Друге покоління кросовера Infiniti QX50 отримало купу нововведень, найважливішим з яких став унікальний мотор- 2,0 літрова «турбочетвірка» VC-Turbo з змінним ступенемстиснення. Ідея створення бензинового двигунаде ступінь стиснення в циліндрах була б величиною непостійною, не нова. Так, при розгоні, коли потрібна найбільша віддача двигуна, можна на кілька секунд пожертвувати його економічністю, зменшивши ступінь стиснення, це дозволить запобігти детонації, мимовільному займанню. паливної суміші, що може виникнути при високих навантаженнях. При рівномірному русіступінь стиснення, навпаки, бажано підвищити, щоб досягти більш ефективного згоряння паливної суміші та зниження витрати пального - у цьому випадку навантаження на мотор невелике і небезпека виникнення детонації мінімальна. Загалом, теоретично все просто, проте реалізувати цю ідею практично виявилося негаразд легко. І японські конструктори стали першими, хто зумів довести задум до серійного зразка.
Суть розробленої корпорацією Nissanтехнології в тому, щоб, залежно від необхідної віддачі двигуна, постійно змінювати максимальну висотупідйому поршнів (так звану верхню мертву точку - ВМТ), що у свою чергу призводить до зменшення або зростання ступеня стиснення в циліндрах. Ключовою деталлю цієї системи є особливе кріплення шатунів, які з'єднуються з колінчастим валомчерез рухомий блоккоромисел. Блок у свою чергу пов'язаний з ексцентриковим керуючим валом і електромотором, який по команді електроніки приводить цей хитрий механізм рух, змінюючи нахил коромисел і положення ВМТ поршнів у всіх чотирьох циліндрах одночасно.
Різниця ступеня стиснення в залежності від положення ВМТ поршня. На лівій картинці двигун знаходиться в економічному режимі, на правій - в режимі максимальної віддачі. A: коли потрібна зміна ступеня стиснення, електромотор повертає та переміщає важіль приводу. B: важіль приводу повертає керуючий вал. C: коли вал обертається, він діє важіль, пов'язаний з коромислом, змінюючи кут нахилу останнього. D: залежно від положення коромисла, ВМТ поршня піднімається або опускається, змінюючи таким чином ступінь стиснення.
В результаті при розгоні ступінь стиснення зменшується до 8:1, після чого двигун переходить в економічний режим роботи зі ступенем стиснення 14:1. Його робочий обсяг змінюється від 1997 до 1970 см3. "Турбочетвірка" нового Infiniti QX50 розвиває потужність 268 л. с. і момент, що крутить, в 380 Нм - відчутно більше, ніж 2,5 літровий V6 попередника (його показники - 222 к. с. і 252 Нм), витрачаючи при цьому на третину менше бензину. Крім того, VC-Turbo на 18 кг легше за атмосферну «шістку», займає менше місця під капотом і досягає максимуму крутного моменту в зоні нижчих оборотів.
До речі, система регулювання ступеня стиснення не тільки підвищує ефективність роботи двигуна, а й знижує рівень вібрацій. Завдяки коромислам шатуни при робочому ході поршнів займають майже вертикальне положення, тоді як у звичайних двигуніввони ходять з боку в бік (через це шатуни і отримали свою назву). В результаті навіть без врівноважувальних валів цей 4-циліндровий агрегат працює так само тихо та плавно, як V6. Але становище ВМТ, що змінюється, за допомогою складної системи важелів - не єдина особливість нового мотора. Змінюючи ступінь стиснення, цей агрегат також здатний перемикатися між двома робочими циклами: класичним Отто, за яким функціонує основна маса бензинових двигунів, І циклом Аткінсона, що зустрічається в основному у гібридів. В останньому випадку (при високому ступені стиснення) через більшого ходупоршнів робоча сумішсильніше розширюється, згоряючи з більшою ефективністю, в результаті зростає ККД та знижується витрата бензину.
Рухаючись вгору чи вниз, нижній важільзмінює положення поршня щодо камери згоряння.
