Фирма Toyota запатентовала мотор с изменяемой степенью сжатия — ДРАЙВ
Леонид Попов, . Фото: Toyota, USPTO, Infiniti
Речь идёт о геометрической степени сжатия, а не о компрессии в цилиндрах, всяких играх с циклом Миллера, электрических наддувах, переменных впускных трактах и тому подобных ухищрениях. Изменение степени сжатия может сыграть на руку экономичности.
Идея переменной степени сжатия далеко не нова и не раз воплощалась в металле как эксперимент. А получить такой результат можно разными способами. В серии мотор подобного типа первым запустит компания Infiniti. За ней, судя по всему, подтянутся другие производители. Например, Toyota. Она запатентовала в США шатун переменной длины и ДВС с таким узлом.
В моторе Тойоты обычный шатун превращён в механизм, способный быстро менять свою длину, за счёт чего достигается изменение положения поршня в верхней мёртвой точке, а значит, и объёма камеры сгорания, и степени сжатия.
В шатун встроено несколько каналов для масла, переключающий механизм (номер 35 на рисунке ниже) с обратными клапанами и подпружиненным золотником. Его положение зависит от давления масла, подаваемого от коленчатого вала. Меняя давление, можно сдвигать этот штифт (перемещение идёт вдоль оси коленвала). Он будет соединять внутренние каналы в шатуне так, что масло сможет попадать в первый либо второй миниатюрный гидравлический цилиндры (33 и 34).
При высоком давлении масла шатун имеет максимальную длину, и степень сжатия в двигателе тоже максимальна. Если давление падает ниже определённой планки, происходит переключение гидравлических цилиндров, эксцентрик поворачивается, шатун укорачивается, а степень сжатия — падает. В патенте описаны и другие варианты связи между уровнем давления масла и длиной шатуна, в том числе различное поведение при нескольких пороговых уровнях, всё зависит от настроек золотника и клапанов.
В гидравлических цилиндрах движутся поршни, соединённые маленькими рычагами с эксцентриком (32).
В нём имеется отверстие для поршневого пальца (32d). Смещая его выше или ниже, можно менять положение поршня по отношению к шатуну, а фактически длину шатуна. Вот и весь секрет. Жаль, компания не уточняет, когда покажет подобную систему в металле. Но вряд ли столь интересная разработка останется на бумаге. Уж хотя бы ради опыта такую конструкцию стоит реализовать.
Бонус
В бензиновом моторе Infiniti 2.0 VC-Turbo (272 л.с., 390 Н•м) изменение степени сжатия (от 8:1 до 14:1) достигнуто за счёт механизма из рычагов и эксцентриков, встроенного между коленчатым валом и самыми обычными шатунами. Он способен менять взаимное положение поршня, шатуна и шатунной шейки.
На схеме в центре чёрный пунктир пересекает шатунную шейку коленчатого вала, серый пунктир отмечает управляющий эксцентриковый вал, поворот которого изменяет положение мёртвых точек поршня в ходе рабочего цикла.
Чёрный изогнутый рычаг (внизу справа) связывает управляющий эксцентрик с актуатором. Последний по сигналам электроники мгновенно настраивает положение всей конструкции в пространстве, в зависимости от режима работы двигателя (низкая нагрузка, экономичная работа или режим высокой мощности).
Заявлено, что такой агрегат на 27% эффективнее, чем классический V6 3.5, для замены которого и предназначен.
Комментарии
Поделиться
Лайкнуть
Твитнуть
Отправить
© 2005–2022 ООО «Драйв», свидетельство о регистрации СМИ №ФС77-69924 16+
Полная версия сайта
Nissan разработала ДВС с изменяемой степенью сжатия / Хабр
Степень сжатия газообразной горючей смеси в цилиндре изменяется от 8:1 до 14:1
Двигатель VC-T. Изображение: Nissan
Японский автопроизводитель Nissan Motor представил новый тип бензинового двигателя внутреннего сгорания, который по некоторым параметрам превосходит продвинутые современные дизельные двигатели.
