Двигун VC-T. Зображення: Nissan
Японський автовиробник Nissan Motor представив новий тип бензинового двигуна внутрішнього згоряння, який за деякими параметрами перевершує просунуті сучасні дизельні двигуни.
Новий двигун Variable Compression-Turbo (VC-T) здатний при необхідності змінювати ступінь стиснення газоподібної горючої суміші, Тобто змінювати крок ходу поршнів в циліндрах ДВС. Цей параметр зазвичай є фіксованим. Судячи з усього, VC-T стане першим в світі ДВС із змінним ступенем стиснення суміші.
Ступінь стиснення - відношення обсягу надпоршневого простору циліндра двигуна внутрішнього згоряння при положенні поршня в нижній мертвій точці (повний обсяг циліндра) до обсягу надпоршневого простору циліндра при положенні поршня у верхній мертвій точці, тобто до обсягу камери згоряння.
Підвищення ступеня стиснення в загальному випадку підвищує його потужність і збільшує ККД двигуна, тобто сприяє зниженню витрати палива.
У звичайних бензинових двигунах ступінь стиснення зазвичай становить від 8: 1 до 10: 1, а в спортивних машинах і гоночних болідах може досягати 12: 1 або більше. При підвищенні ступеня стиснення двигун потребує палива з більшим октановим числом.
Двигун VC-T. Зображення: Nissan
На ілюстрації показана різниця в кроці поршнів на різного ступеня стиснення: 14: 1 (ліворуч) і 8: 1 (праворуч). Зокрема, демонструється механізм зміни ступеня стиснення від 14: 1 до 8: 1. Він відбувається таким чином.
- У разі необхідності змінити ступінь стиснення активується модуль Harmonic Drive і зрушує важіль актуатора.
- Важіль актуатора повертає приводний вал ( Control Shaft на схемі).
- Коли приводний вал повертається, він змінює кут нахилу многоричажной підвіски ( Multi-link на схемі)
- Підвіска визначає висоту, на яку кожен поршень здатний піднятися в своєму циліндрі. Таким чином, змінюється ступінь стиснення. Нижня мертва точка поршня, судячи з усього, залишається колишньою.
Зміна ступеня стиснення в ДВС можна в якомусь сенсі порівняти зі зміною кута атаки в гвинтах регульованого кроку - концепції, яка багато десятиліть застосовується в повітряних і гребних гвинтах. Змінний крок гвинта дозволяє підтримувати ефективність рушія близькою до оптимальної незалежно від швидкості руху носія в потоці.
Технологія зміни ступеня стиснення ДВС дає можливість зберегти потужність двигуна при дотриманні суворих нормативів до економічності двигуна. Ймовірно, це взагалі найреальніший спосіб дотримати ці нормативи. «Все зараз працюють над змінною ступінь стиснення і іншими технологіями, щоб значно поліпшити економічність бензинових двигунів, - говорить Джеймс Чао (James Chao), керуючий директор по Азіатсько-Тихоокеанському регіону і консультант IHS, - Принаймні останні двадцять років або близько того" . Варто згадати, що в 2000 році компанія Saab показувала прототип такого двигуна Saab Variable Compression (SVC) для Saab 9-5, за який удостоїлася ряду нагород на технічних виставках. Потім шведську фірму купив концерн General Motors і припинив роботу над прототипом.
Двигун Saab Variable Compression (SVC). Фото: Reedhawk
Двигун VC-T обіцяють вивести на ринок в 2017 році з автомобілями марки Infiniti QX50. Офіційна презентація призначена на 29 вересня на Паризькому автосалоні. Цей дволітровий чотирициліндровий двигун буде мати приблизно такий же потужністю і крутним моментом, що і 3,5-літровий двигун V6, місце якого займе, але забезпечить економію палива 27%, в порівнянні з ним.
Інженери Nissan кажуть також, що VC-T буде дешевше, ніж сучасні просунуті дизельні двигуни з турбонаддувом, і буде повністю відповідати сучасним нормам на викиди оксиду азоту та інших вихлопних газів - такі правила діють в Євросоюзі і деяких інших країнах.
Після Infiniti новими двигунами планується оснащувати інші автомобілі Nissan і, можливо, партнерської компанії Renault. 
Двигун VC-T. Зображення: Nissan
Можна припустити, що ускладнена конструкція ДВС в перший час навряд чи буде відрізнятися надійністю. Є сенс почекати кілька років, перш ніж купувати автомобіль з двигуном VC-T, якщо тільки ви не хочете брати участь в тестуванні експериментальної технології.
Все частіше звучать авторитетні думки, що зараз розвиток двигунів внутрішнього згоряння досягло найвищого рівня і більше неможливо помітно поліпшити їх характеристики. Конструкторам залишається займатися повзучої модернізацією, шліфуючи системи наддуву і уприскування, а також додаючи все більше електроніки. З цим не погоджуються японські інженери. Своє слово сказала компанія Infiniti, яка побудувала двигун із змінним ступенем стиснення. Будемо розбиратися, в чому переваги такого мотора, і яке у нього майбутнє.
В якості вступу нагадаємо, що ступенем стиснення називають відношення обсягу над поршнем, що знаходиться в нижній «мертвої» точки, до обсягу, коли поршень знаходиться у верхній. Для бензинових двигунів цей показник становить від 8 до 14, для дизелів - від 18 до 23. Ступінь стиснення задається конструкцією фіксоване. Розраховується вона в залежності від октанового числа застосовуваного бензину і наявності наддуву.
Можливість динамічно змінювати ступінь стиснення в залежності від навантаження дозволяє підняти ККД турбированного мотора, Домігшись того, щоб кожна порція паливо-повітряної суміші згоряла при оптимальному стисненні. Для малих навантажень, коли суміш збіднена, використовується максимальне стиснення, а в навантаженому режимі, коли бензину впорскується багато і можлива детонація, мотор стискає суміш мінімально. Це дозволяє не регулювати «назад» кут випередження запалювання, який залишається в найбільш ефективної позиції для зняття потужності. Теоретично система зміни ступеня стиснення в ДВС дозволяє до двох разів зменшити робочий об'єм двигуна при збереженні тягових і динамічних характеристик.