Крім двох робочих циклів, цей мотор також використовує дві системи упорскування: класичний розподілений MPIта безпосередній GDI, який підвищує ефективність згоряння палива та дозволяє уникнути детонації при високих ступенях стиснення. Обидві системи працюють поперемінно, а за високих навантажень - одночасно. Позитивний внесок у підвищення ККД двигунавносить особливе покриття стінок циліндрів, яке наноситься методом плазмового напилення, а потім загартовується і хонінгується. В результаті виходить ультрагладка «дзеркальна» поверхня, що на 44% зменшує тертя поршневих кілець.
І яка вигода?
За словами інженерів, VC-T повинен стати на 27% економічнішим за поточні атмосферні V6 серії VQ, які він поступово замінить. Значить, паспортна витрата в комбінованому циклі буде в межах 7 літрів. І все-таки оцінити реальний внесок нової технологіїв економічність поки неможливо, надто вже відрізняються двигуни VC-T і VQ. Об'єм, наявність наддуву, кількість циліндрів – все по-різному. Тому в реальних перевагах японської розробки ще належить розібратися, але, як і будь-яка революція, вона цікава сама по собі.
Ще одна унікальна особливістьмотора VC-Turbo - це інтегрована до нього верхню опорусистема активного придушення вібрацій Active Torque Road, основою якої є зворотно-поступальний актуатор. Ця система керується датчиком прискорень, що фіксує коливання двигуна і у відповідь генерує вібрації, що гасять, в протифазі. Активні опори в Infiniti вперше використали у 1998 році на дизельному моторіАле та система виявилася занадто громіздкою, тому не набула поширення. Проект пролежав під сукном до 2009 року, доки японські інженери не взялися за його вдосконалення. На те, щоб вирішити проблему надмірної ваги та розмірів гасника коливань, пішло ще 8 років. Але результат вражає: завдяки ATR 4-циліндровий агрегат нового Infiniti QX50 працює на 9 дБ тихіше, ніж V6 його попередника!
Однією з тих, хто максимально близько підійшов до створення серійного двигуназі змінним ступенем стиснення, була марка Saab. У шведів, щоправда, щодо один одного зміщувалися верхня та нижня частина блоку циліндрів. А в моторі Infiniti/Nissan зміни торкнулися конструкції кривошипно-шатунного механізму.
ЧИТАЙТЕ ТАКОЖ НА САЙТІСистема охолодження Уаз Хантер, моделі УАЗ-315195 з двигунами ЗМЗ-409.10 Євро-2, ЗМЗ-40904.10 Євро-3 та ЗМЗ-40905.10 Євро-4, та моделі УАЗ-315196 з двигуном ЗМЗ-4091.10 Євро-3 ... Автоматичне екстрене гальмування(AEB) – це функція, яка попереджає водія про швидке зіткнення та допомагає йому використовувати максимальну гальмівну здатність автомобіля. Система самостійно гальмуватиме, якщо ситуація стане критичною. Дизельний двигун є двигуном, займання палива в якому здійснюється при нагріванні від стиснення. Стандартний дизельний двигун не може працювати на газовому паливі, тому що метан має істотно більше високою температуроюв... |
Винахід відноситься до машинобудування, насамперед до теплових машин, а саме до поршневого двигуна внутрішнього згоряння(ДВС) з змінним ступенемстиснення. Технічний результат винаходу полягає в удосконаленні кінематики механізму передачі зусиль поршневого ДВС, таким чином, щоб забезпечувати можливість регулювання ступеня стиснення при одночасному зниженні реакції в опорах та сил інерції другого порядку. ДВС згідно винаходу має рухомо встановлений в циліндрі поршень, який шарнірно з'єднаний з шатуном. Рух шатуна передається на кривошип колінчастого валу. При цьому, з метою забезпечення можливості керованого зміни ступеня стиснення та ходу поршня, між шатуном та кривошипом передбачено передавальну ланку, яка виконана з можливістю управління його рухом за допомогою важеля. Передавальна ланка виконана у вигляді поперечного важеля, з'єднаного з кривошипом за допомогою шарніра, розташованого в проміжному положенні на ділянці між двома опорними точками. В одній із опорних точок поперечний важільз'єднаний з шатуном, а в інший - з важелем, що управляє. Керуючий важіль також шарнірно з'єднаний з додатковим кривошипом або ексцентриком, які здійснюють керуючі рухи, зміщуючи вісь кочення важеля керуючого, чим забезпечують зміну ступеня стиснення ДВЗ. Крім цього вісь кочення управляючого важеля може здійснювати безперервний циклічний рух, синхронізований з обертанням колінчастого валу. При цьому, у разі дотримання певних геометричних співвідношень між окремими ланками механізму передачі зусиль, можуть бути зменшені навантаження на них та підвищена плавність роботи ДВС. 12 з.п. ф-ли, 10 іл.
