ГРМ и коллектора. В сумме при малом объеме двигателя, выдается мощность, как у V-образного 8-цилиндрового агрегата, выпуска конца 90-х годов.

Есть шансы увидеть такие автомобили 2020 году, и это станет началом эпохи нвх моторов.

Степень сжатия и наддува

Прежде чем обсуждать степень сжатия и наддув, важно понять, что такое толчки в двигателе, также известные как детонация. Детонация — опасное явление, вызванное неконтролируемым сгоранием смеси из воздуха и топлива. Аномально быстрое сгорание вызывает скачки давления в цилиндрах, которые могут привести к повреждению двигателя.

 

Тремя основными факторами, влияющими на детонацию в цилиндрах, являются:

1. Характеристики детонационной стойкости (предел детонации) двигателя: Поскольку каждый двигатель обладает своими особенностями, когда дело доходит до детонационной стойкости, единого ответа на вопрос “сколько” нет. Конструктивные особенности, такие как геометрия камеры сгорания, расположение свечи зажигания, размер отверстия и степень сжатия, влияют на предрасположенность двигателя к детонации.

2. Условия окружающего воздуха: При использовании турбонагнетателя как условия окружающего воздуха, так и условия на входе в двигатель влияют на максимальную мощность наддува. Горячий воздух и высокое давление в цилиндре повышают склонность двигателя к детонации. При форсировании двигателя температура всасываемого воздуха повышается, что увеличивает вероятность детонации. Охлаждение наддувочного воздуха (например, посредством интеркулера) решает эту проблему путем охлаждения сжатого воздуха, поставляемого турбонагнетателем

3. Октановое число используемого топлива: октановое число — это показатель способности топлива противостоять детонации. Октановое число для насосного газа колеблется от 85 до 94, в то время как гоночное топливо будет значительно выше 100. Чем выше октановое число топлива, тем оно более устойчиво к детонации. Поскольку детонация может привести к повреждению двигателя, важно использовать топливо с достаточным октановым числом. Вообще говоря, чем сильнее наддув, тем выше требование к октановому числу.

Что невозможно переоценить, это калибровка двигателя по топливу и искре. Она играет огромную роль в определении поведения двигателя при детонации. Более подробную информацию см. в Разделе 5 ниже.

Теперь, когда мы представили суть детонации в двигателе, а также факторы и способы снижения вероятности детонации, давайте поговорим о степени сжатия. Степень сжатия определяется следующим образом:

Степень сжатия, полученная на заводе, будет отличаться для двигателей с наддувом и форсированными двигателями. Например, стандартная Honda S2000 имеет степень сжатия 11,1:1, в то время как Subaru Impreza WRX с турбонаддувом имеет степень сжатия 8,0:1.

Существует множество факторов, влияющих на максимально допустимую степень сжатия. Единого правильного ответа для всех автомобилей не существует. Как правило, степень сжатия должна быть установлена настолько высокой, насколько это возможно, без детонации при максимальной нагрузке. Слишком низкая степень сжатия приведет к тому, что двигатель будет слишком вялым при работе без наддува. Однако, если он слишком высок, это может привести к серьезным проблемам с двигателем, связанным с детонацией.

Факторы, влияющие на степень сжатия, включают: антидетонационные свойства топлива (октановое число), давление наддува, температуру впускного воздуха, конструкцию камеры сгорания, время зажигания, калибровка клапанов и противодавление выхлопных газов. Многие современные двигатели с нормальным наддувом имеют хорошо спроектированные камеры сгорания, которые при соответствующей настройке позволят обеспечить умеренный уровень наддува без изменения степени сжатия. Для целей с более высокой мощностью и большим повышением степень сжатия должна быть скорректирована.

Существует несколько способов уменьшить степень сжатия, некоторые из которых предпочтительнее, чем другие. Наименее желательным является добавление прокладки между блоком и головкой. Эти распорки уменьшают количество “гашения”, предназначенное для камер сгорания двигателя, а также могут изменять время работы кулачков. Распорки, однако, относительно просты и недороги.

Лучшим вариантом, если установка более дорогостоящая и трудоемкая, является использование поршней с меньшим сжатием. Это не окажет негативного влияния на время работы кулачка или способность головки герметизировать и позволит надлежащим образом гасить области детонации в камерах сгорания.

У вас нет прав, чтобы отправлять комментарии

Примечания по коэффициенту сжатия

Сжатие приводит к мощности, и убеждение, что «чем больше, тем лучше», следует применять к некоторым обстоятельствам, действительно имеет определенное значение.

Однако, прежде чем мы начнем произвольно повышать степень сжатия, было бы неплохо сначала лучше понять, как этого добиться. Это было бы предпочтительнее, потому что:

Степень сжатия двигателя в целом или отдельного цилиндра определяется как отношение рабочего объема цилиндра с поршнем в нижней мертвой точке (НМТ) к объему с поршнем в верхней мертвой точке.

