Ступінь свободи

1. Пролог
2. на пальцях
3. Два «дауна»
4. Просто було на папері ...
5. Зміна остова двигуна
6. Зміна висоти поршня
7. Зміна довжини шатуна і радіусу кривошипа
8. Зміна обсягу камери стиснення
9. Застосування нетрадиційних перетворюють механізмів

Ми звикли до того, що ступінь стиснення і робочий об'єм є незмінними конструктивними параметрами автомобільного двигуна. Схоже, від цієї звички незабаром доведеться відвикати. Тенденції розвитку моторобудування вказують на те, що майбутнє за двигунами з «змінюваними незмінними». І це аж ніяк не туманна перспектива - мова йде про майбутнє, яке стоїть на порозі і вже стукає в двері.

Пролог

Майже 15 років тому шведський концерн SAAB, відомий експерт в області моторних технологій, в черговий раз обурив спокій світової автомобільної громадськості. На мотор-шоу 2000 року в Женеві він продемонстрував сенсаційний результат багаторічної роботи над проектом SVC (SAAB Variable Compression) - прототип іскрового двигуна з механічним нагнітачем і змінним ступенем стиснення. Громадськість «обурили» як фантастичні характеристики потужності агрегату, так і його скромний апетит. Рядна «п'ятірка» об'ємом 1,6 л розвивала номінальну потужність і максимальний крутний момент, характерні для 3-літрового двигуна V-6 (225 к.с. / 5800 хв-1 і 333 Нм / 4000 хв-1 відповідно). При випробуваннях SVC-мотора в складі автомобіля SAAB 9-5 витрата палива в комбінованому циклі склав всього 8,3 л / 100 км.

Настільки чудова комбінація компактності, тягових характеристик, витрати палива і відповідно токсичних викидів обіцяла в новому XXI столітті райдужні перспективи і шведському концерну, і всьому світовому автопрому. Недарма SVC-концепт тут же був удостоєний декількох нагород від організаторів женевської виставки та ряду автомобільних видань. У захоплених коментарів багатьох серйозних Автофахівці висловлювалася думка, що початок масового виробництва SVC-двигунів - справа двох-трьох років. Між тим минуло вже без малого 15, а "Сааб" з чудо-моторами немає як немає. Пристрасті навколо гучного SVC-проекту вляглися, свіжої інформації про його подальшу долю годі й шукати. Гарячі голови з числа прихильників SAAB «котять бочки» на керівництво GM - мовляв, ті спеціально заморозили проект, який погрожував вбити кілок у виробництво багатолітрових «джи-емовскіх» «бормотографов» і пустити під укіс цілу галузь їх американської промисловості. Загалом, історія цікава. Можна сказати, детективна. Щоб в ній об'єктивно розібратися, потрібно спочатку зрозуміти, в чому суть ідеї зміни незмінного.

на пальцях

З теорії теплових машин, початок якої було покладено в першій половині XIX століття французьким вченим і інженером Саді Карно, відомо, що ефективність ідеального термодинамічної циклу (його термічний ККД) збільшується зі зростанням ступеня стиснення (в) робочого тіла. Вплив ступеня стиснення на ефективність реальних теплових машин - автомобільних ДВС - не настільки однозначне. Теоретично обґрунтованим, «безмежного» підвищенню ступеня стиснення перешкоджають одночасно ростуть механічні втрати на тертя і газообмін, теплові і механічні навантаження на деталі двигуна, особливості автомобільних палив і ряд інших. Тому стосовно ДВС (певної конструкції) можна говорити про оптимальному значенні ступеня стиснення, при якій досягається максимум ефективного ККД, що відповідає за паливну економічність і високі потужності характеристики. Точніше, про діапазоні оптимальних величин в, оскільки на різних режимах роботи двигуна ступінь впливу обмежуючих факторів різна і найбільш ефективна робота може досягатися при різних ступенях стиснення.