Малюнки до патенту РФ 2256085
Даний винахід відноситься до машинобудування, насамперед до теплових машин. Винахід відноситься, зокрема, до поршневого двигуна внутрішнього згоряння (ДВС), що має поршень, який рухомо встановлений в циліндрі і який шарнірно з'єднаний з шатуном, рух якого передається на кривошип колінчастого валу, при цьому між шатуном і кривошипом передбачено передавальну ланку, яка виконана з можливістю управління його рухом за допомогою керуючого важеля з метою забезпечити кероване переміщення поршня, насамперед забезпечити можливість зміни ступеня стиснення та ходу поршня, і яке виконане у вигляді поперечного важеля, який з'єднаний з кривошипом шарніром, розташованим у проміжному положенні на ділянці між опорною точкою, в якій поперечний важіль з'єднаний з шатуном, і опорною точкою, в якій поперечний важіль з'єднаний з важелем, що управляє, і на деякому віддаленні від лінії, що з'єднує між собою обидві ці опорні точки, в яких поперечний важіль з'єднаний з керуючим важелем і шатуном відповідно.
З роботи Wirbeleit F.G., Binder К. і Gwinner D., "Розвиток Piston з Variable Compression Height for Incrising Efficiency and Specific Power Output of Combustion Engines", SAE Techn. Pap., 900229, відомий ДВС подібного типу з автоматично регульованим ступенем стиснення (ПАРСС) за рахунок зміни висоти поршня, що складається з двох частин, між якими сформовані гідравлічні камери. Зміна ступеня стиснення здійснюється автоматично шляхом зміни положення однієї частини поршня щодо іншої за рахунок перепуску олії з однієї камери в іншу за допомогою спеціальних перепускних клапанів.
До недоліків цього технічного рішення відноситься те, що системи типу ПАРСС припускають наявність механізму регулювання ступеня стиснення, розташованого у високотемпературній і навантаженій зоні (в циліндрі). Досвід роботи із системами типу ПАРСС показав, що на перехідних режимах, зокрема при розгоні автомобіля, робота ДВЗ супроводжується детонацією, оскільки гідравлічна системауправління не дозволяє забезпечити швидку та одночасну по всіх циліндрах зміну ступеня стиснення.
Прагнення винести механізм регулювання ступеня стиснення з високотемпературної та механічно навантаженої зони призвело до появи інших технічних рішень, що передбачають зміну кінематичної схеми ДВС і введення до неї додаткових елементів (ланок), управлінням яких забезпечується зміна ступеня стиснення.
Так, наприклад, у Jante A., "Kraftstoffverbrauchssenkung von Verbrennungsmotoren durch kinematische Mittel", Automobil-Industrie, № 1 (1980), с.с.61-65, описаний ДВС (кінематична схема якого показана на фіг.1), у якого між кривошипом 15 і шатуном 12 встановлені дві проміжні ланки - додатковий шатун 13 і коромисло 14. Коромисло 14 здійснює коливальний рух з центром гойдання в шарнірній точці Z. . Ексцентрик 16 повертається в залежності від навантаження двигуна, при цьому центр гойдання, розташований в шарнірній точці Z, переміщається по дузі кола, змінюючи таким чином положення верхньої мертвоїточки поршня.