Схема двигуна із змінним обсягом дозування камери згоряння і шатуни з системою підйому поршнів
Однією з перших з'явилася система з додатковим поршнем в камері згоряння, який переміщаючись, зраджував її обсяг. Але відразу виникло питання про розміщення ще однієї групи деталей в голівці блоку, де вже і так тіснилися розподілвали, клапани, інжектори і свічки запалювання. Притому порушувалася оптимальна конфігурація камери згоряння, чому паливо спалювалося нерівномірно. Тому система так і залишилася в стінах лабораторій. Не пішла далі експерименту і система з поршнями змінною висоти. Розрізні поршні були надмірно важкими, притому відразу виникли конструктивні труднощі з управлінням висотою підйому кришки.
Система підйому клонували на ексцентрикових муфтах FEV Motorentechnik (зліва) і траверсів механізм для зміни висоти підйому поршня
Інші конструктори пішли шляхом управління висотою підйому клонували. У цій системі опорні шийки коленвала розміщені в ексцентрикових муфтах, що приводяться в дію через шестерні електромотором. Коли ексцентрики повертаються, колінвал піднімається або опускається, чому, відповідно, змінюється висота підйому поршнів до голівки блоку, збільшується або зменшується обсяг камери згоряння, і змінюється тим самим ступінь стиснення. Такий мотор показала у 2000 році німецька компанія FEV Motorentechnik. Система була інтегрована в турбований чотирициліндровий двигун 1.8 л від концерну Volkswagen, де варіювала ступінь стиснення від 8 до 16. Мотор розвивав потужність 218 л.с. і крутний момент 300 Нм. До 2003 року двигун випробовувався на автомобілі Audi A6, але в серію не пішов.
Чи не занадто щасливої \u200b\u200bвиявилася і зворотна система, також змінює висоту підйому поршнів, але не за рахунок керування коленвалом, а шляхом підйому блоку циліндрів. Чинний мотор подібної конструкції продемонстрував 2000 року Saab, і також тестував його на моделі 9-5, плануючи запустити в серійне виробництво. Який отримав назву Saab Variable Compression (SVC) п'ятициліндровий турбований двигун об'ємом 1,6 л, розвивав потужність 225 л. с. і крутний момент 305 Нм, при цьому витрата палива при середніх навантаженнях знизився на 30%, а за рахунок регульованої ступеня стиснення мотор міг без проблем споживати будь бензин - від А-80 до А-98.
Система двигуна Saab Variable Compression, в якій ступінь стиснення змінюється за рахунок відхилення верхньої частини блоку циліндрів
Завдання підйому блоку циліндрів в Saab вирішили так: блок був розділений на дві частини - верхню з головкою і гільзами циліндрів, і нижню, де залишився колінвал. Однією стороною верхня частина була пов'язана з нижньої через шарнір, а на інший був встановлений механізм з електроприводом, який, як кришку у скрині, піднімав верхню частину на кут до 4 градусів. Діапазон ступеня стиснення при підніманні - опусканні міг гнучко змінюватись від 8 до 14. Для герметизації рухомою і нерухомою частин служив еластичний гумовий кожух, який виявився одним з найбільш слабких місць конструкції, разом з шарнірами і підйомним механізмом. Після придбання Saab корпорацією General Motors американці закрили проект.
Проект МСЕ-5 в якому застосований механізм з робочим і керуючим поршнями, пов'язаними через зубчасте коромисло
На рубежі століть свою конструкцію двигуна із змінним ступенем стиснення запропонували і французькі інженери компанії MCE-5 Development S.A. Показаний ними турбований 1.5-літровий мотор, в якому ступінь стиснення могла варіюватися від 7 до 18, розвивав потужність 220 л. с. і крутний момент 420 Нм. Конструкція тут досить складна. Шатун розділений і забезпечений нагорі (в частині, яка встановлюється на колінвал) зубчастим коромислом. До нього примикає інша частина шатуна від поршня, оконечник якої має зубчасту рейку. З іншого стороною коромисла пов'язана рейка керуючого поршня, що приводиться в дію через систему змащення двигуна за допомогою спеціальних клапанів, каналів і електроприводу. Коли керуючий поршень переміщається, він впливає на коромисло і висота підняття робочого поршня змінюється. Двигун експериментально обкатувався на Peugeot 407, але автовиробник не зацікавився даною системою.
Тепер своє слово вирішили сказати конструктори Infiniti, представивши двигун з технологією Variable Compression-Turbocharged (VC-T), що дозволяє динамічно змінювати ступінь стиснення від 8 до 14. Японські інженери застосували траверсів механізм: зробили рухливе зчленування шатуна з його нижньої шийкою, яку, в свою чергу, зв'язали системою важелів з приводом від електромотора. Отримавши команду від блоку управління, електродвигун переміщує тягу, система важелів змінює положення, регулюючи тим самим висоту підйому поршня і, відповідно, змінюючи ступінь стиснення.
Конструкція системи Variable Compression у мотора Infiniti VC-T: а - поршень, b - шатун, з - траверса, d - колінвал, е - електродвигун, f - проміжний вал, g - тяга.
За рахунок цієї технології дволітровий бензиновий турбомотор Infiniti VC-T розвиває потужність 270 к.с., опиняючись на 27% економічніше інших дволітрових двигунів компанії, що мають постійну ступінь стиснення. Японці планують запустити мотори VC-T в серійне виробництво в 2018 році, оснастивши ними кросовер QX50, а потім і інші моделі.
Зауважимо, що саме економічність виступає зараз основною метою розробки моторів із змінним ступенем стиснення. При сучасному розвитку технологій наддуву і уприскування, нагнати потужності в моторі для конструкторів не складає великих проблем. Інше питання: скільки бензину в супернадутом двигуні буде вилітати в трубу? Для звичайних серійних моторів показники витрати можуть виявитися неприйнятними, що і виступає обмежувачем для надування потужності. Японські конструктори вирішили цей бар'єр подолати. Як вважають в компанії Infiniti, їх бензи новий двигун VC-T, здатний виступити як альтернатива сучасним турбованим дизелів, показуючи той же витрата палива при кращих характеристиках по потужності і більш низьку токсичність вихлопу.
Який результат?
Роботи над двигунами із змінним ступенем стиснення ведуться вже не один десяток років - цим напрямком займалися конструктори Ford, Mercedes-Benz, Nissan, Peugeot і Volkswagen. Інженерами дослідних інститутів і компаній по обидва боки Атлантики отримані тисячі патентів. Але поки жоден такий мотор не пішов у серійне виробництво.