Візьмемо, наприклад, атмосферні іскрові двигуни із зовнішнім сумішоутворенням. Дослідження показують, що оптимальний ступінь стиснення для таких моторів лежить в межах 13-15. Подальше збільшення в не призводить до помітного поліпшення показників двигуна через зростання механічних втрат. У той же час цей параметр у сучасних бензинових двигунів зазвичай становить величину порядку 10, тобто істотно менше оптимальної. Причина -прагнення уникнути детонації, небезпека якої виникає перш за все на режимах повного навантаження, при високих значеннях тиску і температури в камері згоряння. Відомо, що двигун міського автомобіля працює з повністю відкритим дроселем не більше 10% часу експлуатації. Це означає, що більшу його частину він не добирає в потужності і неекономно витрачає паливо. Будь ступінь стиснення регульованою, на режимах холостого ходу і часткових навантажень двигун міг би працювати з оптимальною в, і тільки на потужних режимах вона зменшувалася б до безпечного рівня. Підраховано, що цей захід дозволив би знизити споживання бензину приблизно на 10%. Не дуже багато, але і не мало, якщо взяти до уваги величезну кількість експлуатованих «бензиномобилей». Сумарна економія нафти і скорочення викидів в атмосферу були б досить відчутними.

Мінлива ступінь стиснення послужила б добру службу і дизельних двигунів. Сучасні дизелі, більшість яких турбовані, також мають ступінь стиснення, відмінну від оптимальної. При конструюванні дизелів її вибирають з умови забезпечення стійкого холодного пуску двигуна. Залежно від конструкції мотора в може набувати значень від 16 до 24, що вище оптимуму. Зайве високий ступінь стиснення, обумовлена ​​прийнятними пусковими характеристиками, перешкоджає збільшенню тиску наддуву, тобто підвищення питомої потужності дизелів. Один з наслідків високого ступеня стиснення - велике максимальний тиск в камері згоряння. При наддуванні воно ще більше зростає, що загрожує перевищенням допустимих навантажень на деталі двигуна, зниженням його ресурсу і навіть руйнуванням. Можливість гнучко регулювати ступінь стиснення турбодизелей дозволила б без проблем запускати двигун при високій в, а на потужних режимах знижувати її аж до 10-11, одночасно збільшуючи тиск наддуву. Так можна значно підвищити потужність, не побоюючись перевищити граничний тиск згоряння.

Зазначені переваги, які обіцяють можливість регулювання ступеня стиснення, що називається, лежать на поверхні. Але все це квіточки, ягідки - попереду.

Два «дауна»

Не секрет, що появою багатьох сучасних технологій в моторобудування ми зобов'язані боротьбі за скорочення споживання палива і зменшення викидів в атмосферу вуглекислого газу та інших продуктів згоряння вуглеводневих палив. Незважаючи на досягнуті успіхи, боротьба аж ніяк не закінчена. Попереду двигуни-листів чекають нові виклики, зумовлені ще більш жорсткими екологічними нормами і зростаючими вимогами до їздовим характеристикам автомобілів. Відповіддю на нові виклики стають нові стратегії розвитку автомобільних двигунів. Більшість фахівців в області моторобудування сходяться на думці, що в найближчій перспективі особливо актуальними будуть дві взаємозалежні стратегії: downsizing і downspeeding. Назва першої в російській транскрипції вимовляється «даунсайзінг» і означає «зниження розмірів», найменування другої, яке звучить як «даунспідінг», означає «зниження частоти обертання». Приділимо увагу обом «даунам», оскільки вони безпосередньо стосуються теми розмови.

«Даунсайзінг» має на увазі рух в двох напрямках: підвищення потужності й крутного моменту двигуна без збільшення його робочого об'єму або скорочення літражу при незмінних вихідних характеристиках. В обох випадках збільшуються питомі показники двигуна, зокрема літрова потужність, що служить досягненню головної мети - зменшення витрати палива. Іншими словами, мова йде про розробку компактних і одночасно потужних моторів. Такі агрегати ефективніше використовують паливо (особливо при часткових навантаженнях) завдяки менших втрат на газообмін і тертя, а також меншим витокам тепла від робочого тіла в стінки камери згоряння.

Ще більше зменшити насосні втрати і втрати на тертя можна, якщо у компактного мотора прибавка в потужності буде досягатися не за рахунок підвищення частоти обертання колінчастого вала, а внаслідок приросту крутного моменту у всьому діапазоні оборотів. Цього можна досягти шляхом збільшення коефіцієнта наповнення і середнього ефективного тиску в циліндрі (див. Шпаргалку 2). Таким чином, стратегія «зниження розмірів» стає ще більш виграшною, якщо її доповнити «даунспідінгом».