З роботи Christoph Bolling та ін, "Kurbetrieb fur variable Verdichtung", MTZ 58 (11) (1997), Сс.706-711, відомий також двигун типу FEV (кінематична схема якого показана на фіг.2), у якого між кривошипом 17 і шатуном 12 встановлений додатковий шатун 13. Шатун 12, крім того, пов'язаний з коромислом 14, яке здійснює коливальний рух з центром гойдання в шарнірній точці Z. Регулювання ступеня стиснення здійснюється за рахунок зміни положення шарнірної точки Z шляхом повороту ексцентрика 1 корпус двигуна. Ексцентрик 16 повертається в залежності від навантаження двигуна, при цьому центр гойдання, розташований в шарнірній точці Z, переміщається по дузі кола, змінюючи таким чином положення верхньої точки мертвої поршня.
З заявки DE 4312954 А1 (21.04.1993) відомий двигун типу IFA (кінематична схема якого показана на фіг.3), у якого між кривошипом 17 і шатуном 12 встановлений додатковий шатун 13. Шатун 12, крім того, пов'язаний з одним з кінців 14, другий кінець якого здійснює коливальний рух з центром гойдання в шарнірній точці Z. Регулювання ступеня стиснення здійснюється за рахунок зміни положення шарнірної точки Z шляхом повороту ексцентрика 16, який закріплений на корпусі двигуна. Ексцентрик 16 повертається в залежності від навантаження двигуна, при цьому центр гойдання, розташований в шарнірній точці Z, переміщається по дузі кола, змінюючи таким чином положення верхньої точки мертвої поршня.
До недоліків, властивих двигунам вищеописаних конструкцій (відомим з роботи Jante А., з роботи Christoph Bolling та ін. І з заявки DE 4312954 А1), слід віднести в першу чергу недостатньо високу плавність їх роботи, обумовлену високими силами інерції другого порядку при зворотно- поступальний рух мас, що пов'язано з особливостями кінематики механізмів і призводить до надмірного збільшення загальної ширини або загальної висоти силового агрегату. З цієї причини такі двигуни практично не придатні для їх використання як двигуни для транспортних засобів.
Регулювання ступеня стиснення в поршневому ДВЗ дозволяє вирішити такі завдання:
Підвищити середній тиск Ре шляхом збільшення тиску наддуву без збільшення максимального тискузгоряння понад задані межі за рахунок зменшення ступеня стиснення в міру збільшення навантаження двигуна;
Зменшити витрату палива в діапазоні малих та середніх навантажень за рахунок збільшення ступеня стиснення у міру зменшення навантаження двигуна;
Підвищити плавність роботи двигуна.
Регулювання ступеня стиснення дозволяє залежно від типу ДВСдосягти наступних переваг(ДВЗ з примусовим (іскровим) запаленням):
При збереженні досягнутого рівня економічності двигуна при малих та середніх навантаженнях забезпечується подальше підвищення номінальної потужності двигуна за рахунок збільшення тиску наддуву при зменшенні ступеня стиснення (див. фіг.4, де криві, позначені позицією х, відносяться до звичайного двигуна, а криві, позначені позицією у, відносяться до двигуна зі змінним ступенем стиснення);
При збереженні досягнутого рівня номінальної потужності двигуна забезпечується зниження витрати палива при малих та середніх навантаженнях за рахунок збільшення ступеня стиснення до допустимої по детонації межі (див. фіг.4б, де криві, позначені позицією х, відносяться до звичайного двигуна, а криві, позначені позицією у, відносяться до двигуна зі змінним ступенем стиснення);
При збереженні досягнутого рівня номінальної потужності двигуна підвищується економічність при малих та середніх навантаженнях, а також знижується рівень шуму двигуна при одночасному зниженні номінальної частоти обертання колінчастого валу (див. фіг.4в, де криві, позначені позицією х, відносяться до звичайного двигуна, а криві , позначені позицією у, відносяться до двигуна зі змінним ступенем стиснення).
