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.
Увеличение объема и степени сжатия двигателя ВАЗ 2101
Отечественные машины первых лет выпуска зачастую находятся не в самом лучшем состоянии, но встречаются и весьма ухоженные экземпляры, которые сверкают свежей краской и отлично сохранившимся хромом. Но прыть таких машин, которые уходят со светофора, не уступая многим иномаркам, удивляет еще больше. Существует множество вариантов доработки двигателя ВАЗ 2101. Рассмотрим способ, позволяющий увеличить объем и степень сжатия двигателя.
Что такое объем двигателя? Это то, сколько жидкости можно залить во все цилиндры. Сколько поместится, такой и объем двигателя. В случае с двигателем внутреннего сгорания роль жидкости выполняет топливо-воздушная смесь. Чем больше объем, тем больше смеси будет в цилиндрах и тем больше получится мощности при ее сгорании.
Вторым важным фактором при доработке двигателя является степень сжатия: чем она выше, тем лучше. Что это такое? Степенью сжатия называется соотношение объема над поршнем в его нижнем положении к соотношению объема над поршнем в его верхнем положении.
Увеличивая степень сжатия, вы сжимаете смесь, которая была в цилиндре в меньшей (чем ранее) камере сгорания. Это приводит к тому, что энергия от взрыва топлива освобождает большее количество энергии.
Объем двигателя увеличивается двумя путями: известная всем расточка в случае с «копейкой» даст максимум 100 кубических сантиметров, но вы значительно понизите ресурс двигателя. После такой расточки при следующем ремонте придется гильзовать блок или же ставить новый. Более целесообразно расточить стандартный цилиндр диаметром 76,0 мм под ближайший ремонтный размер – 76,4. Прибавка от данной расточки составит 16 кубических сантиметров. Конечно же, это не так много, но зато уберется эллипс в цилиндрах, и блок можно будет назвать новым.
Объем увеличивается путем замены коленвала, как его называют в народе, «колено». Стандартная запчасть имеет ход в 66 мм, устанавливается троечный, а лучше 213-й коленвал. У него ход 80 мм, и он лучше троечного тем, что он полнопротивовесный. Это также даст некую прибавку в мощности.
Коленвал с увеличенным ходом даст 250 кубических сантиметров. Вот она, значительная прибавка объема двигателя.
Увеличение степени сжатия производится фрезеровкой головки блока цилиндров, но эту работу обязательно должен выполнять специалист, так как слишком большая степень сжатия приведет к детонации. Что-то с ней сделать можно будет только заменой ГБЦ. Обычно голова стачивается на 1,2 мм. Повышенная степень сжатия потребует перехода на более высокооктановый бензин, но мощность возрастет. Желательно заменить распределительный вал на 213-й: у него более широкие фазы, он позволяет за раз подать больше топлива в цилиндр.
Такой 1,5, построенный на «низком» блоке, будет выдавать большую мощность, чем классический 1,5 или 1,6, устанавливаемый с завода на «Жигули». Для того чтобы поршни на новом коленвале не уперлись в камеру сгорания, необходимо заменить шатуны или поршни.
Приложение N: Влияние степени сжатия на тепловую эффективность тормоза
Страница 401 Делиться Цитировать
Рекомендуемое цитирование: «Приложение N: Влияние степени сжатия на тепловую эффективность тормоза».
Национальный исследовательский совет. 2015. Стоимость, эффективность и внедрение технологий экономии топлива для легковых автомобилей . Вашингтон, округ Колумбия: Издательство национальных академий. дои: 10.17226/21744.
×
Сохранить
Отменить
Приложение N
Влияние степени сжатия на тепловую эффективность тормоза
Влияние степени сжатия на тепловую эффективность тормоза при полной нагрузке, а также в условиях работы с частичной нагрузкой, типичных для тех, которые встречаются в процедуре испытаний CAFE, являются важными соображениями для максимального облегчения экономия топлива служебного автомобиля. Тепловой КПД идеального цикла Отто определяется следующим уравнением:
| Указанный тепловой КПД = 1 – 1/CR (1-k) | (1) |
Где: CR = степень сжатия
k = отношение постоянного давления к постоянной удельной теплоемкости
Объема
Уравнение 1 показывает, что указанный тепловой КПД увеличивается, но с уменьшающейся скоростью по мере увеличения степени сжатия.
Однако механический КПД снижается по мере увеличения степени сжатия из-за более высоких нагрузок на поршни, кольца и подшипники двигателя. Тепловой КПД тормоза является произведением указанного теплового КПД и механического КПД.