Новый двигатель Variable Compression-Turbo (VC-T) способен при необходимости изменять степень сжатия газообразной горючей смеси, то есть изменять шаг хода поршней в цилиндрах ДВС. Этот параметр обычно является фиксированным.
Судя по всему, VC-T станет первым в мире ДВС с изменяемой степенью сжатия смеси.
Степень сжатия — отношение объёма надпоршневого пространства цилиндра двигателя внутреннего сгорания при положении поршня в нижней мёртвой точке (полный объём цилиндра) к объёму надпоршневого пространства цилиндра при положении поршня в верхней мёртвой точке, то есть к объёму камеры сгорания.
Повышение степени сжатия в общем случае повышает его мощность и увеличивает КПД двигателя, то есть способствует снижению расхода топлива.
В обычных бензиновых двигателях степень сжатия обычно составляет от 8:1 до 10:1, а в спортивных машинах и гоночных болидах может достигать 12:1 или больше. При повышении степени сжатия двигатель нуждается в топливе с бóльшим октановым числом.
Двигатель VC-T. Изображение: Nissan
На иллюстрации показана разница в шаге поршней на разной степени сжатия: 14:1 (слева) и 8:1 (справа). В частности, демонстрируется механизм изменения степени сжатия от 14:1 к 8:1.
Он происходит таким образом.
- В случае необходимости изменить степень сжатия активируется модуль Harmonic Drive и сдвигает рычаг актуатора.
- Рычаг актуатора поворачивает приводной вал (Control Shaft на схеме).
- Когда приводной вал поворачивается, он изменяет угол наклона многорычажной подвески (Multi-link на схеме)
- Многорычажная подвеска определяет высоту, на которую каждый поршень способен подняться в своём цилиндре. Таким образом, изменяется степень сжатия. Нижняя мёртвая точка поршня, судя по всему, остаётся прежней.
Конструкция запатентована Nissan (патент США № 6,505,582 от 14 июня 2003 года).
Изменение степени сжатия в ДВС можно в каком-то смысле сравнить с изменением угла атаки в винтах регулируемого шага — концепции, которая много десятилетий применяется в воздушных и гребных винтах. Изменяемый шаг винта позволяет поддерживать эффективность движителя близкой к оптимальной вне зависимости от скорости движения носителя в потоке.
Технология изменения степени сжатия ДВС даёт возможность сохранить мощность двигателя при соблюдении строгих нормативов к экономичности двигателя. Вероятно, это вообще самый реальный способ соблюсти эти нормативы. «Все сейчас работают над изменяемой степень сжатия и другими технологиями, чтобы значительно улучшить экономичность бензиновых двигателей, — говорит Джеймс Чао (James Chao), управляющий директор по Азиатско-Тихоокеанскому региону и консультант IHS, — По крайней мере последние двадцать лет или около того». Стоит упомянуть, что в 2000 году компания Saab показывала прототип такого двигателя Saab Variable Compression (SVC) для Saab 9-5, за который удостоилась ряда наград на технических выставках. Затем шведскую фирму купил концерн General Motors и прекратил работу над прототипом.
Двигатель Saab Variable Compression (SVC). Фото: Reedhawk
Двигатель VC-T обещают вывести на рынок в 2017 году с автомобилями марки Infiniti QX50. Официальная презентация назначена на 29 сентября на Парижском автосалоне.
Инженеры Nissan говорят также, что VC-T будет дешевле, чем современные продвинутые дизельные двигатели с турбонаддувом, и будет полностью соответствовать современным нормам на выбросы оксида азота и других выхлопных газов — такие правила действуют в Евросоюзе и некоторых других странах.
После Infiniti новыми двигателями планируется оснащать другие автомобили Nissan и, возможно, партнёрской компании Renault.
Двигатель VC-T. Изображение: Nissan
Можно предположить, что усложнённая конструкция ДВС в первое время вряд ли будет отличаться надёжностью. Есть смысл выждать несколько лет, прежде чем покупать автомобиль с двигателем VC-T, если только вы не хотите участвовать в тестировании экспериментальной технологии.
Научные исследования двигателя Infiniti с переменной степенью сжатия
Наши автомобильные эксперты выбирают каждый продукт, который мы представляем.