Аналогічно ДВЗ з іскровим запалюванням регулювання ступеня стиснення в дизельному двигуні може вестись у трьох наступних рівноправних напрямках:
При незмінному робочому обсязі та номінальній частоті обертання потужність двигуна підвищують за рахунок збільшення тиску наддуву. У цьому випадку підвищується не економічність, а потужність транспортного засобу(див. фіг.5, де криві, позначені позицією х, відносяться до звичайного двигуна, а криві, позначені позицією у, відносяться до двигуна зі змінним ступенем стиснення);
При незмінному робочому обсязі та номінальній потужності підвищують середній тиск Ре при зниженні номінальної частоти обертання. У цьому випадку при збереженні потужних характеристик транспортного засобу підвищується економічність двигуна за рахунок підвищення механічного ККД (див. фіг.5б, де криві, позначені позицією х, відносяться до звичайного двигуна, а криві, позначені позицією у, відносяться до двигуна зі змінним ступенем стиснення );
Існуючий двигун великого робочого об'єму замінюють на двигун малого робочого об'єму, але тієї ж потужності (див. фіг.5в, де криві, позначені позицією х, відносяться до звичайного двигуна, а криві, позначені позицією у, відносяться до двигуна зі змінним ступенем стиснення ). У цьому випадку підвищується економічність двигуна в діапазоні середніх та повних навантажень, а також зменшується маса та габарити двигуна.
В основу цього винаходу була покладена задача удосконалити кінематику поршневого ДВС таким чином, щоб при малих конструктивних витратах забезпечувати можливість регулювання ступеня стиснення при одночасному зниженні реакції в опорах та сил інерції другого порядку.
Стосовно поршневого ДВС зазначеного на початку опису типу ця задача вирішується згідно винаходу завдяки тому, що довжина сторони, довжина сторони, розташованої між опорною точкою, в якій поперечний важіль з'єднаний з важелем, що управляє, і шарніром, яким поперечний важіль з'єднаний з кривошипом, і довжина сторони, розташованої між опорною точкою, в якій поперечний важіль з'єднаний з шатуном, і шарніром, яким поперечний важіль з'єднаний з кривошипом , задовольняють у перерахунку на радіус кривошипу наступним співвідношенням:
Згідно з одним з кращих варіантів виконання пропонованого у винаході поршневого ДВЗ поперечний важіль виконаний у вигляді трикутного важеля, у вершинах якого розташовані опорні точки, в яких поперечний важіль з'єднаний з важелем, що управляє, і шатуном, і шарнір, яким поперечний важіль з'єднаний з кривошипом.
Переважно, щоб довжина l шатуна і довжина k важеля, що управляє, а також відстань е між віссю обертання колінчастого вала і поздовжньої віссю циліндра задовольняли в перерахунку на радіус г кривошипа наступним співвідношенням:
У тому випадку, коли керуючий важіль і шатун розташовані по один бік поперечного важеля, відстань f між поздовжньою віссю циліндра і точкою шарнірного з'єднання важеля з корпусом ДВС і відстань р між віссю колінчастого вала і зазначеною точкою шарнірного з'єднання переважно повинні задовольняти r кривошипа наступним співвідношенням:
У тому ж випадку, коли важіль, що управляє, і шатун розташовані по різні сторонипоперечного важеля, відстань f між поздовжньою віссю циліндра і точкою шарнірного з'єднання управляючого важеля і відстань р між віссю колінчастого валу і зазначеною точкою шарнірного з'єднання переважно повинні задовольняти в перерахунку на радіус г кривошипу наступним співвідношенням:
У відповідності з наступним переважним варіантом виконання пропонованого у винаході поршневого ДВС точка шарнірного з'єднання важеля керуючого має можливість переміщення по керованій траєкторії.
Переважно також передбачити можливість фіксації точки шарнірного з'єднання важеля керуючого в різних регульованих кутових положеннях.
У відповідності ще з одним кращим варіантом виконання пропонованого у винаході поршневого ДВЗ передбачена можливість регулювання кутового положення точки шарнірного з'єднання важеля керуючого в залежності від характеризуючих режим роботи ДВЗ величин і робочих параметрів ДВЗ.
Згідно з ще одним кращим варіантом виконання пропонованого у винаході поршневого ДВС передбачена можливість синхронізованого з обертанням колінчастого валу руху точки шарнірного з'єднання керуючого важеля по керованій траєкторії.
