«Изменяемая степень сжатия» - технология, которая обеспечит будущее бензиновому двигателю еще лет на 30-50, а по характеристикам позволит ему значительно опередить дизельные моторы. Когда же появятся эти агрегаты и чем они лучше уже существующих?
Впервые мотор с изменяемой степенью сжатия засветился на Женевском автосалоне в 2000 году (см. ). Тогда его представила компания Saab. Самый высокотехнологичный на то время двигатель Saab Variable Compression (SVC) с пятью цилиндрами имел рабочий объем 1,6 л, но развивал немыслимую для такого литража мощность 225 л. с. и крутящий момент 305 Нм. Превосходными оказались и другие характеристики - расход топлива при средних нагрузках снизился на целых 30%, на столько же уменьшился показатель выбросов СО2. Что касается СО, СН, NОx и т. д., то они, по утверждению создателей, соответствуют всем существующим и планируемым на ближайшее будущее нормам токсичности. К тому же изменяемая степень сжатия дала возможность этому мотору работать на различных марках бензина - от А-76 до А-98 - практически без ухудшения характеристик и без детонации. Несколько месяцев спустя подобный силовой агрегат представила и компания FEV Motorentechnik. Это был 1,8-литровый двигатель Audi A6, в котором показатель расхода топлива снизили на 27%.
Однако из-за сложности конструкции эти моторы в то время так и не пошли в серию, а с целью повышения коэффициента полезного действия (КПД) двигатель внутреннего сгорания усовершенствовали путем внедрения непосредственного впрыска топлива, изменяемой геометрии впускного тракта, интеллектуальных турбонаддувов и т. д. Параллельно велась активная работа над созданием гибридных силовых установок, электромобилей, развитием водородных топливных ячеек и новых способов хранения водорода. Тем не менее, потенциал, заложенный в моторы с изменяемой степенью сжатия, не давал покоя многим инженерам. В результате появилось множество механизмов реализации этой идеи «в металле».
Наиболее близким к ее осуществлению сегодня является французский проект двигателя MCE-5, который стартовал еще в 1997 году. Родившаяся тогда концепция имела массу недостатков, устранять которые пришлось почти десять лет. В этом году данный мотор презентовали «в металле», как и саабовский в 2000-м на Женевском автосалоне.
овинка с четырьмя цилиндрами имеет объем 1,5 л и выдает при этом максимальную мощность 160 кВт (218 л. с.) и крутящий момент 300 Нм. Помимо изменяемой степени сжатия, двигатель оснащен непосредственным впрыском, системой изменения фаз газораспределения и укладывается во все перспективные экологические нормы.
Как изменяют степень сжатия
В MCE-5 диапазон контроля степени сжатия находится в пределах 7-18 (7:1-18:1). Более того, контроль и изменение степени сжатия происходит индивидуально в каждом цилиндре.
Механизм этот довольно сложный. Главная деталь - двухсторонняя урезанная шестерня-сектор, серединой посаженная на укороченный шатун кривошипно-шатунного механизма (КШМ). В свою очередь, шестерня-сектор с одной стороны входит в зацепление с шатуном поршня, а с другой - с шатуном механизма изменения объема камеры сгорания. Принцип работы этой конструкции очень прост - шестерня-сектор на оси шатуна является своего рода коромыслом. И если это коромысло наклонять в одну или другую сторону, у поршня будет меняться положение верхней мертвой точки (ВМТ), а соответственно, и объем камеры сгорания. А так как величина хода поршня постоянная, изменяется степень сжатия (отношение объема цилиндров к объему камеры сгорания). За наклон коромысла отвечает гидромеханическая конструкция, которой управляет электроника. Она также состоит из поршня с шатуном, нижний конец которого входит в зацепление с коромыслом (шестерней-сектором) с другой стороны. Объем над и под этим поршнем соединен с системой смазки, а в самом поршне, названном масляным, есть специальный клапан, пропускающий масло из верхней части в нижнюю. Управляют им с помощью эксцентрикового вала, который при содействии червячной передачи приводит в движение электромотор системы Valvetronic (BMW). Для изменения степени сжатия от 7 до 18 требуется менее 100 миллисекунд.
Объем камеры сгорания корректируется по принципу изменения пропускной способности масляных клапанов. При их открытии масляный поршень уходит вверх и камера сгорания увеличивается.
Ресурс - надежность
Конструктивно новый мотор стал сложнее. По теории вероятности, его надежность должна снизиться, однако создатели отрицают это. Они утверждают, что доводили двигатель очень долго и все хорошо рассчитали и проверили. Ресурс этого агрегата увеличится, так как на поршень уже не будут действовать боковые и ударные нагрузки, происходящие у классического ДВС из-за шатуна, ось которого располагается под углом к оси поршня (кроме ВМТ и НМТ). В новом моторе усилие поршня и жестко «привязанного» к нему шатуна передается только в вертикальной плоскости, соответственно, давление на стенки цилиндров небольшое, поэтому трущиеся поверхности этих деталей изнашиваются значительно меньше. Такие особенности конструкции двигателя также обеспечили снижение шумности его работы. А кроме того, значительно тише стала работать поршневая группа и снизились потери энергии на трение - это еще плюс несколько процентов в пользу КПД мотора.
Другие способы изменения объема камеры сгорания:
 |
||
 |
||
Конструктивная особенность работы первого заявленного мотора с изменяемой степенью сжатия - головка 1 и верхняя часть блока 2 цилиндров были подвижными и с помощью специального кривошипа 3 перемещались вверх-вниз относительно коленвала 4 с неподвижной осью и нижней части блока цилиндров.
|
|
Юрий Дацык
Фото МСЕ
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .
Изобретение относится к машиностроению, прежде всего к тепловым машинам, а именно к поршневому двигателю внутреннего сгорания (ДВС) с переменной степенью сжатия. Технический результат изобретения заключается в усовершенствовании кинематики механизма передачи усилий поршневого ДВС, таким образом, чтобы обеспечивать возможность регулирования степени сжатия при одновременном снижении реакции в опорах и сил инерции второго порядка. ДВС согласно изобретению имеет подвижно установленный в цилиндре поршень, который шарнирно соединен с шатуном. Движение шатуна передается на кривошип коленчатого вала. При этом, с целью обеспечения возможности управляемого изменения степени сжатия и хода поршня, между шатуном и кривошипом предусмотрено передаточное звено, которое выполнено с возможностью управления его движением с помощью управляющего рычага. Передаточное звено выполнено в виде поперечного рычага, соединенного с кривошипом посредством шарнира, который расположен в промежуточном положении на участке между двумя опорными точками. В одной из опорных точек поперечный рычаг соединен с шатуном, а в другой - с управляющим рычагом. Управляющий рычаг также шарнирно соединен с дополнительным кривошипом или эксцентриком, которые осуществляют управляющие движения, смещая ось качения управляющего рычага, чем обеспечивают изменение степени сжатия ДВС. Помимо этого ось качения управляющего рычага может совершать непрерывное циклическое движение, синхронизированное с вращением коленчатого вала. При этом, в случае соблюдения определенных геометрических соотношений между отдельными звенья механизма передачи усилий, могут быть уменьшены нагрузки на них и повышена плавность работы ДВС. 12 з.п. ф-лы, 10 ил.