 В качестве альтернативы это отношение можно определить как отношение рабочего объема цилиндра

, когда поршень находится в верхней мертвой точке, и объема, когда поршень находится в нижней мертвой точке (ВМТ). Например, если отношение объема в НМТ к объему в ВМТ в тринадцать раз больше друг друга, то степень сжатия равна тринадцати к одному.

Типы сжатия

Это основное требование для таких двигателей, и его можно измерить двумя различными способами:

статическая степень сжатия, которая рассчитывается на основе относительных объемов камеры сгорания и цилиндра, когда поршень находится в нижней части своего хода,

и объем камеры сгорания, когда поршень находится в верхней части свой ход.

Эти два измерения собираются, когда поршень находится в самой нижней точке хода в цилиндре. Динамическая степень сжатия представляет собой более сложный расчет, который учитывает газы, входящие и выходящие из цилиндра во время фазы сжатия.

Этот коэффициент рассчитывается на основе коэффициента динамического сжатия. Этот коэффициент, также называемый коэффициентом динамического сжатия, имеет несколько разных названий.

Изменяемая степень сжатия двигателя

Степень сжатия подавляющего большинства двигателей является фиксированной.

Но некоторые двигатели, известные как двигатели с регулируемой степенью сжатия, могут изменять свою степень сжатия даже во время работы двигателя. В 2019 году состоялся дебют первого в отрасли серийного двигателя с переменной степенью сжатия. термин «переменная степень сжатия» относится к технологии, которая позволяет регулировать степень сжатия двигателя внутреннего сгорания даже во время работы двигателя. Это делается для повышения эффективности использования топлива при изменении нагрузки.

Объем над поршнем, когда он находится в верхней мертвой точке, можно регулировать в двигателях с переменной степенью сжатия.

Какие факторы учитываются при определении коэффициента сжатия?

Пересмотр метода определения степени сжатия может оказаться весьма полезным. Этого можно достичь, разделив пространство на несколько меньших областей, объем каждой из которых должен определяться индивидуально.

 После этого общий объем, который будет охвачен, можно рассчитать путем сложения всех этих меньших объемов. Например, площадь верхней части поршня в ВМТ должна учитывать различные объемы камеры, верхнюю часть поршня (конструкция головки), прокладку головки и высоту поршня относительно того, находится ли он в выше или ниже деки цилиндра.

Степень сжатия дизельного двигателя

Поскольку в дизельных двигателях нет свечей зажигания, их степень сжатия выше, чем у бензиновых двигателей. Это связано с тем, что температура воздуха в цилиндре должна быть достаточно высокой, чтобы дизель мог воспламениться в процессе воспламенения от сжатия, что требует более высокой степени сжатия. Степень сжатия для дизельных двигателей с прямым впрыском обычно находится в диапазоне от 14:1 до 23:1, тогда как степень сжатия для дизельных двигателей с непрямым впрыском обычно находится в диапазоне от 18:1 до 23:1.

Другие виды топлива

Поскольку сжиженный нефтяной газ (также известный как «пропановый автогаз») и сжатый природный газ имеют более высокое октановое число, чем обычный бензин, двигатели, работающие только на этих видах топлива, могут иметь более высокую степень сжатия. чем обычные бензиновые двигатели. В большинстве случаев в керосиновых двигателях используется степень сжатия 6,5 или ниже. Степень сжатия варианта бензино-парафинового двигателя трактора Ferguson TE20 составляла 4,5:1, и он был разработан для работы на тракторном испаряющемся масле с октановым числом от 55 до 709. 0003

Заключение

Отношение рабочего объема цилиндра при нахождении поршня в нижней мертвой точке к рабочему объему цилиндра при нахождении поршня в верхней мертвой точке является степенью сжатия. Степень сжатия является важным компонентом при выработке мощности, поскольку именно сжатие воздушно-топливной смеси улучшает процесс сгорания и вырабатывает мощность. Важно иметь в виду, что повышенная степень сжатия приводит к более высокому октановому числу топлива. Это необходимо учитывать. В качестве примера рассмотрим одноцилиндровые двигатели, используемые в мотоциклах для бездорожья. Степень сжатия серийных двигателей мотоциклов для бездорожья с годами увеличилась и сейчас находится в диапазоне от 12,5: 1 до 13,5: 1. Несмотря на это увеличение, они по-прежнему могут сжигать бензин премиум-класса с расходом 9октановое число 1 или 93. Это стало возможным благодаря улучшениям в конструкции камеры сгорания, а также улучшениям в управлении соотношением воздух-топливо, которое стало возможным благодаря электронному впрыску топлива (EFI).