В іншому варіанті виконання пропонованого у винаході поршневого ДВЗ передбачена можливість синхронізованого з обертанням колінчастого валу руху точки шарнірного з'єднання керуючого важеля по керованій траєкторії і можливість регулювання фазового зсуву між рухом цієї точки і обертанням колінчастого валу в залежності від характеризуючих режим роботи ДВЗ величин і робочих параметрів ДВЗ.
У відповідності з наступним кращим варіантом виконання пропонованого у винаході поршневого ДВС передбачена можливість синхронізованого з обертанням колінчастого валу руху точки шарнірного з'єднання важеля керуючого по керованій траєкторії, при цьому передбачена можливість зміни передавального відношенняміж рухом зазначеної точки та обертанням колінчастого валу.
Пропонований у винаході поршневий ДВС 1 показаний на фіг.6 і 6б і має корпус 2 з циліндром 3 і встановленим в ньому поршнем 4, шатун 6, який шарнірно з'єднаний одним кінцем з поршнем 4, кривошип 8 колінчастого валу, встановленого в корпусі 2, причіпний шатун 10, званий також керуючим важелем 10 і шарнірно з'єднаний одним його кінцем з корпусом 2 і трикутний поперечний важіль 7, який однією його вершиною шарнірно з'єднаний з другим кінцем шатуна 6, другий його вершиною шарнірно з'єднаний з кривошипом з'єднаний з причіпним шатуном 10. Для регулювання ступеня стиснення вісь гойдання шатуна причіпного 10, тобто. точка Z його шарнірного з'єднання має можливість переміщення по керованій траєкторії, яка визначається, наприклад, ексцентриком або додатковим кривошипом 11.
Залежно від положення осі гойдання причіпного шатуна пропонований у винаході поршневий ДВС має два варіанти конструктивного виконання (див. фіг.6 і 6б):
У першому варіанті (фіг.6) горизонтальна площина, в якій лежить вісь гойдання причіпного шатуна 10, тобто. точка Z шарнірного з'єднання розташована вище точки з'єднання кривошипа 8 з поперечним важелем 7 при знаходженні кривошипа в його верхній мертвій точці або, іншими словами, причіпний шатун 10 і шатун 6 розташовані по один бік поперечного важеля 7;
У другому варіанті (фіг.6б) горизонтальна площина, в якій лежить вісь гойдання шатуна причіпного 10, тобто. точка Z шарнірного з'єднання розташована нижче точки з'єднання кривошипа 8 з поперечним важелем 7 при знаходженні кривошипа в його верхній мертвій точці або, іншими словами, причіпний шатун 10 і шатун 6 розташовані по різні сторони поперечного важеля 7.
Зміна положення точки Z шарнірного з'єднання важеля причіпного, тобто. його осі гойдання, дозволяє за рахунок простого керуючого руху, що здійснюється додатковим кривошипом, відповідно регулюючим ексцентриком, змінювати ступінь стиснення. Крім цього, точка Z шарнірного з'єднання причіпного важеля, тобто. його вісь гойдання може здійснювати безперервний циклічний рух, синхронізований з обертанням колінчастого валу.
Як показано на фіг.7, пропонований у винаході поршневий ДВС має значні переваги перед відомими системами(описаними у Jante А., Christoph Bolling та ін. і в DE 4312954 А1), а також перед звичайним кривошипно-шатунним механізмом(СМ) щодо плавності його роботи.
Однак зазначені переваги можуть бути досягнуті лише при дотриманні певних геометричних співвідношень, а саме, при правильному підборідовжин окремих елементів та його положень щодо осі колінчастого вала.
Згідно з цим винаходу важливе значення має визначення розмірів окремих елементів (стосовно радіуса кривошипу) і координат окремих шарнірів механізму передачі зусиль, чого можна досягти за рахунок оптимізації такого механізму шляхом кінематичного та динамічного аналізу. Мета оптимізації подібного, що описується дев'ятьма параметрами механізму (фіг.8) полягає у зменшенні сил (навантаження), що діють на його окремі ланки, мінімально можливого рівнята у підвищенні плавності його роботи.