Не все гаразд і у Infiniti. Як зізнаються самі розробники мотора VC-T, у їх дітища поки залишаються загальні проблеми: Зросла складність і вартість конструкції, не вирішено питання з вібрацією. Але японці сподіваються доопрацювати конструкцію і запустити її в серійне виробництво. Якщо це станеться, то майбутнім покупцям залишилося тільки зрозуміти: скільки доведеться переплатити за нову технологію, Наскільки такий мотор буде надійний і скільки дозволить економити на паливі.
«Змінна ступінь стиснення» - технологія, яка забезпечить майбутнє бензиновому двигуну ще років на 30-50, а за характеристиками дозволить йому значно випередити дизельні мотори. Коли ж з'являться ці агрегати і чим вони краще вже існуючих?
Вперше мотор із змінним ступенем стиснення засвітився на Женевському автосалоні 2000 року (див.). Тоді його представила компанія Saab. Самий високотехнологічний на той час двигун Saab Variable Compression (SVC) з п'ятьма циліндрами мав робочий об'єм 1,6 л, але розвивав немислиму для такого літражу потужність 225 л. с. і крутний момент 305 Нм. Чудовими виявилися і інші характеристики - витрата палива при середніх навантаженнях знизився на цілих 30%, на стільки ж зменшився показник викидів СО2. Що стосується СО, СН, NОx і т. Д., То вони, за твердженням творців, відповідають всім існуючим і планованим на найближче майбутнє нормам токсичності. До того ж змінна ступінь стиснення дала можливість цьому мотору працювати на різних марках бензину - від А-76 до А-98 - практично без погіршення характеристик і без детонації. Кілька місяців по тому подібний силовий агрегат представила і компанія FEV Motorentechnik. Це був 1,8-літровий двигун Audi A6, в якому показник витрати палива знизили на 27%.
Однак через складність конструкції ці мотори в той час так і не пішли в серію, а з метою підвищення коефіцієнта корисної дії (ККД) двигун внутрішнього згоряння вдосконалили шляхом впровадження безпосереднього вприскування палива, змінюваної геометрії впускного тракту, інтелектуальних турбонаддувов і т. Д. паралельно велася активна робота над створенням гібридних силових установок, Електромобілів, розвитком водневих паливних осередків і нових способів зберігання водню. Проте, потенціал, закладений в мотори із змінним ступенем стиснення, не давав спокою багатьом інженерам. В результаті з'явилося безліч механізмів реалізації цієї ідеї «в металі».
Найбільш близьким до її здійсненню сьогодні є французький проект двигуна MCE-5, який стартував ще в 1997 році. Народжена тоді концепція мала масу недоліків, усувати які довелося майже десять років. В цьому році даний мотор презентували «в металі», як і саабовскій в 2000-му на Женевському автосалоні.
овінка з чотирма циліндрами має об'єм 1,5 л і видає при цьому максимальну потужність 160 кВт (218 л. с.) і крутний момент 300 Нм. Крім змінною ступеня стиснення, двигун оснащений безпосереднім уприскуванням, Системою зміни фаз газорозподілу і укладається в усі перспективні екологічні норми.
Як змінюють ступінь стиснення
У MCE-5 діапазон контролю ступеня стиснення знаходиться в межах 7-18 (7: 1-18: 1). Більш того, контроль і зміна ступеня стиснення відбувається індивідуально в кожному циліндрі.
Механізм цей досить складний. Головна деталь - двостороння урізана шестерня-сектор, серединою посаджена на укорочений шатун кривошипно-шатунного механізму (КШМ). У свою чергу, шестерня-сектор з одного боку входить в зачеплення з шатуном поршня, а з іншого - з шатуном механізму зміни обсягу камери згоряння. Принцип роботи цієї конструкції дуже простий - шестерня-сектор на осі шатуна є свого роду коромислом. І якщо це коромисло нахиляти в одну або іншу сторону, у поршня буде змінюватися положення верхньої мертвої точки (ВМТ), а відповідно, і обсяг камери згоряння. А так як величина ходу поршня постійна, змінюється ступінь стиснення (відношення об'єму циліндрів до обсягу камери згоряння). За нахил коромисла відповідає гидромеханическая конструкція, якою управляє електроніка. Вона також складається з поршня з шатуном, нижній кінець якого входить в зачеплення з коромислом (шестерень-сектором) з іншого боку. Обсяг над і під цим поршнем з'єднаний з системою змащення, а в самому поршні, названому масляним, є спеціальний клапан, що пропускає масло з верхньої частини в нижню. Керують ним за допомогою ексцентрикового вала, який за сприяння черв'ячної передачі приводить в рух електромотор системи Valvetronic (BMW). Для зміни ступеня стиснення від 7 до 18 потрібно менше 100 мілісекунд.
Обсяг камери згоряння коригується за принципом зміни пропускної здатності масляних клапанів. При їх відкритті масляний поршень йде вгору і камера згоряння збільшується.
Ресурс - надійність
Конструктивно новий мотор став складніше. За теорією ймовірності, його надійність повинна знизитися, проте творці заперечують це. Вони стверджують, що доводили двигун дуже довго і все добре розрахували і перевірили. Ресурс цього агрегату збільшиться, так як на поршень вже не будуть діяти бічні і ударні навантаження, що відбуваються у класичного ДВС через шатуна, вісь якого розташовується під кутом до осі поршня (крім ВМТ і НМТ). У новому моторі зусилля поршня і жорстко «прив'язаного» до нього шатуна передається тільки у вертикальній площині, відповідно, тиск на стінки циліндрів невелике, тому що труться поверхні цих деталей зношуються значно менше. Такі особливості конструкції двигуна також забезпечили зниження шумності його роботи. А крім того, значно тихіше стала працювати поршнева група і знизилися втрати енергії на тертя - це ще плюс кілька відсотків на користь ККД мотора.
Інші способи зміни обсягу камери згоряння:
 |
||
 |
||
 |
||
 |
Конструктивна особливість роботи першого заявленого мотора із змінним ступенем стиснення - головка 1 і верхня частина блоку 2 циліндрів були рухливими і за допомогою спеціального кривошипа 3 переміщалися вгору-вниз щодо коленвала 4 з нерухомою віссю і нижній частині блоку циліндрів.
|
|
Юрій Дацик
фото МСЕ
Якщо ви знайшли помилку, будь ласка, виділіть фрагмент тексту і натисніть Ctrl + Enter.