Потрібно відзначити, що ідея підвищення питомих характеристик двигунів новою. Протягом всієї історії розвитку автомобільні двигуни постійно вдосконалювалися, ставали компактніше і потужніше. Інша справа, що зараз ця тенденція стала пріоритетною і з'явилися технологічні можливості, що дозволяють отримати на цьому напрямку якісний стрибок. Стратегії зниження розмірів і частоти обертання актуальні як для бензинових, так і дизельних двигунів, але у іскрових моторів потенціал розвитку в цих напрямках істотно вище. Для досягнення намічених цілей в двигуні з іскровим запалюванням планується використовувати декілька вже апробованих технологій:

• повністю регульований газорозподільний механізм з чотирма клапанами на циліндр (VVA);

• безпосереднє уприскування палива (GDI);

• примусовий наддув повітря (СН).

Але ключем до успіху в справі створення компактного, потужного і економічного бензинового двигуна є технологія змінною ступеня стиснення (Variable Compression Ratio, або VCR). Адже для отримання відчутного приросту літрової потужності потрібно наддув високого тиску. При цьому багато разів зросте небезпека виникнення детонації на навантажувальних режимах. Щоб її уникнути, зазвичай форсовані двигуни з фіксованою ступенем стиснення «розтискають» - зменшують величину ε на кілька одиниць (аж до 7-8), і вона ще більше віддаляється від оптимуму. Розплатою за це стає нестійка робота і ненажерливість «розціпленого» двигуна на режимах холостого ходу і часткових навантажень. Технологія VCR дозволить Високофорсовані двигуну працювати гранично ефективно на будь-яких режимах. Для цього потрібно лише навчитися плавно регулювати £ в діапазоні від 14 до 7. Повний контроль над детонацією в умовах наддуву високого тиску дасть можливість зменшити літраж двигунів до 50%, зберігши їх характеристики потужності.

Завдяки гнучкому регулюванню ступеня стиснення можна буде впливати на параметри фізичних процесів в двигуні, що впливають на споживання палива і емісію токсичних компонентів:

• тиск і температуру в кінці такту стиснення;

• максимальний тиск і температуру згоряння;

• ступінь розширення і індикаторний ККД;

• обсяг камери згоряння;

• температуру відпрацьованих газів.

Разом з екстремальним «даунсайзінг» це відкриває колосальні можливості економії енергоресурсів і зменшення викидів в атмосферу вуглекислого газу. Так, за відомостями з різних джерел, компактні VCR-двигуни з наддувом будуть споживати палива на 20-40% менше в порівнянні з традиційними атмосферними моторами еквівалентної потужності. Наприклад, економія палива двигуна SVC склала близько 30%. На таку ж величину скоротяться і викиди «парникового газу».

Технологія регульованої ступеня стиснення дозволить використовувати різні сценарії управління двигуном, що сприяють зниженню в вихлопі концентрації токсичних речовин. Наприклад, під час пуску холодного двигуна можна буде навмисно зменшити індикаторний ККД. Викликане цим підвищення температури відпрацьованих газів прискорить прогрів каталізатора і одночасно скоротить емісію оксидів азоту. На режимі максимальної потужності VCR-технологія дозволить зменшити теплові навантаження в камері згоряння і випускний системі, не вдаючись до зазвичай що застосовується способу охолодження - збагачення суміші і пов'язаного з ним підвищеного викиду СО та НС. Такого роду заходи дозволять забезпечити зростаючі екологічні вимоги до двигунів без ускладнення і подорожчання систем очищення відпрацьованих газів. На думку фахівців, завдяки технології змінною ступеня стиснення іскрові мотори зможуть нокаутувати дизелі і повернути втрачене лідерство по економічності та екології.

Можливість зміни незмінного гріє душу тим, хто ратує за використання альтернативних видів палива. Регульована в широких межах ступінь стиснення значно спрощує завдання створення багатопаливного двигуна, здатного однаково ефективно працювати на бензині, природному газі або спиртобензиновой суміші Е-85, особливо популярною в Швеції і Штатах. Нарешті, VCR-технологія відкриває дорогу для впровадження нових і вдосконалення існуючих перспективних технологій двигунобудування: використання адаптивного циклу Аткінсона, формування розшарованих зарядів паливо-повітряної суміші, спалювання надбідних сумішей і ряду інших.