Нижче з посиланням на фіг.9 (9а та 9б), де зображена кінематична схема ДВС, показаного на фіг.6 (6а і 6б відповідно), пояснюється принцип роботи кривошипно-шатунного механізму, що регулюється. У процесі роботи ДВС його поршень 4 здійснює в циліндрі зворотно- поступальний рух, яке передається на шатун 6. Рух шатуна 6 передається через опорну (шарнірну) точку на поперечний важіль 7, свобода переміщення якого обмежена за рахунок його з'єднання з причіпним шатуном 10 в опорній (шарнірній) точці С. Якщо точка Z шарнірного з'єднання причіпного 10 нерухома, то опорна точка З поперечного важеля 7 може здійснювати рух по дузі кола, радіус якої дорівнює довжиніпричіпного шатуна 10. Положення такої кругової траєкторії руху опорної точки С щодо корпусу двигуна визначається положенням точки Z. При зміні положення точки Z шарнірного з'єднання причіпного шатуна змінюється положення кругової траєкторії, якою може переміщатися опорна точка С, що дозволяє впливати на траєкторії руху інших елементів кривошипно-шатунного механізму, насамперед на становище в.м.т. поршня 4. Точка Z шарнірного з'єднання причіпного шатуна переважно переміщається круговою траєкторією. Однак точка Z шарнірного з'єднання причіпного шатуна може також переміщатися і по будь-якій іншій заданій керованій траєкторії, при цьому можлива фіксація точки Z шарнірного з'єднання причіпного шатуна в будь-якому положенні траєкторії її переміщення.
Поперечний важіль 7 шарніром А з'єднаний також з кривошипом 8 колінчастого вала 9. Цей шарнір А рухається по круговій траєкторії, радіус якої визначається довжиною кривошипа 8. Шарнір А займає проміжне положення, якщо дивитися вздовж лінії, що з'єднує між собою опорні точки і С поперечного 7. Наявність кінематичного зв'язку опорної точки С з причіпним шатуном 10 дозволяє впливати на її поступальний рух уздовж поздовжньої осі 5 поршня 4. Переміщення опорної точки Вздовж поздовжньої осі 5 поршня визначається траєкторією руху опорної точки С поперечного важеля 7. Вплив на переміщення опорної точки дозволяє керувати зворотно-поступальним рухом поршня через 4 шатун 6 і тим самим регулювати положення в.м.т. поршня 4.
У наведеному на фіг.9а варіанті причіпний шатун 10 і шатун 6 розташовані по одну сторону поперечного важеля 7.
Поворотом виконаного у вигляді додаткового кривошипа 11 регулюючого ланки з показаного на фіг.9 приблизно горизонтального положення, наприклад, звернене вертикально вниз положення дозволяє змістити положення в.м.т. поршня 4 і тим самим збільшити ступінь стиснення.
На фиг.9б показана кінематична схема виконаного інакше варіантом ДВС, Відмінна від показаної на фиг.9а схеми лише тим, що причіпний шатун 10 разом з виконаним у вигляді додаткового кривошипа 11, відповідно регулюючого ексцентрика регулюючим ланкою і шатун 6 розташовані по різні сторони поперечного важеля 7. У всьому іншому принцип дії показаного на фіг. 9б кривошипно-шатунного механізму аналогічний принципу дії показаного на фіг.9а кривошипно-шатунного механізму, у якого причіпний шатун 10 і шатун 6 розташовані по одну сторону поперечного важеля 7.
