Введение

Переменное соотношение сжатия (VCR) – это технология, позволяющая изменять степень сжатия двигателя внутреннего сгорания в процессе его работы. Это делается для повышения топливной экономичности при изменяющихся нагрузках. Двигатели с переменным соотношением сжатия позволяют изменять объем над поршнем в верхней мертвой точке. Высокие нагрузки требуют более низких степеней сжатия для увеличения мощности, а низкие нагрузки – более высоких степеней сжатия для повышения эффективности, то есть снижения расхода топлива. Для применения в автомобилях это изменение должно происходить во время работы двигателя в ответ на текущую нагрузку и требования к вождению. Infiniti QX50 2019 года выпуска – первый серийно выпускаемый автомобиль, использующий двигатель с переменным соотношением сжатия.

Преимущества

Бензиновые двигатели имеют предел максимального давления во время такта сжатия, после которого топливовоздушная смесь детонирует, а не сгорает. Для достижения большей мощности при той же скорости необходимо сжигать больше топлива, а следовательно, и больше воздуха. Для этого используются турбокомпрессоры или механические нагнетатели для повышения давления наддува. Это привело бы к детонации топливовоздушной смеси, если бы не было уменьшено степень сжатия, то есть увеличен объем над поршнем. Это можно сделать в большей или меньшей степени, что позволяет значительно увеличить мощность. Недостатком является то, что при малой нагрузке двигатель может испытывать недостаток мощности и крутящего момента. Решение заключается в возможности регулировать давление наддува и изменять степень сжатия в соответствии с условиями работы. Это обеспечивает сочетание лучших характеристик: компактный и эффективный двигатель, способный выдавать большую мощность по требованию. Кроме того, технология VCR позволяет использовать различные виды топлива, помимо бензина, например, сжиженный нефтяной газ (LPG) или этанол. Изменение рабочего объема цилиндров осуществляется с помощью гидравлической системы, соединенной с коленчатым валом, и регулируется в зависимости от требуемой нагрузки и ускорения.

Производство

Переменные компрессионные двигатели существуют уже несколько десятилетий, но до сих пор использовались только в лабораторных условиях для изучения процессов сгорания. В этих конструкциях обычно имеется второй регулируемый поршень, расположенный в головке блока цилиндров напротив рабочего поршня. В 2018 году компания Infiniti начала серийное производство турбодвигателя с переменной степенью сжатия, в котором для изменения степени сжатия используется механическая связь. Этот двигатель устанавливался на их внедорожник QX50. Двигатель способен работать с любой степенью сжатия в диапазоне от 8:1 до 14:1. Максимальный крутящий момент достигается при степени сжатия 8:1, обеспечивая высокую динамику разгона, а наилучшая топливная экономичность – при 14:1. Электронный блок управления двигателем в реальном времени реагирует на положение педали газа, плавно изменяя степень сжатия. Несмотря на рабочий объем 2,0 л и рядную конфигурацию с четырьмя цилиндрами, двигатель не использует балансировочные валы для подавления вторичных вибраций. Он сбалансирован по своей конструкции благодаря механической связи.

Двухтактные двигатели

Из-за сравнительной простоты конструкции головки цилиндра (отсутствия впускных клапанов) её несколько легче реализовать в двухтактных двигателях. Начиная с конца 90-х годов появились модели, развивающие эту идею, например, двигатели Yamaha, динамически изменяющие объем камеры сгорания. В последнее время (в 2000-х годах) эта технология вновь вызвала интерес, благодаря способности работать на широком спектре топлив (например, включая спирты), как в случае с Lotus Omnivore. Значительно более ранним коммерчески реализованным двухтактным двигателем, но очень маленьким (18 куб. см) и недостаточно мощным для достижения успеха, был двигатель Lohmann, выпущенный в начале 1950-х годов как модернизация для велосипедов. Этот двигатель имел цельную головку цилиндра и гильзу, расстояние от которой до коленчатого вала регулировалось винтом, приводимым в действие тросами от поворотной рукоятки на руле. Регулировка степени сжатия была критически важна для работы этого двигателя, поскольку он использовал самовоспламенение топливной смеси, подаваемой до начала такта сжатия, которая воспламенялась при достижении достаточной температуры в результате сжатия. Это означало, что необходимая степень сжатия зависела от температуры воздуха, температуры двигателя и типа топлива: слишком высокое сжатие приводило к преждевременному воспламенению, а слишком низкое – к полному отсутствию зажигания. Таким образом, оператору приходилось постоянно регулировать степень сжатия в зависимости от изменяющихся условий эксплуатации. Двигатель Lohmann производился всего около пяти лет, поскольку управление степенью сжатия (одновременно с подачей топлива) требовало значительной практики, и даже при оптимальной настройке он обеспечивал мощность, не превышающую ту, которую мог развить умеренно подготовленный велосипедист без посторонней помощи.

Конструкция двигателя

Первый двигатель с переменной степенью сжатия (VCR) был построен и испытан Гарри Рикардо в 1920-х годах. Эта работа привела к разработке системы октанового числа, которая используется и сегодня. Многие компании проводили собственные исследования двигателей VCR, включая Saab, Nissan, Volvo, PSA/Peugeot Citroën и Renault. Infiniti QX50 2019 года выпуска доступен с серийной версией турбированного двигателя с переменной степенью сжатия.

Пежо МСЕ-5

Конструкция Peugeot работает путем изменения эффективной длины шатунов, соединяющих поршень с коленчатым валом. Когда шатун короче, степень сжатия ниже и наоборот. На левой стороне диаграммы изображен обычный поршень двигателя внутреннего сгорания. Справа – гидравлический цилиндр с двухсторонним поршнем. Он воздействует через систему шатунно-кривошипного механизма с зубчатым колесом, движение которого регулирует эффективную длину шатуна и, следовательно, степень сжатия в левом цилиндре.

Saab SVC

SAAB Automobile вновь пробудила интерес к переменной степени сжатия, когда представила свой двигатель SVC миру на Женевском автосалоне в 2000 году. SAAB участвовала в сотрудничестве с "Офисом передовых автомобильных технологий" для создания современного бензинового двигателя с переменной степенью сжатия (VCR), демонстрировавшего эффективность, сопоставимую с дизельным двигателем. SAAB SVC был передовым и работоспособным решением в области двигателей VCR, но так и не был запущен в производство из-за банкротства компании в 2016 году. Конструкция, являющаяся реализацией двигателя Larsen VCR, состояла из моноблочной головки блока цилиндров, содержащей все механизмы привода клапанов, и узла коленчатого вала/картера. Эти части были соединены шарниром, обеспечивающим 4 градуса хода, управляемого гидравлическим приводом. Этот механизм позволяет изменять расстояние между центральной осью коленчатого вала и верхней точкой цилиндра. В отличие от конструкции Peugeot, эффективная длина шатуна фиксирована. Для достижения необходимого времени отклика и высокого наддува предпочтение было отдано механическому нагнетателю вместо турбокомпрессора. Для изменения Vc двигатель SVC "опускает" головку блока цилиндров ближе к коленчатому валу. Это достигается заменой традиционного однокомпонентного блока цилиндров на двухкомпонентный: коленчатый вал расположен в нижнем блоке, а цилиндры – в верхнем. Два блока соединены шарниром с одной стороны (представьте книгу, лежащую на столе, с передней обложкой, приподнятой примерно на дюйм над титульным листом). Поворачивая верхний блок вокруг шарнира, можно изменить Vc (представьте пространство между обложкой книги и титульным листом). На практике SVC регулирует верхний блок в небольшом диапазоне, используя гидравлический привод.