Мы можем зарабатывать деньги на ссылках на этой странице.
Под давлением
По Чаба Чере
Новый двигатель Infiniti VC-Turbo (кодовое название KR20) изобилует интересными деталями, связанными с трюком с переменной степенью сжатия. Нажмите, чтобы демистифицировать уникальные рабочие характеристики двигателя, который недавно дебютировал в новом 2019 году.Инфинити QX50.
1 из 8
VC-Turbo — это не только переменная степень сжатия, но и переменный рабочий объем
Механизм, который изменяет ход поршней в двигателе VC-Turbo, изменяет относительное положение верхней мертвой точки (ВМТ; самая высокая точка хода поршня) на 6,0 мм для изменения степени сжатия с 14,0:1 до 8,0:1. Однако относительное положение нижней мертвой точки изменяется на 4,8 миллиметра. Следовательно, в режиме низкого сжатия общий ход поршня составляет 90,1, что в сочетании с диаметром цилиндра 84,0 мм дает рабочий объем 1997 кубических сантиметров.
Посмотрите анимацию работающих механизмов в нашей истории, где мы демонстрировали прототип нового QX50.
2 из 8
VC-T также является двигателем, работающим по циклу Миллера
Как и большинство современных двигателей, VC-T оснащен фазовращателями кулачков, которые вращают впускной и выпускной распределительные валы для изменения фаз газораспределения. Однако фазер впуска активируется электрически, а не гидравлически, как на стороне выпуска. Это не только обеспечивает более быструю реакцию, но также дает фазеру диапазон движения 70 градусов вместо обычных 50 градусов для выпускного распределительного вала.
Этого достаточно, чтобы в достаточной степени задержать закрытие впускного клапана при малой мощности, чтобы уменьшить насосные потери и обеспечить работу по циклу Миллера. Это в сочетании с работой с высокой степенью сжатия увеличивает экономию топлива при легком вождении.
3 из 8
Он использует как прямой, так и портовый впрыск
Двигатель VC-T оснащен системой портового и прямого впрыска топлива. Система прямого впрыска (DI) работает при любых условиях, но количество впрысков за цикл варьируется. При небольших нагрузках система впрыска через порт подает большую часть топлива с добавлением одного выстрела из непосредственных форсунок. При умеренных нагрузках впрыск форсунки отключается и топливо поступает из двух форсунок прямого впрыска. А при высокой мощности DI впрыскивает три выстрела за цикл.
Использование системы впрыска через порт при малых нагрузках, которые составляют большую часть циклов государственных испытаний, лучше смешивает топливо и воздух, а также помогает снизить выбросы твердых частиц, что может быть проблемой для автомобилей, использующих только непосредственный впрыск.
4 из 8
Выпускной коллектор интегрирован с головкой блока цилиндров
В двигателе Infiniti VC-T используется современный подход, заключающийся в использовании выпускного коллектора, объединенного с головкой блока цилиндров.
Это снижает вес и размещает турбокомпрессор близко к цилиндрам, чтобы максимизировать улавливаемую энергию выхлопных газов, а также скорость, с которой турбокомпрессор набирает скорость.
Однако, поскольку почти все головки блока цилиндров отлиты из алюминия, это означает, что выпускной коллектор также алюминиевый. Температура плавления алюминия ниже температуры выхлопных газов, а это значит, что коллектор нужно тщательно охлаждать. Но эта потребность в охлаждении сильно зависит от того, какую мощность вырабатывает двигатель, и она существенно отличается от потребности в охлаждении блока цилиндров и головки цилиндров. Как правило, двигатели, оснащенные такими встроенными коллекторами, используют дополнительные клапаны охлаждающей жидкости или термостаты для регулирования этого охлаждающего потока. В двигателе VC-T Infiniti установила нечто, называемое многоходовым регулирующим клапаном, для регулирования этой сложной системы охлаждения.
5 из 8
Плазменное покрытие цилиндров взято от GT-R
Для дальнейшего снижения веса и снижения трения в двигателе VC-T используются алюминиевые отверстия цилиндров с плазменным покрытием, технология, заимствованная у могучего GT- Р.