Рисунки к патенту РФ 2256085
Настоящее изобретение относится к машиностроению, прежде всего к тепловым машинам. Изобретение относится, в частности, к поршневому двигателю внутреннего сгорания (ДВС), имеющему поршень, который подвижно установлен в цилиндре и который шарнирно соединен с шатуном, движение которого передается на кривошип коленчатого вала, при этом между шатуном и кривошипом предусмотрено передаточное звено, которое выполнено с возможностью управления его движением с помощью управляющего рычага с целью обеспечить управляемое перемещение поршня, прежде всего обеспечить возможность изменения степени сжатия и хода поршня, и которое выполнено в виде поперечного рычага, который соединен с кривошипом шарниром, который расположен в промежуточном положении на участке между опорной точкой, в которой поперечный рычаг соединен с шатуном, и опорной точкой, в которой поперечный рычаг соединен с управляющим рычагом, и на некотором удалении от линии, соединяющей между собой обе эти опорные точки, в которых поперечный рычаг соединен с управляющим рычагом и шатуном соответственно.
Из работы Wirbeleit F.G., Binder К. и Gwinner D., "Development of Piston with Variable Compression Height for Incrising Efficiency and Specific Power Output of Combustion Engines", SAE Techn. Pap., 900229, известен ДВС подобного типа с автоматически регулируемой степенью сжатия (ПАРСС) за счет изменения высоты поршня, который состоит из двух частей, между которыми сформированы гидравлические камеры. Изменение степени сжатия осуществляется автоматически путем изменения положения одной части поршня относительно другой за счет перепуска масла из одной такой камеры в другую с помощью специальных перепускных клапанов.
К недостаткам этого технического решения относится то, что системы типа ПАРСС предполагают наличие механизма регулирования степени сжатия, расположенного в высокотемпературной и весьма нагруженной зоне (в цилиндре). Опыт работы с системами типа ПАРСС показал, что на переходных режимах, в частности при разгоне автомобиля, работа ДВС сопровождается детонацией, поскольку гидравлическая система управления не позволяет обеспечить быстрое и одновременное по всем цилиндрам изменение степени сжатия.
Стремление вынести механизм регулирования степени сжатия из высокотемпературной и механически нагруженной зоны привело к появлению иных технических решений, предполагающих изменение кинематической схемы ДВС и введение в нее дополнительных элементов (звеньев), управлением которых обеспечивается изменение степени сжатия.
Так, например, у Jante A., "Kraftstoffverbrauchssenkung von Verbrennungsmotoren durch kinematische Mittel", Automobil-Industrie, № 1 (1980), с.с.61-65, описан ДВС (кинематическая схема которого показана на фиг.1), у которого между кривошипом 15 и шатуном 12 установлены два промежуточных звена - дополнительный шатун 13 и коромысло 14. Коромысло 14 совершает качательное движение с центром качания в шарнирной точке Z. Регулирование степени сжатия осуществляется за счет изменения положения точки А путем поворота эксцентрика 16, закрепленного на корпусе. Эксцентрик 16 поворачивается в зависимости от нагрузки двигателя, при этом центр качания, расположенный в шарнирной точке Z, перемещается по дуге окружности, изменяя таким образом положение верхней мертвой точки поршня.
Из работы Christoph Bolling и др., "Kurbetrieb fur variable Verdichtung", MTZ 58 (11) (1997), Сс.706-711, известен также двигатель типа FEV (кинематическая схема которого показана на фиг.2), у которого между кривошипом 17 и шатуном 12 установлен дополнительный шатун 13. Шатун 12, кроме того, связан с коромыслом 14, которое совершает качательное движение с центром качания в шарнирной точке Z. Регулирование степени сжатия осуществляется за счет изменения положения шарнирной точки Z путем поворота эксцентрика 16, закрепленного на корпусе двигателя. Эксцентрик 16 поворачивается в зависимости от нагрузки двигателя, при этом центр качания, расположенный в шарнирной точке Z, перемещается по дуге окружности, изменяя таким образом положение верхней мертвой точки поршня.
Из заявки DE 4312954 А1 (21.04.1993) известен двигатель типа IFA (кинематическая схема которого показана на фиг.3), у которого между кривошипом 17 и шатуном 12 установлен дополнительный шатун 13. Шатун 12, кроме того, связан с одним из концов коромысла 14, второй конец которого совершает качательное движение с центром качания в шарнирной точке Z. Регулирование степени сжатия осуществляется за счет изменения положения шарнирной точки Z путем поворота эксцентрика 16, который закреплен на корпусе двигателя. Эксцентрик 16 поворачивается в зависимости от нагрузки двигателя, при этом центр качания, расположенный в шарнирной точке Z, перемещается по дуге окружности, изменяя таким образом положение верхней мертвой точки поршня.
К недостаткам, присущим двигателям вышеописанных конструкций (известным из работы Jante А., из работы Christoph Bolling и др. и из заявки DE 4312954 А1), следует отнести в первую очередь недостаточно высокую плавность их работы, обусловленную высокими силами инерции второго порядка при возвратно-поступательном движении масс, что связано с особенностями кинематики механизмов и приводит к чрезмерному увеличению общей ширины или общей высоты силового агрегата. По этой причине такие двигатели практически не пригодны для их использования в качестве двигателей для транспортных средств.
Регулирование степени сжатия в поршневом ДВС позволяет решить следующие задачи:
Повысить среднее давление Ре путем увеличения давления наддува без увеличения максимального давления сгорания сверх заданных пределов за счет уменьшения степени сжатия по мере увеличения нагрузки двигателя;
Снизить расход топлива в диапазоне малых и средних нагрузок за счет увеличения степени сжатия по мере уменьшения нагрузки двигателя;
Повысить плавность работы двигателя.
Регулирование степени сжатия позволяет в зависимости от типа ДВС достичь следующих преимуществ (для ДВС с принудительным (искровым) зажиганием):
При сохранении достигнутого уровня экономичности двигателя при малых и средних нагрузках обеспечивается дальнейшее повышение номинальной мощности двигателя за счет увеличения давления наддува при уменьшении степени сжатия (см. фиг.4а, где кривые, обозначенные позицией х, относятся к обычному двигателю, а кривые, обозначенные позицией у, относятся к двигателю с переменной степенью сжатия);
При сохранении достигнутого уровня номинальной мощности двигателя обеспечивается снижение расхода топлива при малых и средних нагрузках за счет увеличения степени сжатия до допустимого по детонации предела (см. фиг.4б, где кривые, обозначенные позицией х, относятся к обычному двигателю, а кривые, обозначенные позицией у, относятся к двигателю с переменной степенью сжатия);
При сохранении достигнутого уровня номинальной мощности двигателя повышается экономичность при малых и средних нагрузках, а также снижается уровень шума двигателя при одновременном снижении номинальной частоты вращения коленчатого вала (см. фиг.4в, где кривые, обозначенные позицией х, относятся к обычному двигателю, а кривые, обозначенные позицией у, относятся к двигателю с переменной степенью сжатия).