Повний перелік потенційних переваг ДВС з регульованим ступенем стиснення цим не вичерпується, а й згаданого досить, щоб зрозуміти, чим обумовлений інтерес більшості автовиробників до розробок в цьому напрямку.

Просто було на папері ...

Ідея створення ДВС із змінним ступенем стиснення опанувала умами моторостроителей не вчора. Можна сказати, що останнім часом вона лише переживає своє друге народження. Перше сталося ще на зорі XX століття, так що ідея зміни незмінного ненабагато молодший самих двигунів внутрішнього згоряння. Приблизно до середини минулого століття вже були розроблені і запатентовані (у вигляді схем або конструкцій) практично всі відомі на сьогодні способи, що дозволяють варіювати ступінь стиснення в ДВС. Деякі із запропонованих рішень в силу різних причин так і залишилися на папері, деякі були втілені в залозі. Частина з створених VCR-двигунів була доведена до рівня експериментальної відпрацювання, і лише одиниці випускалися дрібними серіями і встановлювалися на автомобілі. Існують і такі «втілення», які вже майже сто років застосовуються і будуть застосовуватися в ДВС, але не для транспортних цілей. Детальніше про це буде розказано далі. Спочатку подивимося, в яких напрямках розвивалася ідея зміни незмінного.

Принципово визначити ці напрямки нескладно. Для цього потрібно пригадати, що геометрична ступінь стиснення - це відношення максимального та мінімального обсягу циліндра, коли поршень знаходиться в НМТ і ВМТ відповідно (див. Шпаргалку 1). З наведеного виразу для в видно, що впливати на ступінь стиснення можна шляхом зміни обсягу камери стиснення (V), робочого об'єму двигуна (Vh) або обох параметрів одночасно. Причому при постійному робочому обсязі варіювати ступінь стиснення можна тільки за рахунок обсягу камери стиснення. Аналіз конструктивної схеми традиційного ДВС з кривошипно-шатунним механізмом (КШМ) дає основні способи впливу на висоту камери стиснення (hc):

1) зміна остова двигуна (відстані від осі обертання коленвала до зводу камери стиснення);

2) зміна висоти поршня;

3) зміна довжини шатуна;

4) зміна радіуса кривошипа.

Важливо відзначити, що в останньому випадку - при зміні радіуса кривошипа - разом зі ступенем стиснення буде змінюватися і робочий об'єм двигуна (величина ходу поршня). Можливість одночасного впливу на обидва геометричних параметра ДВС вельми приваблива. Особливо якщо вони будуть підкорятися зворотній залежності - зі збільшенням ступеня стиснення робочий об'єм зменшуватиметься, і навпаки. Це дозволить, наприклад, зменшити літраж двигуна на режимах пуску і часткових навантажень і при цьому працювати з високим індикаторним і механічним ККД за рахунок великої в і скорочення насосних втрат. З підвищенням навантаження і зростанням тиску наддуву двигун буде «розтискати» і одночасно «збільшуватися» в розмірах. Так можна буде отримати і високу номінальну потужність, і максимальну паливну економічність в кожній точці характеристики навантаження мотора.

Зменшувати або збільшувати обсяг камери стиснення можна не тільки шляхом зміни її висоти. Врахуємо інші способи впливу на величину У окремим, п'ятим пунктом. Одержаний перелік також не буде повним без ще одного, шостого пункту. Справа в тому, що наведені вище міркування стосувалися двигунів, в яких поступальний рух поршня перетворюється в обертання коленвала за допомогою КШМ. У техніці відомо безліч інших перетворюють механізмів, в тому числі і таких, які дозволяють управляти рухом поршнів і впливати на ступінь стиснення і робочий об'єм. Їх використання в конструкції VCR-двигунів також може бути досить перспективним.

За майже столітній період, що пройшов з моменту зародження ідеї, інженери-винахідники не залишили без уваги жодне із зазначених напрямків. Відзначимо деякі з досягнутих ними результатів.