Вже більше десятиліття основою бізнесу цього китайського бренду є сервіси в галузі телебачення і музики, проте тепер він стрімко виходить на ринок смартфонів і іншої споживчої електроніки. Згідно з попередніми даними, мобільні пристрої LeEco відмінно розходяться в Китаї та інших країнах. Можливо, настільки ж успішним виявиться дебют компанії і в автомобільному бізнесі? Минулого тижня газета South China Morning Post повідомила про те, що LeEco збирається побудувати завод з випуску електромобілів. Очікувана потужність - 400 тисяч машин на рік.
За попередніми даними, LeEco збирається інвестувати близько 1,8 мільярда доларів в нову виробничу площадку, яка буде розташована в провінції Чжецзян. Згодом завод повинен стати частиною технологічного парку Eco Experience Park. Поки йдеться про те, що зведення фабрики закінчиться в 2018 році.
Раніше LeEco шукала партнерів на китайському ринку, які б змогли надати власні виробничі потужності. Наприклад, компанія вела переговори з BAIC і GAC. Але досить вигідних пропозицій не знайшлося, тому керівництво вирішилося на будівництво власного заводу. За попередніми даними, на ньому будуть не тільки збирати електрокари, а й випускати найважливіші компоненти, в тому числі електромотори і тягові акумулятори. До поточного моменту LeEco володіє 833 патентами в області електромобілів.
Можливо, в перспективі LeEco буде випускати електрокари і в США: в Неваді зараз йде будівництво заводу компанії Faraday Future, яка є стратегічним партнером LeEco.
Також минулого тижня стало відомо про деякі плани Ford. Американці вже зараз займаються гібридними і електричними автомобілями: Ford продає моделі C-Max Hybrid, C-Max Energi, Focus Electric, Fusion Hybrid і Fusion Energi. Однак в перспективі виробник має намір виділити спеціальну серію інноваційних моделей. Ймовірно, вона отримає назву ModelE.
Американська компанія подала патент на ім'я Model E ще в 2013 році. Вона вже багато років випускає фургони Ford E-Series, однак навряд чи нова назва якось з ними пов'язано. При цьому глава Tesla Motors Елон Маск в 2014 році журився над тим, що йому не вдасться випустити автомобіль Model E: «Ми збиралися назвати новинку Model E, але потім Ford в судовому порядку заборонив нам це робити, кажучи, що він сам збирається використовувати таке ім'я. Я думав, що це безумство: Ford намагається вбити SEX ( у "Тесли" було б три моделі - Model S, Model E і Model X. - прим. ред.)! Тому нам довелося придумати іншу назву. Нова модель буде називатися Model 3 ».
Під маркою Model E буде існувати ціла серія електричних і гібридних моделей Ford. Виробник поки не ділиться точними відомостями про них, зате вже зараз відомо, що як мінімум деякі з них будуть пропонуватися відразу в декількох версіях: гібрид, гібрид з можливістю зовнішньої зарядки і електрокар. Схожий підхід використаний в новій моделі Hyundai IONIQ.
Зараз вже йде будівництво нового заводу для автомобілів серії Ford Model E. Це буде перша повністю нова виробнича площадка компанії на території Північної Америки за останні 20 років. Загальні інвестиції в фабрику повинні скласти 1,6 мільярда доларів, що є величезною сумою навіть за мірками американського автомобілебудування. Примітно, що завод буде перебувати в Мексиці, а зовсім не в США.
Будівництво нової фабрики має бути завершено в 2018 році, а перші серійні гібриди і електрокари зійдуть з конвеєра в 2019-м. В минулому році Ford анонсував плани вкласти близько 4,5 мільярда доларів в електричні транспортні засоби до 2020 року. На ці гроші планується розробити і запустити у виробництво 13 нових моделей. Передбачається, що вони повинні скласти конкуренцію автомобілям Tesla, Chevrolet Bolt і Nissan Leaf. При цьому повністю електричні версії повинні отримати запас ходу в районі 320 кілометрів. Швидше за все, більшість інноваційних моделей будуть хетчбек і компактними кросоверами.
Тим часом в Норвегії з 2025 роки збираються повністю заборонити продаж бензинових і дизельних машин. Подібну ініціативу ми обговорювали кілька місяців тому. Тоді норвезька газета Dagens Næringsliv повідомила, що чотири ключових партії Норвегії домовилися про введення з 2025 року заборони на продаж нових автомобілів, що спалюють паливо. Однак тепер представник Міністерства транспорту країни офіційно спростував цю інформацію.
В цілому подібна ініціатива виглядає цілком логічно. По-перше, в цій північній європейській країні вже давно діють високі мита на моделі з ДВЗ. Завдяки цьому в 2015 році продажі електрокарів і гібридів виросли відразу на 71%. По-друге, в країні відсутнє власне виробництво машин, яке необхідно підтримувати будь-якими способами. Справедливості заради відзначимо, що Норвегія є лідером Європи з видобутку нафти, тому пропаганда електричних транспортних засобів може йти врозріз з інтересами країни.
У Міністерстві транспорту підтвердили інформацію про те, що Національний план розвитку транспорту Норвегії передбачає певні кроки, спрямовані на зниження обсягу викиду шкідливих речовин в атмосферу, однак він не включає в себе пропозиції про повну заборону всіх видів двигунів внутрішнього згоряння з 2025 року. При цьому офіційний представник відомства згадав про те, що «уряд хоче заохочувати більш екологічно чисті види транспорту, але використовувати пряник замість батога». Про це він повідомив виданню autonews.com.
Цікаво, що минулого тижня багато російських ЗМІ поспішили заявити про те, що Норвегія планує повністю заборонити продаж нових легкових автомобілів з ДВС з 2025 року. Таким чином, вони поділилися застарілої неофіційною інформацією або невірно сприйняли нове повідомлення Міністерства транспорту європейської країни.