Аналогично ДВС с искровым зажиганием регулирование степени сжатия в дизельном двигателе может вестись в трех следующих равноправных направлениях:
При неизменном рабочем объеме и номинальной частоте вращения мощность двигателя повышают за счет увеличения давления наддува. В этом случае повышается не экономичность, а мощность транспортного средства (см. фиг.5а, где кривые, обозначенные позицией х, относятся к обычному двигателю, а кривые, обозначенные позицией у, относятся к двигателю с переменной степенью сжатия);
При неизменном рабочем объеме и номинальной мощности повышают среднее давление Ре при снижении номинальной частоты вращения. В этом случае при сохранении мощностных характеристик транспортного средства повышается экономичность двигателя за счет повышения механического КПД (см. фиг.5б, где кривые, обозначенные позицией х, относятся к обычному двигателю, а кривые, обозначенные позицией у, относятся к двигателю с переменной степенью сжатия);
Существующий двигатель большого рабочего объема на заменяют на двигатель малого рабочего объема, но той же мощности (см. фиг.5в, где кривые, обозначенные позицией х, относятся к обычному двигателю, а кривые, обозначенные позицией у, относятся к двигателю с переменной степенью сжатия). В этом случае повышается экономичность двигателя в диапазоне средних и полных нагрузок, а также уменьшается масса и габариты двигателя.
В основу настоящего изобретения была положена задача усовершенствовать кинематику поршневого ДВС таким образом, чтобы при малых конструктивных затратах обеспечивать возможность регулирования степени сжатия при одновременном снижении реакции в опорах и сил инерции второго порядка.
В отношении поршневого ДВС указанного в начале описания типа эта задача решается согласно изобретению благодаря тому, что длина стороны, расположенной между опорной точкой, в которой поперечный рычаг соединен с управляющим рычагом, и опорной точкой, в которой поперечный рычаг соединен с шатуном, длина стороны, расположенной между опорной точкой, в которой поперечный рычаг соединен с управляющим рычагом, и шарниром, которым поперечный рычаг соединен с кривошипом, и длина стороны, расположенной между опорной точкой, в которой поперечный рычаг соединен с шатуном, и шарниром, которым поперечный рычаг соединен с кривошипом, удовлетворяют в пересчете на радиус кривошипа следующим соотношениям:
Согласно одному из предпочтительных вариантов выполнения предлагаемого в изобретении поршневого ДВС поперечный рычаг выполнен в виде треугольного рычага, в вершинах которого расположены опорные точки, в которых поперечный рычаг соединен с управляющим рычагом и шатуном, и шарнир, которым поперечный рычаг соединен с кривошипом.
Предпочтительно, чтобы длина l шатуна и длина k управляющего рычага, а также расстояние е между осью вращения коленчатого вала и продольной осью цилиндра удовлетворяли в пересчете на радиус г кривошипа следующим соотношениям:
В том случае, когда управляющий рычаг и шатун расположены по одну сторону поперечного рычага, расстояние f между продольной осью цилиндра и точкой шарнирного соединения управляющего рычага с корпусом ДВС и расстояние р между осью коленчатого вала и указанной точкой шарнирного соединения предпочтительно должны удовлетворять в пересчете на радиус r кривошипа следующим соотношениям:
В том же случае, когда управляющий рычаг и шатун расположены по разные стороны поперечного рычага, расстояние f между продольной осью цилиндра и точкой шарнирного соединения управляющего рычага и расстояние р между осью коленчатого вала и указанной точкой шарнирного соединения предпочтительно должны удовлетворять в пересчете на радиус г кривошипа следующим соотношениям:
В соответствии со следующим предпочтительным вариантом выполнения предлагаемого в изобретении поршневого ДВС точка шарнирного соединения управляющего рычага имеет возможность перемещения по управляемой траектории.
Предпочтительно также предусмотреть возможность фиксации точки шарнирного соединения управляющего рычага в различных регулируемых угловых положениях.
В соответствии еще с одним предпочтительным вариантом выполнения предлагаемого в изобретении поршневого ДВС предусмотрена возможность регулирования углового положения точки шарнирного соединения управляющего рычага в зависимости от характеризующих режим работы ДВС величин и рабочих параметров ДВС.
Согласно еще одному предпочтительному варианту выполнения предлагаемого в изобретении поршневого ДВС предусмотрена возможность синхронизированного с вращением коленчатого вала движения точки шарнирного соединения управляющего рычага по управляемой траектории.
В другом предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении поршневого ДВС предусмотрена возможность синхронизированного с вращением коленчатого вала движения точки шарнирного соединения управляющего рычага по управляемой траектории и возможность регулирования фазового сдвига между движением этой точки и вращением коленчатого вала в зависимости от характеризующих режим работы ДВС величин и рабочих параметров ДВС.
В соответствии со следующим предпочтительным вариантом выполнения предлагаемого в изобретении поршневого ДВС предусмотрена возможность синхронизированного с вращением коленчатого вала движения точки шарнирного соединения управляющего рычага по управляемой траектории, при этом предусмотрена возможность изменения передаточного отношения между движением указанной точки и вращением коленчатого вала.
Предлагаемый в изобретении поршневой ДВС 1 показан на фиг.6а и 6б и имеет корпус 2 с цилиндром 3 и установленным в нем поршнем 4, шатун 6, который шарнирно соединен одним концом с поршнем 4, кривошип 8 коленчатого вала, установленного в корпусе 2, прицепной шатун 10, называемый также управляющим рычагом 10 и шарнирно соединенный одним его концом с корпусом 2, и треугольный поперечный рычаг 7, который одной его вершиной шарнирно соединен со вторым концом шатуна 6, второй его вершиной шарнирно соединен с кривошипом 8, а третьей его вершиной шарнирно соединен с прицепным шатуном 10. Для регулирования степени сжатия ось качания прицепного шатуна 10, т.е. точка Z его шарнирного соединения имеет возможность перемещения по управляемой траектории, определяемой, например, эксцентриком или дополнительным кривошипом 11.
В зависимости от положения оси качания прицепного шатуна предлагаемый в изобретении поршневой ДВС имеет два варианта конструктивного исполнения (см. фиг.6а и 6б):
В первом варианте (фиг.6а) горизонтальная плоскость, в которой лежит ось качания прицепного шатуна 10, т.е. точка Z его шарнирного соединения расположена выше точки соединения кривошипа 8 с поперечным рычагом 7 при нахождении кривошипа в его верхней мертвой точке или, иными словами, прицепной шатун 10 и шатун 6 расположены по одну сторону поперечного рычага 7;
Во втором варианте (фиг.6б) горизонтальная плоскость, в которой лежит ось качания прицепного шатуна 10, т.е. точка Z его шарнирного соединения расположена ниже точки соединения кривошипа 8 с поперечным рычагом 7 при нахождении кривошипа в его верхней мертвой точке или, иными словами, прицепной шатун 10 и шатун 6 расположены по разные стороны поперечного рычага 7.
Изменение положения точки Z шарнирного соединения прицепного рычага, т.е. его оси качания, позволяет за счет простого управляющего движения, осуществляемого дополнительным кривошипом, соответственно регулирующим эксцентриком, изменять степень сжатия. Помимо этого точка Z шарнирного соединения прицепного рычага, т.е. его ось качания может совершать непрерывное циклическое движение, синхронизированное с вращением коленчатого вала.
Как показано на фиг.7, предлагаемый в изобретении поршневой ДВС обладает значительными преимуществами перед известными системами (описанными у Jante А., у Christoph Bolling и др. и в DE 4312954 А1), а также перед обычным кривошипно-шатунным механизмом (СМ) касательно плавности его работы.
Однако указанные преимущества могут быть достигнуты только при соблюдении определенных геометрических соотношений, а именно, при правильном подборе длин отдельных элементов и их положений относительно оси коленчатого вала.