Зміна остова двигуна

Один з дере VCR-двигунів, влаштованіх за ЦІМ принципом, БУВ Створений в 20-і роки Минулого століття талановитим Британський інженером и дослідніком сірому Гаррі Рікардо. Сер Рікардо розробив свій одноциліндровий мотор з регульованим ступенем стиснення для вивчення властивостей моторних палив і явища детонації. Він же згодом ввів в ужиток поняття октанового числа палива. У двигуні Рікардо величина остова змінювалася за рахунок переміщення циліндра і головки блоку щодо нерухомих картера і колінчастого вала. Циліндр з'єднувався з картером за допомогою гайки з трапецеидальной різьбленням - переміщення циліндра досягалося її поворотом. Зміна відстані між колінчастим і розподільним валами компенсувалося проміжним роликом в ланцюговому приводі распредвала. Аналогічну схему мають більшість двигунів, що входять до складу дослідних установок, в тому числі і найсучасніших. Їх широко використовують для вивчення всіляких фізичних процесів в ДВС. Забігаючи наперед, скажемо, що і в багатоциліндрові SVC-концепті також використаний принцип варіювання остова за рахунок зміщення моноблока, що включає циліндри і ГВЦ.

Відомо чимало схем двигунів, в яких, навпаки, колінчастий вал має можливість переміщатися щодо циліндра. У німецькому патенті 1968 року описаний двигун Varimax, в якому опори коленвала вивішені всередині картера на рамі. Раму з двох сторін підтримують вертикальні штанги - з одного боку нерухомі, з іншого - регульовані. Зсув осі колінчастого вала досягається зміною довжини регульованих штанг. Найчастіше для переміщення вала пропонується встановити його корінні підшипники в ексцентрикові втулки. За такою схемою влаштований один з VCR-двигунів, розроблених фахівцями відомої дослідницької фірми з Німеччини FEV Motorentechnik. Втулки мають зубчасті вінці, в зачеплення з якими входять шестерні, розташовані на єдиному валу.

Загальний недолік згаданих конструкцій - зниження жорсткості остова двигуна, його «станового хребта», за рахунок неминучого використання додаткових з'єднань між картером, коленвалом і циліндром. Механізми, що відповідають за зміну висоти остова, піддаються великим навантаженням від газових і інерційних сил.

Конструкції з рухомим колінчастим валом до того ж страждають від недостатньої жорсткості опор і серйозних проблем, пов'язаних з суміщенням осі «коліна» з віссю первинного вала КПП. Таким чином, те, що не є критичним для стаціонарних лабораторних установок, постачає чимало проблеми на шляху створення надійних виробів для транспортних машин.

Зміна висоти поршня

На перший погляд зміна висоти поршня здається найбільш привабливим методом впливу на ступінь стиснення. Дійсно, на відміну від інших цей спосіб вимагає мінімальних змін в архітектурі базового двигуна. Конструкція поршня зі змінною висотою була запропонована в 1952 році Британським науково-дослідним інститутом двигунів. Поршень складається з двох частин - «тіла» зі спідницею і рухомий головки, виконаної у вигляді склянки. Контактна поверхня між тілом і головкою ущільнена, у внутрішню порожнину між ними по каналах в шатуне подається моторне масло. Зміна його кількості призводить до варіації висоти поршня. Зі збільшенням висоти надпоршневій зазор скорочується, ступінь стиснення зростає, і навпаки. Подача масла регулюється за допомогою системи клапанів.

Слідом за британцями в цьому ж напрямку працювали двигуністи концернів Ford і Mercedes-Benz і запропонували свої варіанти «телескопічних» поршнів. Вони відрізнялися дещо інший схемою подачі масла і організацією ущільнення рухомий головки. Поршні використовували в конструкції двигунів, що випускаються невеликими серіями. Діапазон зміни ступеня стиснення у різних двигунів був різним. Наприклад, на автомобілях М-В S-класу він становив 11-14, за рахунок цього ефективний ККД двигунів зростав на 5%.

Найбільш помітного успіху в цьому напрямку досягла американська корпорація Continental. Протягом ряду років вона випускала дизель спеціального призначення AVCR-1100 з регульованою висотою поршнів. Ступінь стиснення в ньому змінювалася в межах від 10 до 22. Збільшення висоти поршня від мінімуму до максимуму відбувалося за 60-65 циклів або приблизно за 3 с, тому що воно можливе лише протягом невеликого періоду часу, поки діючі на поршень сили інерції перевищують силу противодавления газів. Низька швидкодія - не самий значний недолік конструкцій з телескопічними поршнями. Механізм з прецизійні елементами змушений працювати в умовах високих температур і навантажень. Одне з можливих наслідків цього - коксування масла і втрата рухливості головки поршня. До того ж реалізація способу пов'язана з істотним збільшенням маси поршнів з усіма витікаючими наслідками.