⇡ автомобільні технології
Двигун внутрішнього згоряння спочатку був найскладнішим агрегатом автомобіля. З моменту появи перших машин пройшло більше ста років, але в цьому плані нічого не змінилося (якщо не брати до уваги електрокари). При цьому провідні виробники йдуть ніздря в ніздрю в плані технічного прогресу. Сьогодні у кожної поважаючої себе компанії є турбомотор з безпосереднім уприскуванням палива і системою зміни фаз газорозподілу як на впуску, так і на випуску (якщо мова йде про бензинових двигунах). Більш високотехнологічні рішення поширені менше, але все таки зустрічаються. Наприклад, недавно кросовер Audi SQ7 TDI отримав перший в світі двигун з електричним турбонаддувом, а BMW представила дизельний мотор з чотирма турбокомпресорами. Серед найбільш екзотичних серійних рішень виділяється система FreeValve розробки Koenigsegg: мотори шведської компанії взагалі позбавлені розподільних валів. Неважко помітити, що в основному люблять експериментувати інженери європейських фірм. Однак тепер з'явилася цікава новина з Японії: інженери Infiniti представили перший двигун із змінним ступенем стиснення.
Багато часто плутають поняття ступеня стиснення і компресії, причому нерідко це роблять люди, за родом діяльності пов'язані з автомобілями і їх обслуговуванням або ремонтом. Тому для початку коротко розповімо, що ж таке ступінь стиснення і чим вона відрізняється від компресії.
Ступінь стиснення (СЖ) - відношення обсягу циліндра над поршнем в нижньому положенні (нижня мертва точка) до обсягу простору над поршнем при його верхньому положенні (верхня мертва точка). Таким чином, мова йде про безрозмірному параметрі, який залежить тільки від геометричних даних. Грубо кажучи, це відношення обсягу циліндра до об'єму камери згоряння. Для кожного автомобіля це строго фіксована величина, яка не змінюється з часом. Сьогодні на неї можна вплинути тільки установкою інших поршнів або головки блоку циліндрів. При цьому компресією називають максимальний тиск в циліндрі, яке заміряють при вимкненому запаленні. Інакше кажучи, це показник ступеня щільності контуру горіння.
Так ось, інженерам Infiniti вдалося створити двигун Variable Compression-Turbocharged (VC-T), який здатний змінювати ступінь стиснення. Зрозуміло, при всьому бажанні на ходу неможливо поміняти поршні і інші елементи конструкції, тому японська компанія використовувала принципово інший підхід, завдяки якому ДВС здатний варіювати ступінь стиснення від 8: 1 до 14: 1.
У основної маси сучасних моторів ступінь стиснення складає близько 10: 1. Одним із винятків є бензинові двигуни Mazda Skyactiv-G, в яких цей параметр збільшений до 14: 1. В теорії чим вище СЖ, тим більш високого ККД можна домогтися на даному моторі. Однак у цієї медалі є й зворотній бік: При великому навантаженні висока СЖ може провокувати виникнення детонації - неконтрольованого вибуху паливо-повітряної суміші. Цей процес може привести до істотних пошкоджень деталей ДВС.
Виробники давно мріяли створити такий двигун, який би володів високим ступенем стиснення при малих обертах і навантаженнях і низькою - при великих. Це дозволило б підвищити ефективність роботи мотора, що позитивно впливає на потужність, витрата палива і кількість шкідливих викидів, Але в той же час дозволяє уникнути ризику виникнення детонації. За вказаними вище причин в ДВС з традиційною компоновкою таку задумку здійснити неможливо. Тому інженерам Infiniti довелося істотно ускладнити конструкцію.
На схематичному зображенні VC-T описується загальний принцип роботи інноваційного механізму. В даному випадку шатун кріпиться не безпосередньо до колінчастого валу, як в звичайних ДВС, а до спеціального коромисла (Multi-link). З іншого його боку відходить додатковий важіль, який за допомогою вала управління (Control Shaft) і важеля приводу (Actuator Arm) з'єднується з модулем хвильової передачі (Harmonic Drive). Залежно від положення останнього елемента буде змінюватися позиція коромисла, яке, в свою чергу, ставить верхнє положення поршня.
VC-T буде здатний змінювати ступінь стиснення на ходу. Необхідні параметри будуть залежати від навантаження, оборотів і напевно навіть якості палива: комп'ютер буде враховувати всі ці дані, щоб виставити оптимальне положення всіх елементів. На даний момент розробники оприлюднили далеко не всі параметри нового мотора: відомо лише, що це буде чотирициліндровий двигун об'ємом два літри. Із самої назви Variable Compression-Turbocharged стає очевидно, що він буде оснащений турбокомпресором. Швидше за все, саме з цієї причини інженери взагалі зважилися на створення незвичайного ДВС: при високому тиску наддуву істотно підвищується ризик детонації. Тут і стане в нагоді можливість зниження ступеня стиснення. Іншими словами, для атмосферного мотора настільки складна конструкція і не знадобилася б. За даними Infiniti, новий двигун прийде на зміну 3,5-літровому атмосферному V6.
Світова прем'єра нового мотора відбудеться 29 вересня на Міжнародному автосалоні в Парижі. Очікується, що першим новий двигун VC-T отримає кросовер Infiniti QX50 наступного покоління, який повинен з'явитися в 2017 році. Ймовірно, трохи пізніше перспективний агрегат стане доступний для автомобілів Nissan. Не виключено, що з часом він буде пропонуватися і для легковиків Mercedes-Benz (сьогодні спостерігається зворотна ситуація: для деяких моделей Infiniti пропонується дволітровий турбомотор Mercedes-Benz).
Судячи з усього, двигун VC-T можна заочно нагородити премією «Прорив року». Навіть якщо цей проект повністю провалиться, а витрати на його розробку не окупляться, більш революційної зміни в двигунах внутрішнього згоряння в 2016 році вже не передбачається. При цьому необхідно відзначити, що інженери Infiniti / Nissan зовсім не самотні в гонитві за змінним ступенем стиснення. Наприклад, 2000 року багато говорили про SVC - Saab Variable Compression engine. При цьому в ньому використовувався зовсім інший принцип: головка блоку могла рухатися вгору-вниз, що і забезпечувало зміна обсягу камери згоряння. Мова вже йшла про швидку появу в продажу машин з SVC, однак американський концерн General Motors після викупу повного пакету акцій Saab у 2000 році вирішив закрити проект. А ось двигун MCE-5 розробки Peugeot багато в чому схожий з VC-T. Його представили в 2009 році, проте до цих пір ніхто не говорить про застосування MCE-5 на серійних машинах.