Железные втулки проверены и долговечны, но они также тяжелее алюминиевых отверстий, отчасти потому, что железо плотнее алюминия, а отчасти потому, что для них требуются алюминиевые опоры внутри блока. А отверстия с плазменным покрытием отполированы до зеркального блеска, что увеличивает снижение трения, достигаемое смещенным коленчатым валом.
6 из 8
Турбокомпрессор гибридный
VC-T оснащен турбокомпрессором, который Шиничи Кига, главный инженер Nissan по бензиновым двигателям, описал как гибридный. Это связано с тем, что выхлопные газы не направляются на турбину чисто радиально, как в большинстве турбокомпрессоров. Он входит под углом, что означает, что в потоке также есть осевая составляющая. Говорят, что в сочетании с малоинерционной турбиной это позволяет быстрее наращивать наддув.
7 из 8
Коленчатый вал имеет большее смещение
Одним из основных источников трения в двигателе внутреннего сгорания являются поршни, когда они прижимаются к стенкам цилиндра.
Это вызвано угловатым положением шатунов при их вращении вокруг коленчатого вала и наиболее заметно во время рабочего такта, когда давление над поршнем самое высокое.
Эти боковые нагрузки могут быть уменьшены за счет смещения коленчатого вала от осевой линии цилиндров таким образом, чтобы шатуны находились почти вертикально во время рабочего такта. Такие смещения не редкость в современных двигателях, но смещение особенно велико в двигателе VC-T, возможно, потому, что нижняя часть двигателя уже была полностью переработана, поэтому большое смещение можно было легко приспособить.
8 из 8
Система смазки обычная
Несмотря на все дополнительные детали и подшипники в механизме с переменной степенью сжатия, система смазки вполне традиционна. Масляный насос нормального размера, давление масла не отклоняется от условного, а используемое масло 5W-30, что, пожалуй, является более высокой вязкостью, чем сегодняшняя норма. Интервал замены такой же, как у обычных двигателей Nissan.
Единственное отличие состоит в том, что зазоры в подшипниках немного меньше, возможно, потому, что многие подшипники работают на пониженной скорости и не подвергаются постоянному вращению.
Еще одна деталь, связанная со смазкой, заключается в том, что вал управления и нижний конец тяги управления большей частью погружены в уровень масла в поддоне. Однако, поскольку эти компоненты не вращаются на высокой скорости, не должно быть проблем с ветром и аэрацией масла.
Мы заходим в штаб-квартиру Mercedes-AMG
Как работает двигатель Infiniti с регулируемой степенью сжатия
Вот уже более века автомобильные инженеры борются с неизбежным балансированием, когда речь идет о сжатии двигателя. Теперь, благодаря инновациям от Infiniti, они могут получить лучшее из обоих миров.
Автомобили имеют единую степень сжатия двигателя, которая выражается в виде 10:1. Это соотношение сравнивает максимальное и минимальное значение объема цилиндра, когда поршень перемещается по всему его диапазону.
Чем большее давление вы оказываете на топливно-воздушную смесь двигателя, тем выше число.
Как это работает
InfinitiПроблема в том, что разные степени сжатия хороши в разное время. Но ограничения технологии двигателей вынуждают конструкторов устанавливать одно передаточное число для каждого двигателя, что оказывает огромное влияние на долговечность автомобиля, выбросы, экономию топлива, мощность на высоких и низких оборотах. Большой наградой для инженеров был бы способ позволить двигателю изменять степень сжатия на лету, указывая низкую степень сжатия, когда это выгодно, и высокую степень сжатия в других случаях. Но теории и надежды всегда опережали технологии.
Последние 20 лет Infiniti работала над мечтой о переменном сжатии. В процессе было разработано более 100 прототипов двигателей, пройдено более 1,8 миллиона миль во время дорожных испытаний и проведено более 30 000 часов работы на испытательных стендах. Плодом их труда стал двигатель VC-Turbo, а внедорожник Infiniti QX50 2019 года стал первым автомобилем, оснащенным первым в мире серийным двигателем с переменной степенью сжатия.