Согласно настоящему изобретению важное значение имеет определение размеров отдельных элементов (по отношению к радиусу кривошипа) и координат отдельных шарниров механизма передачи усилий, чего можно достичь за счет оптимизации такого механизма путем кинематического и динамического анализа. Цель оптимизации подобного, описываемого девятью параметрами механизма (фиг.8) состоит в уменьшении сил (нагрузки), действующих на его отдельные звенья, до минимально возможного уровня и в повышении плавности его работы.
Ниже со ссылкой на фиг.9 (9а и 9б), где изображена кинематическая схема ДВС, показанного на фиг.6 (6а и 6б соответственно), поясняется принцип работы регулируемого кривошипно-шатунного механизма. В процессе работы ДВС его поршень 4 совершает в цилиндре возвратно-поступательное движение, которое передается на шатун 6. Движение шатуна 6 передается через опорную (шарнирную) точку В на поперечный рычаг 7, свобода перемещения которого ограничена за счет его соединения с прицепным шатуном 10 в опорной (шарнирной) точке С. Если точка Z шарнирного соединения прицепного шатуна 10 неподвижна, то опорная точка С поперечного рычага 7 может совершать движение по дуге окружности, радиус которой равен длине прицепного шатуна 10. Положение такой круговой траектории движения опорной точки С относительно корпуса двигателя определяется положением точки Z. При изменении положения точки Z шарнирного соединения прицепного шатуна изменяется положение круговой траектории, по которой может перемещаться опорная точка С, что позволяет влиять на траектории движения других элементов кривошипно-шатунного механизма, прежде всего на положение в.м.т. поршня 4. Точка Z шарнирного соединения прицепного шатуна предпочтительно перемещается по круговой траектории. Однако точка Z шарнирного соединения прицепного шатуна может также перемещаться и по любой иной заданной управляемой траектории, при этом возможна также фиксация точки Z шарнирного соединения прицепного шатуна в любом положении траектории ее перемещения.
Поперечный рычаг 7 шарниром А соединен также с кривошипом 8 коленчатого вала 9. Этот шарнир А движется по круговой траектории, радиус которой определяется длиной кривошипа 8. Шарнир А занимает промежуточное положение, если смотреть вдоль линии, соединяющей между собой опорные точки В и С поперечного рычага 7. Наличие кинематической связи опорной точки С с прицепным шатуном 10 позволяет влиять на ее поступательное движение вдоль продольной оси 5 поршня 4. Перемещение опорной точки В вдоль продольной оси 5 поршня определяется траекторией движения опорной точки С поперечного рычага 7. Влияние на перемещение опорной точки В позволяет управлять возвратно-поступательным движением поршня 4 через шатун 6 и тем самым регулировать положение в.м.т. поршня 4.
В показанном на фиг.9а варианте прицепной шатун 10 и шатун 6 расположены по одну сторону поперечного рычага 7.
Поворотом выполненного в виде дополнительного кривошипа 11 регулирующего звена из показанного на фиг.9а примерно горизонтального положения, например, в обращенное вертикально вниз положение позволяет сместить положение в.м.т. поршня 4 вверх и тем самым увеличить степень сжатия.
На фиг.9б показана кинематическая схема выполненного по другому варианту ДВС, отличающаяся от показанной на фиг.9а схемы лишь тем, что прицепной шатун 10 вместе с выполненным в виде дополнительного кривошипа 11, соответственно регулирующего эксцентрика регулирующим звеном и шатун 6 расположены по разные стороны поперечного рычага 7. Во всем остальном принцип действия показанного на фиг.9б кривошипно-шатунного механизма аналогичен принципу действия показанного на фиг.9а кривошипно-шатунного механизма, у которого прицепной шатун 10 и шатун 6 расположены по одну сторону поперечного рычага 7.
На фиг.10 показана еще одна кинематическая схема кривошипно-шатунного механизма поршневого ДВС, на которой представлены положения определенных точек этого кривошипно-шатунного механизма и на которой штриховкой обозначены оптимальные области, в пределах которых с учетом упомянутых выше оптимальных областей значений для длин и положений элементов кривошипно-шатунного механизма могут перемещаться опорная точка В шарнирного соединения поперечного рычага 7 с шатуном 6, опорная точка С шарнирного соединения поперечного рычага 7 с прицепным шатуном 10 и точка Z шарнирного соединения прицепного шатуна 10. Для обеспечения особо плавной работы ДВС с исключительно малой нагрузкой на отдельные элементы и звенья его кривошипно-шатунного механизма геометрические параметры (длина и положение) элементов и звеньев этого кривошипно-шатунного механизма должны удовлетворять определенным, предпочтительным соотношениям. Длины сторон a, b и с треугольного поперечного рычага 7, где а обозначает длину стороны, расположенной между опорной точкой В шатуна и опорной точкой С прицепного шатуна, b обозначает длину стороны, расположенной между шарниром А кривошипа и опорной точкой С прицепного шатуна, а с обозначает расстояние между шарниром А кривошипа и опорной точкой В шатуна, можно описать следующими неравенствами в зависимости от радиуса г, который равен длине кривошипа 8:
Длина l шатуна 6, длина k прицепного шатуна 10 и расстояние е между осью вращения коленчатого вала 9 и продольной осью 5 цилиндра 3, которая одновременно является и продольной осью поршня, перемещающегося в этом цилиндре, согласно предпочтительному варианту удовлетворяют следующим соотношениям:
Для показанного на фиг.9а варианта, в котором шатун 6 и прицепной шатун 10 располагаются по одну сторону поперечного рычага 7, также можно задать оптимальное соотношение размеров. При этом расстояние f между продольной осью 5 цилиндра и точкой Z шарнирного соединения прицепного рычага 10 к его регулирующему звену, а также расстояние р между осью коленчатого вала и указанной точкой Z шарнирного соединения согласно предпочтительному варианту удовлетворяют следующим соотношениям:
При расположении прицепного шатуна и шатуна по разные стороны поперечного рычага оптимальное расстояние f между продольной осью поршня и точкой Z шарнирного соединения прицепного рычага к его регулирующему звену, а также оптимальное расстояние р между осью коленчатого вала и указанной точкой Z шарнирного соединения можно выбирать исходя из следующих соотношений:
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС), имеющий поршень (4), который подвижно установлен в цилиндре и который шарнирно соединен с шатуном (6), движение которого передается на кривошип (8) коленчатого вала (9), при этом между шатуном (6) и кривошипом (8) предусмотрено передаточное звено, которое выполнено с возможностью управления его движением с помощью управляющего рычага (10) с целью обеспечить управляемое перемещение поршня, прежде всего обеспечить возможность изменения степени сжатия и хода поршня, и которое выполнено в виде поперечного рычага (7), который соединен с кривошипом (8) шарниром (А), который расположен в промежуточном положении на участке между опорной точкой (В), в которой поперечный рычаг (7) соединен с шатуном (6), и опорной точкой (С), в которой поперечный рычаг (7) соединен с управляющим рычагом (10), и на некотором удалении от линии, соединяющей между собой обе эти опорные точки (В, С), в которых поперечный рычаг (7) соединен с управляющим рычагом (10) и шатуном (6) соответственно, отличающийся тем, что длина стороны (а), расположенной между опорной точкой (С), в которой поперечный рычаг (7) соединен с управляющим рычагом (10), и опорной точкой (В), в которой поперечный рычаг (7) соединен с шатуном (6), длина стороны (b), расположенной между опорной точкой (С), в которой поперечный рычаг (7) соединен с управляющим рычагом (10), и шарниром (А), которым поперечный рычаг (7) соединен с кривошипом (8), и длина стороны (с), расположенной между опорной точкой (В), в которой поперечный рычаг (7) соединен с шатуном (6), и шарниром (А), которым поперечный рычаг (7) соединен с кривошипом (8), удовлетворяют в пересчете на радиус (r) кривошипа следующим соотношениям:
6. Поршневой ДВС по п.4 или 5, отличающийся тем, что точка (Z) шарнирного соединения управляющего рычага (10) имеет возможность перемещения по управляемой траектории.