Трохи вище ми вже згадали компанію Koenigsegg, Оскільки вона причетна до розробки революційних моторів без розподілвалів. Минулого тижня з'явилися чергові новини про передових технологіях шведського виробника. Тепер вони стосуються каталітичного конвертера. Нагадаємо: цей компонент повинен зменшити кількість шкідливих речовин у вихлопі автомобіля. Сьогодні такі пристрої встановлюються на всі нові легкові машини, І надпотужні спорткари не є винятком. Тих, хто женеться за кожною додатковою кінської силою, Це не сильно радує: каталітичні конвертери є перешкодою на шляху вільного руху газів з камери згоряння в атмосферу. В результаті потужність двигуна дещо знижується. Інженери Koenigsegg не захотіли миритися з таким станом речей і винайшли власну унікальну систему.
Замість того щоб просто встановити каталітичний нейтралізатор після турбокомпресора, як в звичайних машинах, розробники помістили невеликий «попередній» каталізатор на перепускний клапан (вестгейт) турбіни. Перший час після запуску двигуна активується заслінка, яка блокує проходження вихлопних газів через турбокомпресор: вони йдуть через той самий перепускний клапан і невеликий «попередній» каталізатор. При цьому на виході з турбіни передбачений основний конвертер. Оскільки він починає працювати тільки після того, як вся система вже добре прогрілася (каталітичні нейтралізатори стають ефективними тільки при виході на робочу температуру), то його вдалося зробити значно коротші. Завдяки цьому помітно знизилися втрати, викликані утрудненим проходженням повітря.
За словами інженерів Koenigsegg, запатентована схема з використанням двох каталізаторів дозволяє додати (вірніше, не втратити) близько 300 кінських сил. Так що власники купе Koenigsegg Agera можуть без докорів сумління говорити про те, що один тільки нейтралізатор в їх машині дає більше потужності, ніж розвиває двигун в більшості сучасних легковиків.
Тепер перейдемо до іншої теми, яка актуальна щотижня - новин зі сфери розробки розумних машин. Раніше багато відомих людей з автомобільного бізнесу, в тому числі глава Tesla Motors Елон Маск (Elon Musk), не один раз говорили про те, що створення автомобілів з повноцінними автопілотами не тільки переверне звичний уклад життя багатьох людей, а й істотно вплине на автомобільну галузь, а також пов'язаний з нею бізнес. Наприклад, очікується істотне зростання попиту на послуги каршерінга: в розвинених країнах ця послуга тільки починає набирати обертів, але по-справжньому вистрілить вона лише в еру самохідних машин. Деякі виробники вже почали готуватися до цього. Наприклад, минулого тижня представники FordMotorCompany заявили про початок поставок масових безпілотних автомобілів для бізнесу в 2021 році.
«Наступне десятиліття буде визначатися автономними автомобіля, І ми бачимо, що такі транспортні засоби мають істотний вплив на суспільство, як і введення компанією Ford складального конвеєра 100 років тому, - заявив виконавчий директор автомобільної компанії Марк Філдс (Mark Fields). - Ми докладаємо всіх зусиль, щоб випустити на дороги автономне транспортний засіб, Яке зможе підвищити безпеку і вирішити соціальні та екологічні проблеми мільйонів людей, а не тільки тих, хто може дозволити собі розкішні автомобілі ».
За пафосними словами стоять цілком конкретні дії. Компанія Ford вдвічі збільшила розмір своєї лабораторії в Силіконовій долині. Тепер загальна площа будівель виробника досягла 16 тисяч квадратних метрів, а штат налічує 260 співробітників. До того ж минулого тижня американський автомобільний гігант оголосив про спільні з китайським інформаційним конгломератом Baidu інвестиціях: на пару вони вкладуть 150 мільйонів доларів у розробку технічних і програмних засобів для створення автопілотів. Частина коштів дісталася компанії Velodyne, яка випускає лідари.
За даними представників Velodyne, інвестиції будуть використані для прискорення розробки і випуску нового покоління сенсорів. Вони повинні стати більш високопродуктивними, але при цьому недорогими. Додатково до цього Ford поглинув ізраїльський стартап SAIPS. Компанія займається розробками в області алгоритмічних рішень і технологій розпізнавання образів і машинного навчання. SAIPS була заснована в 2013 році, проте, незважаючи на скромний вік, її послугами вже користуються HP, Israel Aerospace Industries і Wix.
Якщо задумка керівництва Ford себе виправдає, то вже до 2021 року в арсеналі компанії буде автомобіль, який зможе повністю обходитися без людини. При цьому «блакитний овал» планує зробити ставку на корпоративний сектор: в першу чергу Ford сподівається зацікавити компанії, які спеціалізуються на каршерінге, а також бренди на кшталт Uber і Lyft, пов'язані з сервісом таксі.
Про майбутнє розумних машин говорили і в TeslaMotors. Але розповіли про це не представники компанії, а співробітники видання electrek.co. За їх даними, зараз вже щосили кипить робота над системою Autopilot 2.0.
Як ми знаємо, у вересні 2014 року Tesla вперше впровадила в свої електрокари такі апаратні засоби, як фронтальна камера і радар, а також ультразвукової сенсор, що б'є на 360 градусів навколо. Рік по тому, в жовтні 2015 го, виробник випустив оновлення під назвою Autopilot update (версія ПО 7.0), яке і надало можливість активації електронного асистента, здатного взяти на себе управління на трасі або припаркувати машину в автоматичному режимі. Після цього компанія кілька разів оновлювала програмне забезпечення, Але при цьому «залізо» залишалася незмінною. Зрозуміло, у кожного обладнання є своя межа, тому далеко не всі проблеми можна вирішити за допомогою декількох нових рядків коду.
Тепер компанія задумалася над впровадженням системи Autopilot 2.0. Вона привнесе масштабні зміни в конфігурацію сенсорів. Очікується, що нове обладнання дозволить домогтися виходу на третю ступінь автоматизації управління, яка має на увазі, що машина вже не буде вимагати постійного контролю з боку водія, як в поточній версії Tesla Autopilot, але за певних умов комп'ютер все ж буде звертатися за допомогою до людини. При цьому розробники допускають, що в перспективі програмні оновлення зможуть вивести систему на заповітну четверту сходинку автоматизації, при якій машини зможуть без праці їздити по будь-яких дорогах (попереду залишиться тільки п'ятий рівень, коли з салону взагалі пропадуть органи управління на кшталт керма і педалей).