Как работает переменная компрессия
Infiniti
«VC» означает переменное сжатие, и это означает, что VC-Turbo может изменять коэффициент сжатия в непрерывном режиме от довольно низкого 8:1 до довольно высокого 14:1. Вот почему это так важно.
Высокая степень сжатия означает, что вы плотно сжимаете воздушно-топливную смесь в камерах сгорания двигателя, что, в свою очередь, означает большую мощность и эффективность использования топлива. Загвоздка в том, что двигатели с наддувом — с нагнетателями, турбонагнетателями и двойными нагнетателями — не любят высокие степени сжатия. Их работа состоит в том, чтобы собрать лишний воздух и загнать его в двигатель. Если воздух уже плотно спрессован, а турбонаддув еще сильнее, то воздух (однажды смешанный с парами топлива) может непредсказуемо воспламениться. Вот как вы получаете стук в двигателе, а стук в двигателе нехороший. Таким образом, инженеры попали в перетягивание каната.
Вам нужна высокая степень сжатия ради мощности и эффективности, но не настолько высокая, чтобы детонация в двигателе приводила к поломке двигателя.
Инфинити QX50 2019 года.
InfinitiInfiniti VC-Turbo представляет собой 2,0-литровый рядный четырехцилиндровый двигатель с турбонаддувом, который может работать с очень высокой степенью сжатия без детонации благодаря переменной степени сжатия. Во время сильного турбонаддува компьютер управления двигателем VC-Turbo подает сигнал электродвигателю, чтобы он переместил рычаг привода, который сокращает досягаемость поршней внутри двигателя, что снижает степень сжатия, чтобы избежать детонации. Когда двигатель не так сильно использует турбонагнетатель, рычаг привода удлиняет досягаемость поршней, что увеличивает степень сжатия.
Больше «умных» двигателей
- Четырехцилиндровые двигатели появятся на полноразмерных грузовиках
- Как работает двигатель Skyactiv-X в Mazda 3 управляющий делами.
Но это был только первый большой прорыв, сделавший возможным переменное сжатие.Другим требованием было добиться плавной работы двигателя за счет отказа от двух уравновешивающих валов, которые обычные рядные четырехцилиндровые двигатели должны уравновешивать вибрации. Infiniti говорит, что QX50 оснащен первой серийной опорой двигателя, которая активно гасит вибрации. Датчики, встроенные в верхние опоры двигателя, обнаруживают вибрации от VC-Turbo, а затем создают противоположные вибрации, чтобы нейтрализовать их. Все вместе, говорит Дэй, конструкция снижает уровень шума двигателя предыдущего QX50 на девять децибел, что делает этот четырехцилиндровый двигатель почти таким же тихим, как конструкция V6.
Плавное переключение
Infiniti
VC-Turbo также может работать в цикле Аткинсона в определенных ситуациях для повышения эффективности использования топлива. Цикл Аткинсона работает, создавая небольшой промежуток времени, в течение которого впускные клапаны двигателя приоткрываются, втягивая дополнительный воздух в камеры сгорания как раз в тот момент, когда поршни начинают сжимать топливно-воздушную смесь.
Уменьшая рабочий объем двигателя (объем), он позволяет двигателю вести себя как меньший и более эффективный двигатель во время впуска.После того, как зажигание полностью запущено, VC-Turbo вырабатывает мощность, равную настоящему большему двигателю. При высокой степени сжатия VC-Turbo плавно переключается на цикл Аткинсона, потому что двигатель развивает достаточную мощность, чтобы выдержать небольшое падение мощности в угоду эффективности. Двигатели с циклом Аткинсона распространены в гибридных бензиново-электрических автомобилях, которые подчеркивают эффективность использования топлива и в которых электродвигатели компенсируют снижение мощности, но редко используются в двигателях с прямым топливом.
Под капотом QX50.
Infiniti. компоновка привода и на 30 процентов более экономичный в полноприводной компоновке. Комбинированный расход топлива составляет 27 миль на галлон и 26 миль на галлон соответственно. VC-Turbo уступает в мощности по сравнению с предыдущим V6, но не в крутящем моменте.