7. Поршневой ДВС по п.4 или 5, отличающийся тем, что предусмотрена возможность регулирования положения точки (Z) шарнирного соединения управляющего рычага (10) с помощью опирающегося на шарнир дополнительного кривошипа.
8. Поршневой ДВС по п.4 или 5, отличающийся тем, что предусмотрена возможность регулирования положения точки (Z) шарнирного соединения управляющего рычага (10) с помощью эксцентрика.
9. Поршневой ДВС по п.4 или 5, отличающийся тем, что предусмотрена возможность фиксации точки (Z) шарнирного соединения управляющего рычага (10) в различных регулируемых угловых положениях.
10. Поршневой ДВС по п.4 или 5, отличающийся тем, что предусмотрена возможность регулирования углового положения точки (Z) шарнирного соединения управляющего рычага (10) в зависимости от характеризующих режим работы ДВС величин и рабочих параметров ДВС.
11. Поршневой ДВС по п.4 или 5, отличающийся тем, что предусмотрена возможность синхронизированного с вращением коленчатого вала движения точки (Z) шарнирного соединения управляющего рычага (10) по управляемой траектории.
12. Поршневой ДВС по п.4 или 5, отличающийся тем, что предусмотрена возможность синхронизированного с вращением коленчатого вала (9) движения точки (Z) шарнирного соединения управляющего рычага (10) по управляемой траектории и возможность регулирования фазового сдвига между движением этой точки (Z) и вращением коленчатого вала (9) в зависимости от характеризующих режим работы ДВС величин и рабочих параметров ДВС.
13. Поршневой ДВС по п.4 или 5, отличающийся тем, что предусмотрена возможность синхронизированного с вращением коленчатого вала (9) движения точки (Z) шарнирного соединения управляющего рычага (10) по управляемой траектории, при этом предусмотрена возможность изменения передаточного отношения между движением указанной точки (Z) и вращением коленчатого вала (9).
Подробная информация о первом в мире бензиновом серийном двигателе с изменяемой степенью сжатия. Ему предсказывают большое будущее и говорят, что разработанная Инфинити технология станет большой угрозой для существования дизельных моторов.
Бензиновый поршневой двигатель, который может динамически изменять степень сжатия*, то есть величину, на которую поршень сжимает топливовоздушную смесь в цилиндре, давняя мечта многих поколений инженеров, разрабатывавших двигатели внутреннего сгорания. Некоторые автомобильные марки были как никогда близки к разгадке теории, были сделаны даже образцы таких моторов, например, успехов в этом достиг Saab.
Возможно у шведского автопроизводителя сложилась бы совершенно иная судьба, если бы в январе 2000 года Saab не был окончательно приобретен корпорацией General Motors. К сожалению, для заокеанского хозяина были не интересны подобные разработки и дело было приостановлено.
*Степень сжатия- объём камеры сгорания в момент, когда поршень находится в нижней мертвой точке, к объему, когда он подминается к верхней мертвой точке. Иными словами, это показатель сжатия поршнем воздушно-топливной смеси в цилиндре
Основной соперник был сломлен и Nissan, как второй потенциальный разработчик инновационной системы с изменяемым коэффициентом сжатия, продолжил путь в гордом одиночестве. 20 лет кропотливого труда, расчетов и моделирования не прошли даром, люксовое подразделение японской компании известное под брендом Infiniti представило окончательную разработку двигателя с изменяемой степенью сжатия который мы увидим под капотом модели . Станет ли ее разработка лебединой песней всех дизельных двигателей? Вопрос интересный.
2.0 литровый четырехцилиндровый турбированный силовой агрегат (расчетная мощность 270 л.с. и 390 Нм крутящего момента) получил наименование VC-T (Variable Compression-Turbocharged). Уже в названии отражены принцип его работы и технические данные. Система VC-T способна плавно и непрерывно динамически изменять степень сжатия от показателя 8:1 до 14:1.
Общий принцип действия системы двигателя VC-T можно описать следующим образом:
Это схематичное простое описание принципа работы системы. На самом деле конечно же все гораздо сложнее.
Действительно силовые агрегаты с низкой степенью сжатия не могут обладать высокой производительностью. Все мощные двигатели, в особенности у гоночных машин, как правило, имеют очень высокую степенью сжатия, у многих болидов она превышает 12:1, и даже доходит до 15:1 у двигателей работающих на метаноле. Тем не менее такая высокая степень сжатия также способна сделать моторы более эффективными и экономичным. Это наводит на логичный вопрос, почему бы не делать двигатели, которые бы всегда обладали высокой степенью сжатия воздушно-топливной смеси? Зачем городить огород со сложными системами привода поршней?
Главная причина невозможности использования такой системы при работе на обычном низкооктановом топливе- появление при высокой степени сжатия и высокой нагрузке детонации. Бензин начинает не сгорать, а взрываться. Что понижает выживаемость узлов и агрегатов мотора и снижает его экономичность. По сути у бензинового двигателя происходит тоже самое, что и у мотора, работающего на ДТ, за счет высокого сжатия воспламеняется топливовоздушная смесь, правда происходит это не в нужный момент и это не предусмотрено конструкцией мотора.
В моменты «кризиса» сгорания топливо-воздушной смеси и приходит на помощь изменяемая степень сжатия, которая способна снижаться в моменты пиковой мощности с максимальным нагнетанием давления наддувом турбокомпрессора, что предотвратит мотор от детонации. И наоборот, во время работы на малых оборотах с малым давлением наддува, степень сжатия будет повышаться, увеличивая тем самым крутящий момент и снижая расход топлива.
В дополнение к этому, двигатели оснащаются системой регулируемых фаз газораспределения, что делает возможной работу двигателя по циклу Аткинсона в то время, когда от мотора не требуется отдачи высоких мощностных показателей.
Такие моторы обычно встречаются у гибридных автомобилей, главным для которых является экологичность и малый расход топлива.
Результатом всех проведенных изменений стал двигатель, который способен на 27 процентов увеличить топливную экономичность в сравнении с 3,5-литровым V6 Nissan обладающего примерно так же мощностью и крутящим моментом. По информации Reuters, на пресс-конференции инженеры компании Nissan заявил, что новый двигатель обладает крутящим моментом сопоставимым с показателями современного турбодизеля, и при этом он должен быть дешевле в производстве, чем любой современный турбодизельный мотор.
Вот почему Ниссан делает такую большую ставку на разработанную систему, ведь в его представлении она имеет потенциал, способный частично заменить дизельные двигатели по многим параметрам использования, возможно, включая более дешевые варианты для стран, где бензин является основным видом топлива, примером такой страны может быть и Россия.