Зміна довжини шатуна і радіусу кривошипа

В різний час було запропоновано велику кількість конструкцій шатунів із змінною довжиною. Велика частина з них грунтувалася на тих же рішеннях, що застосовувалися для зміни висоти поршнів. Тіло шатуна виготовлялося телескопічним, його довжина змінювалася за допомогою механічних або гідравлічних пристроїв. Таким конструкціям властиві ті ж недоліки, що і телескопічним поршням. Більш того, надійність конструкції виявлялася ще нижче через те, що шатун, на відміну від поршня, схильний до великих згинаючих навантажень. У декількох патентах пропонувалося змінювати довжину шатуна шляхом розміщення ексцентрикових елементів у верхній або нижній головках. Практична реалізація цих способів виявилася настільки складною, що вони так і залишилися чистими ідеями.

Застосування ексцентрикового механізму також розглядалося як засіб для зміни радіуса кривошипа. В цьому напрямку далі всіх просунулася голландська інжинірингова фірма Gomecsys. У запропонованій нею конструкції навколо шатунной шийки розміщується рухлива ексцентрикова втулка із зубчастим вінцем. Її кутове положення змінюється за рахунок повороту відповідної зубчастої шестерні великого діаметру з внутрішнім зачепленням. За таким принципом побудовані і досліджуються 2- і

4-циліндровий мотори - прототипи GoEngine. Розроблений механізм одночасно обслуговують два циліндра. Тому він підходить тільки для двигунів з певною схемою - парним числом циліндрів, з яких два сусідні працюють синхронно. В інших випадках кількість зубчастих пар, маса і габарити двигуна зростають надмірно. Одне це вже значно звужує можливості його практичного застосування.

Зміна обсягу камери стиснення

Альтернативні способи зміни обсягу камери стиснення головним чином зводяться до пристрою розділеної камери, що складається з двох сполучених частин - основної і додаткової. Обсяг додаткової камери варіюється переміщенням її склепіння, яке здійснюється гідравлічними, механічними або електричними пристроями. При цьому змінюється сумарний обсяг камери згоряння і відповідно ступінь стиснення.

Однією з перших подібну систему освоїла французька фірма Hispano-Suiza. В авіаційному дизельному двигуні V8 моделі HS-103 застосовували вихревую камеру змінного об'єму, рухливий звід якої переміщався під дією гідравліки. Схоже пристрій регулювання ступеня стиснення в искровом двигуні було запатентовано концерном Ford. Відмінність полягала в тому, що в цій конструкції рухома частина додаткової камери переміщалася за допомогою профільованого кулачка. Нарешті, за цим же принципом варіювалася ступінь стиснення в концепт-двигуні ALVAR, авторство якого належить концерну Volvo. Тут склепіннями додаткових камер стиснення служили днища невеликих вторинних поршнів, які приводилися в дію від вала, розташованого в ГБЦ.

Спосіб поділу камери стиснення привабливий тим, що необхідні зміни обмежуються тільки конструкцією головки. З іншого боку, ГБЦ (особливо сучасного багатоклапанні двигуна) і без того досить щільно «упакована». Так що розміщення в ній додатковий елемент представляє велику проблему. Наявність «апендикса» в камері згоряння неминуче порушує процес сумішоутворення і згоряння, що призводить до погіршення екологічних характеристик мотора. Нарешті, який регулює механізм працює в зоні максимальних теплових і механічних навантажень, що не може не позначитися на його надійності.

На цьому етапі можна зробити деякі проміжні висновки. Вони, на жаль, не дуже втішні. Для двигунів з традиційним КШМ були запропоновані і в різному ступені випробувані всі можливі варіанти регулювання ступеня стиснення. Більшість з них дозволяло вирішити поставлене завдання зі зміни в, але жоден з них не виявився безумовно кращим і придатним для широкого застосування на серійних моторах через труднощі у виготовленні або забезпеченні прийнятною працездатності. Це спонукало інженерії-рів-двигателистов згадати про інших типах механізмів, що перетворюють поступальний рух в обертання.