Неназвані джерела, близько знайомі з програмою Autopilot, розповіли журналістам electrek.co про деякі подробиці нової системи. Очікується, що наступне покоління збереже колишній фронтальний радар, але при цьому отримає ще два таких же на додачу. Швидше за все, вони будуть встановлені по краях переднього бампера. Додатково до цього комплекс поповниться потрійний фронтальною камерою. За неофіційними даними, новий корпус для неї почали встановлювати на серійні електрокари Model S вже з минулого тижня.
Судячи з усього, навіть в Autopilot 2.0 компанія Елона Маска збирається обійтися без лидаров. І хоча один з подібних прототипів на базі Model S був помічений біля штаб-квартири Tesla Motors, це міг бути експеримент, ніяк не пов'язаний з розробкою системи автопілотування наступного покоління.
Можливо, нова потрійна фронтальна камера буде заснована на системі Front-facing Trifocal Constellation від компанії Mobileye. У ній буде використовуватися основний сенсор з кутом огляду 50 градусів, а також два додаткових з полем зору 25 і 150 градусів. Останній дозволить краще розпізнавати пішоходів і велосипедистів.
В якості центру обробки інформації для Autopilot 2.0 потрібно продуктивна платформа. Можливо, це буде модуль NVIDIA Drive PX 2. Вперше він був представлений на виставці CES 2016 січні, однак поставки повинні початися тільки восени.
Швидше за все, система Autopilot 2.0 буде представлена \u200b\u200bнайближчим часом. Анонімні джерела всередині компанії повідомляють, що на конвеєр для Model S вже поставляються оновлені джгути проводів, в яких передбачені роз'єми для потрійний камери і іншого нового обладнання. Це свідчить про те, що виробник щосили готується до початку поставок нової версії допоміжної системи. До того ж - з урахуванням недавнього смертельного випадку за участю Tesla Autopilot - Елон Маск постарається максимально прискорити розробку чергового великого оновлення, щоб розповісти всім про позбавлення від помилок минулих версій.
Як може здатися на перший погляд, сучасний двигун внутрішнього згоряння досяг вищого ступеня своєї еволюції. На даний момент серійно випускаються різні і, з'явилися, додатково реалізована можливість.
У списку найбільш значущих напрацювань за останні роки можна виділити: впровадження систем високоточної уприскування під управлінням складної електроніки, отримання великої потужності без збільшення робочого об'єму завдяки системам турбонаддува, збільшення, використання і т.д.
Результатом стало помітне поліпшення характеристик, а також зниження рівня токсичності відпрацьованих газів. Однак це ще не все. Конструктори та інженери по всьому світу продовжують не тільки активно працювати над удосконаленням вже наявних рішень, а й намагаються створити абсолютно нову конструкцію.
Досить згадати спроби побудувати, позбутися в пристрої або динамічно змінювати ступінь стиснення двигуна. Відразу відзначимо, хоча одні проекти ще знаходяться в стадії розробки, інші вже стали реальністю. Наприклад, двигуни із змінною ступенем стиснення. Давайте розглянемо особливості, переваги та недоліки таких ДВС.
Читайте в цій статті
Зміна ступеня стиснення: навіщо це потрібно
Багато досвідчені водії знайомі з такими поняттями, як і октанове число для бензинових моторів, а також для дизельних. Для менш обізнаних читачів нагадаємо, що ступінь стиснення являє собою відношення обсягу над поршнем, який опущений в НМТ (нижня мертва точка) до того обсягу, коли поршень піднявся в ВМТ (верхня мертва точка).
Бензинові агрегати мають, в середньому, показник 8-14, дизелі 18 -23. Ступінь стиснення є фіксованою величиною і конструктивно закладається під час розробки того чи іншого двигуна. Також від ступеня стиснення залежатимуть і вимоги до використання октанового числа бензину в тому чи іншому моторі. Паралельно враховується і те, чи з наддувом.
Якщо говорити про саму ступеня стиснення, фактично це показник, який визначає, наскільки сильно буде стискатися паливно-повітряна суміш в циліндрах двигуна. Якщо просто, добре стиснута суміш краще запалюється і повноцінніше згорає. Виходить, збільшення ступеня стиснення дозволяє досягти зростання двигуна, отримати поліпшену віддачу від мотора, знизити витрату палива і т.д.
Однак є й нюанси. Перш за все, це. Знову ж таки, якщо не вдаватися в подробиці, в нормі заряд палива і повітря в циліндрах повинен саме горіти, а не вибухати. Більш того, займання суміші повинно починатися і закінчуватися в строго задані моменти.
При цьому паливо має так звану «детонационную стійкість», тобто здатність протистояти детонації. Якщо ж сильно збільшити ступінь стиснення, тоді пальне може почати детонувати в двигуні при певних режимах роботи ДВС.
Результат - неконтрольований вибуховий процес згоряння в циліндрах, швидке руйнування деталей двигуна ударною хвилею, значне зростання температури в камері згоряння і т.д. Як видно, зробити постійною високу ступінь стиснення не можна саме з цих причин. При цьому єдиним виходом в даній ситуації є можливість гнучко змінювати даний показник стосовно до різних режимів роботи двигуна.
Такий «робочий» мотор недавно запропонували інженери преміального бренду Infiniti (елітний підрозділ Nissan). Також в аналогічні розробки були і залишаються залучені інші автовиробники (SAAB, Peugeot, Volkswagen і т.д). Отже, давайте розглянемо двигун із змінним ступенем стиснення.
Мінлива ступінь стиснення двигуна: як це працює
Перш за все, доступна можливість змінювати ступінь стиснення дозволяє значною мірою збільшити продуктивність турбомоторов з одночасним зменшенням витрат палива. У двох словах, в залежності від режиму роботи і навантажень на ДВС паливний заряд стискається і згорає в найоптимальніших умовах.
Коли навантаження на силовий агрегат мінімальні, в циліндри подається економічна «бідна» суміш (багато повітря і мало палива). Для такої суміші добре підходить високий ступінь стиснення. Якщо ж навантаження на мотор ростуть (подається «багата» суміш, в якій більше бензину), тоді закономірно зростає ризик виникнення детонації. Відповідно, щоб цього не сталося, ступінь стиснення динамічно зменшується.
У двигунах, де ступінь стиснення постійна, своєрідним захистом від детонації є зміна. Даний кут зсувається «назад». Природно, такий зсув кута призводить до того, що хоча детонації немає, але при цьому втрачається і потужність. Що стосується мотора із змінним ступенем стиснення, зрушувати УОЗ немає необхідності, тобто не відбувається потужних втрат.