Если идея приживется, в будущем наверняка появятся двухцилиндровые бензиновые силовые агрегаты, которые неплохо подойдут . Это может стать одной из веток развития системы.
Гибкость двигателя кажется впечатляющей. Технически такого эффекта удалось добиться при помощи, особого рычага привода воздействующего на вал привода, изменяющего положение многорычажной системы, вращающейся вокруг главного подшипника шатуна. Справа к многорычажной системе крепится еще один рычаг идущий от электродвигателя. Он изменяет положение системы относительно коленчатого вала. Это отражено в патенте и чертежах Infiniti. Шток поршня имеет центральную поворотную многорычажную систему, которая способна изменять свой угол, что приводит к изменению эффективной длины штока поршня, что в свою очередь изменяет длину хода поршня в цилиндре, которое, что в конечном итоге, изменяет степень сжатия.
Двигатель, разработанный для Infiniti даже с первого взгляда, выглядит гораздо более сложным, чем его классический соплеменник. Косвенно догадку подтверждают в самом Ниссан. Они говорят, что экономически оправданно по такой схеме делать четырехцилиндровые моторы, но не более сложные V6 или V8. Стоимость всех систем привода шатунов может оказаться слишком высокой.
С учетом всего вышесказанного эта схема двигателя должна, нет, просто обязана, прижиться на . Такая отдача мощности и экономичность будет непревзойденным бонусом для машин, оборудованных ДВС и электродвигателями.
Двигатель VC-T будет официально представлен 29 сентября на Парижском автосалоне.
P.S.
Так вытеснит ли новый бензиновый двигатель дизельные моторы? Вряд ли. Во-первых, констукция бензинового мотора более сложная, а значит и более прихотливая. Ограничение по объему также ограничивает диапазон применения технологии. Производство дизельного топлива также никто не отменял, куда его девать, если все перейдут на бензин? Выливать? Складировать? И наконец, применение дизельных агрегатов (простой конструкции) отлично подходит для сложных природных условий, чего нельзя сказать о бензиновых ДВС.
Скорее всего уделом новой разработки станут гибридные автомобили и современные малолитражки. Что тоже по-своему немалая часть автомобильного рынка.
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 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 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.
Уже больше десятилетия основой бизнеса этого китайского бренда являются сервисы в области телевидения и музыки, однако теперь он стремительно выходит на рынок смартфонов и прочей потребительской электроники. Согласно предварительным данным, мобильные устройства LeEco отлично расходятся в Китае и других странах. Возможно, столь же успешным окажется дебют компании и в автомобильном бизнесе? На прошлой неделе газета South China Morning Post сообщила о том, что LeEco собирается построить завод по выпуску электромобилей. Ожидаемая мощность — 400 тысяч машин в год.
По предварительным данным, LeEco собирается инвестировать около 1,8 миллиарда долларов в новую производственную площадку, которая будет расположена в провинции Чжэцзян. Впоследствии завод должен стать частью технологического парка Eco Experience Park. Пока говорится о том, что возведение фабрики закончится в 2018 году.
Ранее LeEco искала партнеров на китайском рынке, которые бы смогли предоставить собственные производственные мощности. К примеру, компания вела переговоры с BAIC и GAC. Но достаточно выгодных предложений не нашлось, поэтому руководство решилось на строительство собственного завода. По предварительным данным, на нем будут не только собирать электрокары, но и выпускать важнейшие компоненты, в том числе электромоторы и тяговые аккумуляторы. К текущему моменту LeEco владеет 833 патентами в области электромобилей.
Возможно, в перспективе LeEco будет выпускать электрокары и в США: в Неваде сейчас идет строительство завода компании Faraday Future, которая является стратегическим партнером LeEco.
Также на прошлой неделе стало известно о некоторых планах Ford . Американцы уже сейчас занимаются гибридными и электрическими автомобилями: Ford продает модели C-Max Hybrid, C-Max Energi, Focus Electric, Fusion Hybrid и Fusion Energi. Однако в перспективе производитель намерен выделить специальную серию инновационных моделей. Вероятно, она получит название Model E .
Американская компания подала патент на имя Model E еще в 2013 году. Она уже много лет выпускает фургоны Ford E-Series, однако вряд ли новое название как-то с ними связано. При этом глава Tesla Motors Элон Маск в 2014 году сокрушался над тем, что ему не удастся выпустить автомобиль Model E: «Мы собирались назвать новинку Model E, но затем Ford в судебном порядке запретил нам это делать, говоря, что он сам собирается использовать такое имя. Я думал, что это безумие: Ford пытается убить SEX (у "Теслы" было бы три модели — Model S, Model E и Model X. — прим. ред.) ! Поэтому нам пришлось придумать другое имя. Новая модель будет называться Model 3 ».
Под маркой Model E будет существовать целая серия электрических и гибридных моделей Ford. Производитель пока не делится точными сведениями о них, зато уже сейчас известно, что как минимум некоторые из них будут предлагаться сразу в нескольких версиях: гибрид, гибрид с возможностью внешней зарядки и электрокар. Схожий подход использован в новой модели Hyundai IONIQ .
Сейчас уже идет строительство нового завода для автомобилей серии Ford Model E. Это будет первая полностью новая производственная площадка компании на территории Северной Америки за последние 20 лет. Общие инвестиции в фабрику должны составить 1,6 миллиарда долларов, что является огромной суммой даже по меркам американского автомобилестроения. Примечательно, что завод будет находиться в Мексике, а вовсе не в США.
Строительство новой фабрики должно быть завершено в 2018 году, а первые серийные гибриды и электрокары сойдут с конвейера в 2019-м. В прошлом году Ford анонсировал планы вложить около 4,5 миллиарда долларов в электрические транспортные средства до 2020 года. На эти деньги планируется разработать и запустить в производство 13 новых моделей. Предполагается, что они должны составить конкуренцию автомобилям Tesla, Chevrolet Bolt и Nissan Leaf. При этом полностью электрические версии должны получить запас хода в районе 320 километров. Скорее всего, большинство инновационных моделей будут хетчбэками и компактными кроссоверами.
Тем временем в Норвегии с 2025 года собираются полностью запретить продажи бензиновых и дизельных машин. Подобную инициативу мы обсуждали несколько месяцев назад . Тогда норвежская газета Dagens Næringsliv сообщила, что четыре ключевых партии Норвегии договорились о введении с 2025 года запрета на продажу новых автомобилей, сжигающих топливо. Однако теперь представитель Министерства транспорта страны официально опроверг эту информацию.
В целом подобная инициатива выглядит вполне логично. Во-первых, в этой северной европейской стране уже давно действуют высокие пошлины на модели с ДВС. Благодаря этому в 2015 году продажи электрокаров и гибридов выросли сразу на 71 %. Во-вторых, в стране отсутствует собственное производство машин, которое необходимо поддерживать любыми способами. Справедливости ради отметим, что Норвегия является лидером Европы по добыче нефти, поэтому пропаганда электрических транспортных средств может идти вразрез с интересами страны.
В Министерстве транспорта подтвердили информацию о том, что Национальный план развития транспорта Норвегии предусматривает определенные шаги, направленные на снижение объема выброса вредных веществ в атмосферу, однако он не включает в себя предложения о полном запрете всех видов двигателей внутреннего сгорания с 2025 года. При этом официальный представитель ведомства упомянул о том, что «правительство хочет поощрять более экологически чистые виды транспорта, но использовать пряник вместо кнута». Об этом он сообщил изданию autonews.com.