Застосування нетрадиційних перетворюють механізмів

Даний напрямок робіт по створенню VCR-двигуна без натяжки можна назвати популярним. Їм займалися і продовжують інтенсивно займатися багато автоконцерни - Ford, Mercedes-Benz, Nissan, Peugeot / Citroen - і моторні дослідницькі компанії: німецька FEV Motorentechnik, британська Mayflower і французька МСЕ-5 Development. Fla протягом багатьох років аналогічні розробки ведуться і в ННАМІ. Спробуємо зрозуміти причину інтересу до цієї тематики.

Погортавши важкий томик ТММ (теорія механізмів і машин, на студентському сленгу - тут моя могила), можна знайти величезну кількість кінематичних схем механізмів, які, в принципі, можливо використовувати в ДВС для передачі руху від поршня до колінчастого валу. Кривошипно-шатунний механізм - найпростіший з них, в чому полягає його незаперечне достоїнство. Відповідно до класифікації KIJJM є одноелементна перетворює механізмом, оскільки поршень пов'язаний з кривошипом єдиною ланкою - шатуном. Увага двигателистов залучили трьохелементні механізми, які при відносній простоті потенційно здатні забезпечити важлива перевага - гнучке управління рухом поршня. Трьохелементні пристрої поділяють на дві великі групи - балансирні і траверсів. У перших пов'язане з шатуном ланка (балансир) обертається, по-друге воно здійснює складний плосеое рух і називаетсв траверс. Балансирні механізми з'єднуються з кривошипом тягою, треверсние - самої траверс.

Був запатентований і експериментально відпрацьовано безліч конструкцій балансирних ДВС. Більшість з них представляли собою 2-тактний двигун з протилежним рухом поршнів. Дослідження показали, що ставка на балансирні механізми себе не виправдовує. Хоча балансирні двигуни демонстрували досить високу надійність, вони мали значно більші габарити в порівнянні з традиційними, ненабагато перевершуючи їх по можливості регулювання руху поршнів. Набагато більш обнадійливі результати були отримані в ході експериментального відпрацювання траверсних механізмів. Було доведено, що при певних умовах вони здатні забезпечити такі переваги:

• прийнятний діапазон регулювання ступеня стиснення (ε = 7-15);

• можливість одночасного регулювання ступеня стиснення і робочого об'єму, причому по оптимальному алгоритму;

• можливість зведення до мінімуму дисбалансу двигуна за рахунок оптимізації закону переміщення поршнів і використання маси додаткових елементів;

• невеликі навантаження на органи управління VCR-механізмом і, як наслідок, досить високу швидкодію;

• відсутність екзотичних деталей, використання традиційних для двигунобудування технологій.

Саме тому траверсів механізм узятий за основу більшістю зі згаданих вище розробників VCR-двигунів. Це не означає, що всі вони рухаються «слід у слід». Використовуються різні кінематичні схеми і різні конструктивні рішення. Вираз «за певних умов» було вжито раніше не випадково. Дійсно, переваги траверсних механізмів притаманні їм аж ніяк не «за визначенням». Вони досягаються тільки тоді, коли геометричні та конструктивні параметри всіх ланок оптимізовані з точки зору закону руху поршня, врівноваженості механізму і міцності. На поточному етапі ці питання є основним предметом дослідження.

Крім цього відпрацьовуються різні варіанти приводу механізму і алгоритму автоматичного управління ступенем стиснення.

Тим часом фірма MCE-5 веде роботи в іншому напрямку. У запропонованій нею конструкції VCR-двигуна використовується КШМ, але нетрадиційним способом. Верхня головка шатуна з'єднана ні з поршнем, а з віссю зубчастого колеса, яке, в свою чергу, пов'язано зі штангою, жорстко прикріпленої до поршня. Рішення на перший погляд не безперечне, але, за заявами розробників, володіє рядом переваг. Стверджується, що механізм дозволяє регулювати ступінь стиснення в широких межах, забезпечує мінімальні втрати на тертя через відсутність бічного тиску поршня на стінки циліндра, виключно надійний і має великий ресурс.

Перевірити це ми зможемо в наступній статті, яка буде присвячена найбільш перспективним проектам ДВС з «змінюваними незмінними».

Унікальну інформацію по влаштуванню, експлуатації та ремонту систем турбонаддува дивіться на сайті turbomaster.ru

Редакція дякує доктора технічних наук Георга Тер-Мкртічьяна за допомогу в підготовці статті.

• Сергій Самохін