В условиях полной нагрузки механический КПД может быть относительно высоким. Однако в условиях частичной нагрузки механический КПД будет значительно ниже даже при относительно постоянном уровне трения. Значительное влияние нагрузки на механический КПД иллюстрируется уравнением для механического КПД:
| (2) |
Где: BMEP = среднее эффективное давление в тормозной системе
IMEP = указанное среднее эффективное давление
давление
FMEP = среднее эффективное трение
давление
Влияние степени сжатия на термическую эффективность тормоза вместе с указанной тепловой эффективностью и механической эффективностью составляет показано на рисунках 2.
12 (а) для условий полной нагрузки и на рисунке 2.12 (б) для условий частичной нагрузки. Эти цифры дают следующее представление о влиянии степени сжатия на тепловую эффективность тормозов:
- При полной нагрузке термический КПД тормоза увеличивается, но медленнее, с увеличением степени сжатия, аналогично указанному тепловому КПД.
- Сокращение расхода топлива для двигателей без наддува может достигать 3 процентов, если степень сжатия будет увеличена с сегодняшнего типичного уровня 10:1 до примерно 12:1. Возможно, большее снижение расхода топлива может быть достигнуто для двигателей с турбонаддувом, способных работать при более высоком давлении наддува без детонации, чтобы можно было реализовать дальнейшее уменьшение размеров. Повышение октанового числа бензина с 9По оценкам, от 1 RON бензина обычного качества до 95 RON облегчает работу при степени сжатия 12: 1.
Ожидается, что при частичной нагрузке почти незначительные улучшения теплового КПД тормозов в циклах испытаний CAFE будут достигнуты за счет увеличения степени сжатия выше примерно 12:1 из-за все более низкого механического КПД.
Повышение степени сжатия: эффекты и проблемы
Темы: Повышение степени сжатия двигателей, проблемы со степенью сжатия выше 9:1 или 10:1
Увеличение степени сжатия двигателей
Увеличение степени сжатия (во сколько раз сжимается топливно-воздушная смесь; степень сжатия 9:1 означает, что топливовоздушная смесь в двигателях сжата в 9 раз) двигателей, можно было добавить к двигателю турбокомпрессор или нагнетатель . Турбокомпрессор находится перед двигателем и пропускает больше воздуха и топлива. Он также принимает очень горячие выхлопные газы и помещает их в набор лопаток турбины для извлечения энергии, когда воздух вращает лопатки. Турбокомпрессор может значительно ускорить автомобиль, потому что он повышает давление воздуха до 23 фунтов на квадратный дюйм, что на 50% больше, чем в атмосферном двигателе с давлением воздуха 14,7 фунтов на квадратный дюйм. К сожалению, из-за этого повышенного давления турбокомпрессор значительно сокращает срок службы двигателя.
Подробнее см.: конструкция турбокомпрессора; визуальный осмотр турбокомпрессора; нагнетатель
Вернуться к началу
Итак, какие проблемы возникают с газовым двигателем, имеющим степень сжатия выше 9:1 или 10:1?
Хотя кажется хорошей идеей производить газовые двигатели со степенью сжатия выше 9:1 или 10:1, при попытке сделать это возникают серьезные проблемы. Первая проблема — это предварительное зажигание , то есть зажигание раньше, чем обычно. Воздушно-топливная смесь воспламеняется по причинам, отличным от искры зажигания от свечи зажигания, например, горячим точкам нагара в цилиндре. Это, помимо очевидного последствия недостаточной выработки энергии для движения автомобиля, также может привести к повреждению таких деталей, как поршень и шатун в блоке цилиндров.
В крайних случаях он может быстро вывести из строя весь двигатель. Вторая проблема внезапна детонация или внезапный взрыв. Это происходит после воспламенения, когда последняя часть воздушно-топливной смеси внезапно взрывается из-за чрезмерного сжатия; такой взрыв может вызвать большую нагрузку на двигатель. Такого рода избыточное сжатие может произойти, если установить турбокомпрессор на двигатель без регулировки компрессии. Обычно можно услышать характерный дребезжащий или стучащий звук, называемый
Наверх
<<Двигатель Ванкеля (роторный) | Силы, действующие на самолет>>
http://pceo.com/GDI_and_Turbocharging_Rinek
https://www.dieselnet.com/tech/images/air/turbo/~turbocharger.jpg http://www. lastchanceautorepairs.com/wp-content/uploads/2013/01/Turbocharger-Replacement-Plainfield-IL.