Любопытно, что на прошлой неделе многие российские СМИ поспешили заявить о том, что Норвегия планирует полностью запретить продажи новых легковых автомобилей с ДВС с 2025 года. Таким образом, они поделились устаревшей неофициальной информацией либо неверно восприняли новое сообщение Министерства транспорта европейской страны.
⇡ Автомобильные технологии
Двигатель внутреннего сгорания изначально был самым сложным агрегатом автомобиля. С момента появления первых машин прошло более ста лет, но в этом плане ничего не изменилось (если не брать в расчет электрокары). При этом ведущие производители идут ноздря в ноздрю в плане технического прогресса. Сегодня у каждой уважающей себя компании есть турбомоторы с непосредственным впрыском топлива и системой изменения фаз газораспределения как на впуске, так и на выпуске (если речь идет о бензиновых двигателях). Более высокотехнологичные решения распространены меньше, но все же встречаются. К примеру, недавно кроссовер Audi SQ7 TDI получил первый в мире двигатель с электрическим турбонаддувом, а BMW представила дизельный мотор с четырьмя турбокомпрессорами. Среди самых экзотических серийных решений выделяется система FreeValve разработки Koenigsegg: моторы шведской компании вообще лишены распределительных валов. Нетрудно заметить, что в основном любят экспериментировать инженеры европейских фирм. Однако теперь появилась любопытная новость из Японии: инженеры Infiniti представили первый двигатель с изменяемой степенью сжатия.
Многие зачастую путают понятия степени сжатия и компрессии, причем нередко это делают люди, по роду деятельности связанные с автомобилями и их обслуживанием или ремонтом. Поэтому для начала кратко расскажем, что же такое степень сжатия и чем она отличается от компрессии.
Степень сжатия (СЖ) — отношение объема цилиндра над поршнем в нижнем положении (нижняя мертвая точка) к объему пространства над поршнем при его верхнем положении (верхняя мертвая точка). Таким образом, речь идет о безразмерном параметре, который зависит только от геометрических данных. Грубо говоря, это отношение объема цилиндра к объему камеры сгорания. Для каждого автомобиля это строго фиксированная величина, которая не меняется со временем. Сегодня на нее можно повлиять только установкой других поршней или головки блока цилиндров. При этом компрессией называют максимальное давление в цилиндре, которое замеряют при выключенном зажигании. Иначе говоря, это показатель степени герметичности камеры сгорания.
Так вот, инженерам Infiniti удалось создать двигатель Variable Compression-Turbocharged (VC-T), который способен изменять степень сжатия. Разумеется, при всем желании на ходу невозможно поменять поршни и иные элементы конструкции, поэтому японская компания использовала принципиально иной подход, благодаря которому ДВС способен варьировать степень сжатия от 8:1 до 14:1.
У основной массы современных моторов степень сжатия составляет около 10:1. Одним из исключений являются бензиновые двигатели Mazda Skyactiv-G, в которых этот параметр увеличен до 14:1. В теории чем выше СЖ, тем более высокого КПД можно добиться на данном моторе. Однако у этой медали есть и обратная сторона: при большой нагрузке высокая СЖ может провоцировать возникновение детонации — неконтролируемого взрыва топливо-воздушной смеси. Этот процесс может привести к существенным повреждениям деталей ДВС.
Производители давно мечтали создать такой двигатель, который бы обладал высокой степенью сжатия при малых оборотах и нагрузках и низкой — при больших. Это позволило бы повысить эффективность работы мотора, что положительно влияет на мощность, расход топлива и количество вредных выбросов, но в то же время позволяет избежать риска возникновения детонации. По указанным выше причинам в ДВС с традиционной компоновкой такую задумку осуществить невозможно. Поэтому инженерам Infiniti пришлось существенно усложнить конструкцию.
На схематичном изображении VC-T описывается общий принцип работы инновационного механизма. В данном случае шатун крепится не напрямую к коленчатому валу, как в обычных ДВС, а к специальному коромыслу (Multi-link). С другой его стороны отходит дополнительный рычаг, который посредством вала управления (Control Shaft) и рычага привода (Actuator Arm) соединяется с модулем волновой передачи (Harmonic Drive). В зависимости от положения последнего элемента будет меняться позиция коромысла, которое, в свою очередь, задает верхнее положение поршня.
VC-T будет способен менять степень сжатия на ходу. Требуемые параметры будут зависеть от нагрузки, оборотов и наверняка даже качества топлива: компьютер будет учитывать все эти данные, чтобы выставить оптимальное положение всех элементов. На данный момент разработчики обнародовали далеко не все параметры нового мотора: известно лишь, что это будет четырехцилиндровый двигатель объемом два литра. Из самого названия Variable Compression-Turbocharged становится очевидно, что он будет оснащен турбокомпрессором. Скорее всего, именно по этой причине инженеры вообще решились на создание необычного ДВС: при высоком давлении наддува существенно повышается риск детонации. Здесь и пригодится возможность снижения степени сжатия. Иными словами, для атмосферного мотора столь сложная конструкция и не понадобилась бы. По данным Infiniti, новый двигатель придет на смену 3,5-литровому атмосферному V6.
Мировая премьера нового мотора состоится 29 сентября на Международном автосалоне в Париже. Ожидается, что первым новый двигатель VC-T получит кроссовер Infiniti QX50 следующего поколения, который должен появиться в 2017 году. Вероятно, чуть позже перспективный агрегат станет доступен для автомобилей Nissan. Не исключено, что со временем он будет предлагаться и для легковушек Mercedes-Benz (сегодня наблюдается обратная ситуация: для некоторых моделей Infiniti предлагается двухлитровый турбомотор Mercedes-Benz).
Судя по всему, двигатель VC-T можно заочно наградить премией «Прорыв года». Даже если этот проект полностью провалится, а затраты на его разработку не окупятся, более революционного изменения в двигателях внутреннего сгорания в 2016 году уже не предвидится. При этом необходимо отметить, что инженеры Infiniti/Nissan вовсе не одиноки в погоне за изменяемой степенью сжатия. К примеру, в 2000 году много говорили про SVC — Saab Variable Compression engine. При этом в нем использовался совершенно другой принцип: головка блока могла двигаться вверх-вниз, что и обеспечивало изменение объема камеры сгорания. Речь уже шла о скором появлении в продаже машин с SVC, однако американский концерн General Motors после выкупа полного пакета акций Saab в 2000 году решил закрыть проект. А вот двигатель MCE-5 разработки Peugeot во многом схож с VC-T. Его представили в 2009 году, однако до сих пор никто не говорит о применении MCE-5 на серийных машинах.
Чуть выше мы уже упомянули компанию Koenigsegg , поскольку она причастна к разработке революционных моторов без распредвалов. На прошлой неделе появились очередные новости о передовых технологиях шведского производителя. Теперь они касаются каталитического конвертера. Напомним: этот компонент должен уменьшить количество вредных веществ в выхлопе автомобиля. Сегодня такие устройства устанавливаются на все новые легковые машины, и сверхмощные спорткары не являются исключением. Тех, кто гонится за каждой дополнительной лошадиной силой, это не сильно радует: каталитические конвертеры являются препятствием на пути свободного движения газов из камеры сгорания в атмосферу. В итоге мощность двигателя несколько снижается. Инженеры Koenigsegg не захотели мириться с таким положением вещей и изобрели собственную уникальную систему.