Що стосується самої реалізації схеми, фактично завдання зводиться до того, що відбувається фізичне зменшення робочого об'єму двигуна, однак зберігаються всі характеристики (потужність, момент і т.д.)
Відразу відзначимо, над таким рішенням працювали різні компанії. В результаті з'явилися різні способи управління ступенем стиснення, наприклад, змінний обсяг камери згоряння, шатуни з можливістю підйому поршнів і т.д.
- Однією з найбільш ранніх розробок стало впровадження додаткового поршня в камеру згоряння. Зазначений поршень мав можливість переміщатися, одночасно змінюючи обсяг. Мінусом всієї конструкції стала необхідність встановлювати додаткові деталі в. Також відразу проявилися зміни форми камери згоряння, пальне згоряло нерівномірно і неповноцінно.
З наведених причин даний проект так і не був завершений. Така ж доля спіткала і розробку, яка мала поршні з можливістю зміни їх висоти. Зазначені поршні розрізного типу виявилися важкими, ще додалися труднощі щодо реалізації управління висотою підйому кришки поршня і т.д.
- Подальші розробки вже не зачіпали поршні і камеру згоряння, максимум уваги був приділений питання підйому колінчастого вала. Іншими словами, стояло завдання реалізувати управління висотою підйому клонували.
Схема пристрою така, що опорні шийки вала розташовані в спеціальних муфтах ексцентрикового типу. Зазначені муфти наводяться в рух за допомогою шестерень, які пов'язані з електричним двигуном.
Проворот ексцентриків дозволяє підняти або опустити, що і призводить до зміни висоти підйому поршнів по відношенню до. В результаті обсяг камери згоряння збільшується або зменшується, одночасно змінюється і ступінь стиснення.
Відзначимо, що було побудовано кілька прототипів на базі 1.8-літрового турбированного агрегату від Volkswagen, ступінь стиснення змінювалася від 8 до 16. Двигун довго відчували, але серійним агрегат так і не став.
- Ще однією спробою знайти рішення став двигун, в якому ступінь стиснення змінювалася за допомогою підйому всього блоку циліндрів. Розробка належить бренду Saab, а сам агрегат трохи навіть не потрапив в серію. Двигун відомий як SVC, обсяг 1.6 літра, агрегат з 5 циліндрами, оснащений турбонаддувом.
Потужність склала близько 220 л. с., крутний момент трохи більше 300 Нм. Примітно те, що витрата пального в режимі середніх навантажень знизився майже на третину. Що стосується самого палива, з'явилася можливість заливати як АІ-76, так і 98-й.
Інженери Saab розділили блок циліндрів, виділивши дві умовні частини. У верхній перебували головки і гільзи циліндрів, тоді як в нижній частині колінчастий вал. Своєрідним з'єднанням цих частин блоку з одного боку був рухливий шарнір, а з іншого особливий механізм, оснащений електроприводом.
Так була реалізована можливість трохи підняти верхню частину під певним кутом. Такий кут підйому склав всього кілька градусів, при цьому ступінь стиснення змінювалася від 8 до 14. При цьому герметизувати «стик» повинен був кожух з гуми.
На практиці самі деталі для підйому верхньої частини блоку, а також і сам захисний кожух виявилися вельми слабкими елементами. Можливо, саме це завадило мотору потрапити в серію і проект далі закрили.
- Чергову розробку далі запропонували інженери з Франції. Турбомотор з робочим об'ємом 1.5 літра отримав можливість змінювати ступінь стиснення від 7 до 18 і видавав потужність близько 225 к.с. Моментная характеристика зафіксована на позначці 420 Нм.
Конструктивно агрегат складний, з розділеним. У тій області, де шатун кріпиться до коленвалу, деталь оснастили особливим зубчастим коромислом. У місці з'єднання шатуна з поршнем також була впроваджена планка-рейка зубчастого типу.
З іншою стороною до коромисла була прикріплена рейка поршня, який реалізовував управління. Система наводилася від системи змащення, робоча рідина проходила через складну систему каналів, клапанів, а також був додатковий електропривод.
У двох словах, переміщення керуючого поршня надавало вплив на коромисло. В результаті змінювалася і висота підйому основного поршня в циліндрі. Відзначимо, що двигун також не став серійним, а проект був заморожений.
- Наступною спробою створити двигун із змінним ступенем стиснення стало рішення інженерів Infiniti, а саме двигун VCT (від англ. Variable Compression Turbocharged). У цьому моторі стало можливим змінювати ступінь стиснення від 8 до 14. Особливістю конструкції є унікальний траверсів механізм.
В основі лежить з'єднання шатуна з нижньої шийкою, яке є рухомим. Також використана система важелів, які приводяться в дію від електродвигуна.
Управляє процесом контролер, посилаючи сигнали на електродвигун. Електромотор після отримання команди від блоку управління зміщує тягу, а система важелів реалізує зміну положення, що і дозволяє змінювати висоту підйому поршня.
В результаті агрегат Infiniti VCT з робочим об'ємом 2.0 літра з потужністю близько 265 к.с. дозволив економити майже 30% пального порівняно з аналогічними ДВС, які при цьому мають постійну ступінь стиснення.
Якщо виробнику вдасться ефективно вирішити наявні на даний момент проблеми (складність конструкції, підвищені вібрації, надійність, висока кінцева вартість виробництва агрегату і т.д.), тоді оптимістичні заяви представників компанії цілком можуть втілитися в реальність, а сам двигун має всі шанси стати серійним вже в 2018-2019 році.
Підведемо підсумки
З урахуванням наведеної вище інформації стає зрозуміло, що двигуни зі змінним ступенем стиснення здатні забезпечити значне зниження витрати палива на бензинових моторах з турбонаддувом.
На тлі глобального паливної кризи, а також постійного посилення екологічних норм ці мотори дозволяють не тільки ефективно спалювати пальне, але і не обмежувати при цьому потужність двигуна.
Іншими словами, подібний ДВС цілком здатний запропонувати всі переваги потужного бензинового високою частотою турбодвигуна. При цьому по витраті палива подібний агрегат може впритул наблизитися до турбодизельним аналогам, які сьогодні популярні, в першу чергу, завдяки своїй.
Читайте також
Форсування двигуна. Плюси і мінуси доопрацювання мотора без турбіни. Основні методи форсування: тюнінг ГБЦ, колінвал, ступінь стиснення, впуск і випуск.