Вместо того чтобы просто установить каталитический нейтрализатор после турбокомпрессора, как в обычных машинах, разработчики поместили небольшой «предварительный» катализатор на перепускной клапан (вестгейт) турбины. Первое время после запуска двигателя активируется заслонка, которая блокирует прохождение выхлопных газов через турбокомпрессор: они идут через тот самый перепускной клапан и небольшой «предварительный» катализатор. При этом на выходе из турбины предусмотрен основной конвертер. Поскольку он начинает работать только после того, как вся система уже хорошо прогрелась (каталитические нейтрализаторы становятся эффективными только при выходе на рабочую температуру), то его удалось сделать существенно короче. Благодаря этому заметно снизились потери, вызванные затрудненным прохождением воздуха.
По словам инженеров Koenigsegg, запатентованная схема с использованием двух катализаторов позволяет прибавить (вернее, не потерять) около 300 лошадиных сил. Так что владельцы купе Koenigsegg Agera могут без зазрения совести говорить о том, что один только нейтрализатор в их машине дает больше мощности, чем развивает двигатель в большинстве современных легковушек.
Теперь перейдем к другой теме, которая актуальна каждую неделю — новостям из сферы разработки умных машин. Ранее многие известные люди из автомобильного бизнеса, в том числе глава Tesla Motors Элон Маск (Elon Musk), не единожды говорили о том, что создание автомобилей с полноценными автопилотами не только перевернет привычный уклад жизни многих людей, но и существенно повлияет на автомобильную отрасль, а также связанный с ней бизнес. К примеру, ожидается существенный рост спроса на услуги каршеринга: в развитых странах эта услуга только начинает набирать обороты, но по-настоящему выстрелит она лишь в эру самоходных машин. Некоторые производители уже начали готовиться к этому. К примеру, на прошлой неделе представители Ford Motor Company заявили о начале поставок массовых беспилотных автомобилей для бизнеса в 2021 году.
«Следующее десятилетие будет определяться автономными автомобиля, и мы видим, что такие транспортные средства оказывают существенное влияние на общество, как и ввод компанией Ford сборочного конвейера 100 лет назад, — заявил исполнительный директор автомобильной компании Марк Филдс (Mark Fields). — Мы прилагаем все усилия, чтобы выпустить на дороги автономное транспортное средство, которое сможет повысить безопасность и решить социальные и экологические проблемы миллионов людей, а не только тех, кто может позволить себе роскошные автомобили».
За пафосными словами стоят вполне конкретные действия. Компания Ford вдвое увеличила размер своей лаборатории в Силиконовой долине. Теперь общая площадь зданий производителя достигла 16 тысяч квадратных метров, а штат насчитывает 260 сотрудников. К тому же на прошлой неделе американский автомобильный гигант объявил о совместных с китайским информационным конгломератом Baidu инвестициях : на пару они вложат 150 миллионов долларов в разработку технических и программных средств для создания автопилотов. Часть средств досталась компании Velodyne, которая выпускает лидары.
По данным представителей Velodyne, инвестиции будут использованы для ускорения разработки и выпуска нового поколения сенсоров. Они должны стать более высокопроизводительными, но при этом недорогими. Дополнительно к этому Ford поглотил израильский стартап SAIPS. Компания занимается разработками в области алгоритмических решений и технологий распознавания образов и машинного обучения. SAIPS была основана в 2013 году, однако, несмотря на скромный возраст, ее услугами уже пользуются HP, Israel Aerospace Industries и Wix.
Если задумка руководства Ford себя оправдает, то уже к 2021 году в арсенале компании будет автомобиль, который сможет полностью обходиться без человека. При этом «голубой овал» планирует сделать ставку на корпоративный сектор: в первую очередь Ford надеется заинтересовать компании, специализирующие на каршеринге, а также бренды вроде Uber и Lyft, связанные с сервисом такси.
О будущем умных машин говорили и в Tesla Motors . Но рассказали об этом не представители компании, а сотрудники издания electrek.co. По их данным, сейчас уже вовсю кипит работа над системой Autopilot 2.0.
Как мы знаем, в сентябре 2014 года Tesla впервые внедрила в свои электрокары такие аппаратные средства, как фронтальная камера и радар, а также ультразвуковой сенсор, бьющий на 360 градусов вокруг. Год спустя, в октябре 2015-го, производитель выпустил обновление под название Autopilot update (версия ПО 7.0), которое и предоставило возможность активации электронного ассистента, способного взять на себя управление на трассе или припарковать машину в автоматическом режиме. После этого компания несколько раз обновляла программное обеспечение, но при этом «железо» оставалось прежним. Разумеется, у каждого оборудования есть свой предел, поэтому далеко не все проблемы можно решить с помощью нескольких новых строк кода.
Теперь компания задумалась над внедрением системы Autopilot 2.0. Она привнесет масштабные изменения в конфигурацию сенсоров. Ожидается, что новое оборудование позволит добиться выхода на третью степень автоматизации управления, которая подразумевает, что машина уже не будет требовать постоянного контроля со стороны водителя, как в текущей версии Tesla Autopilot, но при определенных условиях компьютер все же будет обращаться за помощью к человеку. При этом разработчики допускают, что в перспективе программные обновления смогут вывести систему на заветную четвертую ступень автоматизации, при которой машины смогут без труда ездить по любым дорогам (впереди останется только пятый уровень, когда из салона вообще пропадут органы управления вроде руля и педалей).
Неназванные источники, близко знакомые с программой Autopilot, рассказали журналистам electrek.co о некоторых подробностях новой системы. Ожидается, что следующее поколение сохранит прежний фронтальный радар, но при этом получит еще два таких же в придачу. Скорее всего, они будут установлены по краям переднего бампера. Дополнительно к этому комплекс пополнится тройной фронтальной камерой. По неофициальным данным, новый корпус для нее начали устанавливать на серийные электрокары Model S уже с прошлой недели.
Судя по всему, даже в Autopilot 2.0 компания Элона Маска собирается обойтись без лидаров. И хотя один из подобных прототипов на базе Model S был замечен возле штаб-квартиры Tesla Motors, это мог быть эксперимент, никак не связанный с разработкой системы автопилотирования следующего поколения.
Возможно, новая тройная фронтальная камера будет основана на системе Front-facing Trifocal Constellation от компании Mobileye. В ней будет использоваться основной сенсор с углом обзора 50 градусов, а также два дополнительных с полем зрения 25 и 150 градусов. Последний позволит лучше распознавать пешеходов и велосипедистов.
В качестве центра обработки информации для Autopilot 2.0 потребуется производительная платформа. Возможно, это будет модуль NVIDIA Drive PX 2 . Впервые он был представлен на выставке CES 2016 в январе, однако поставки должны начаться только осенью.
Скорее всего, система Autopilot 2.0 будет представлена в ближайшее время. Анонимные источники внутри компании сообщают, что на конвейер для Model S уже поставляются обновленные жгуты проводов, в которых предусмотрены разъемы для тройной камеры и другого нового оборудования. Это свидетельствует о том, что производитель вовсю готовится к началу поставок новой версии вспомогательной системы. К тому же — с учетом недавнего смертельного случая с участием Tesla Autopilot — Элон Маск постарается максимально ускорить разработку очередного крупного обновления, чтобы рассказать всем об избавлении от ошибок прошлых версий.