На фіг.10 показана ще одна кінематична схема кривошипно-шатунного механізму поршневого ДВС, на якій представлені положення певних точок цього кривошипно-шатунного механізму і на якій штрихуванням позначені оптимальні області, в межах яких з урахуванням згаданих вище оптимальних областей значень для довжин і кривошипно-шатунного механізму можуть переміщатися опорна точка шарнірного з'єднання поперечного важеля 7 з шатуном 6, опорна точка С шарнірного з'єднання поперечного важеля 7 з причіпним шатуном 10 і точка Z шарнірного з'єднання причіпного шатуна 10. Для забезпечення особливо плавної роботи ДВС окремі елементита ланки його кривошипно-шатунного механізму геометричні параметри(Довжина і положення) елементів і ланок цього кривошипно-шатунного механізму повинні задовольняти певним, кращим співвідношенням. Довжини сторін a, b і з трикутного поперечного важеля 7, де а позначає довжину сторони, розташованої між опорною точкою шатуна і опорною точкою С причіпного шатуна, b позначає довжину сторони, розташованої між шарніром А кривошипа і опорною точкою С причіпного шатуна, а з позначає відстань між шарніром А кривошипа і опорною точкою шатуна, можна описати наступними нерівностями в залежності від радіуса г, який дорівнює довжині кривошипа 8:
Довжина l шатуна 6, довжина k причіпного шатуна 10 і відстань е між віссю обертання колінчастого вала 9 і поздовжньою віссю 5 циліндра 3, яка одночасно є і поздовжньою віссю поршня, що переміщається в цьому циліндрі, згідно з кращим варіантом задовольняють наступним:
Для показаного на фіг.9 варіанта, в якому шатун 6 і причіпний шатун 10 розташовуються по один бік поперечного важеля 7, також можна задати оптимальне співвідношення розмірів. При цьому відстань f між поздовжньою віссю 5 циліндра і точкою Z шарнірного з'єднання причіпного важеля 10 до його регулюючої ланки, а також відстань р між віссю колінчастого валу і зазначеною точкою Z шарнірного з'єднання згідно з кращим варіантом задовольняють наступним співвідношенням:
При розташуванні причіпного шатуна і шатуна по різні сторони поперечного важеля оптимальна відстань f між поздовжньою віссю поршня і точкою Z шарнірного з'єднання причіпного важеля до його регулюючої ланки, а також оптимальна відстань р між віссю колінчастого валу і вказаною точкою Z шарнірного з'єднання співвідношень:
ФОРМУЛА ВИНАХОДУ
1. Поршневий двигунвнутрішнього згоряння (ДВС), що має поршень (4), який рухомо встановлений в циліндрі і який шарнірно з'єднаний з шатуном (6), рух якого передається на кривошип (8) колінчастого валу (9), при цьому між шатуном (6) і кривошипом (8) передбачено передавальну ланку, яка виконана з можливістю управління його рухом за допомогою важеля, що управляє (10) з метою забезпечити кероване переміщення поршня, перш за все забезпечити можливість зміни ступеня стиснення і ходу поршня, і яке виконано у вигляді поперечного важеля (7), який з'єднаний з кривошипом (8) шарніром (А), який розташований у проміжному положенні на ділянці між опорною точкою (В), в якій поперечний важіль (7) з'єднаний з шатуном (6), та опорною точкою (С), в якій поперечний важіль (7) з'єднаний з важелем, що управляє (10), і на деякому віддаленні від лінії, що з'єднує між собою обидві ці опорні точки (В, С), в яких поперечний важіль (7) з'єднаний з керуючим важелем (10) і шатуном (6) ) відповідно, відрізняється тим, що довжина сторони (а), розташованої між опорною точкою (С), в якій поперечний важіль (7) з'єднаний з важелем, що управляє (10), і опорною точкою (В), в якій поперечний важіль (7) з'єднаний з шатуном (6), довжина сторони (b), розташованої між опорною точкою (С), в якій поперечний важіль (7) з'єднаний з важелем, що управляє (10), і шарніром (А), яким поперечний важіль (7) з'єднаний з кривошипом (8), і довжина сторони (с), розташованої між опорною точкою (В), в якій поперечний важіль (7) з'єднаний з шатуном (6), і шарніром (А), яким поперечний важіль (7) з'єднаний з кривошипом ( 8), задовольняють у перерахунку на радіус (r) кривошипу наступним співвідношенням:
6. Поршневий ДВЗпо п.4 або 5, який відрізняється тим, що точка (Z) шарнірного з'єднання важеля керуючого (10) має можливість переміщення по керованій траєкторії.
7. Поршневий ДВС по п.4 або 5, який відрізняється тим, що передбачена можливість регулювання положення точки (Z) шарнірного з'єднання важеля керуючого (10) за допомогою додаткового кривошипа, що спирається на шарнір.
8. Поршневий ДВС по п.4 або 5, який відрізняється тим, що передбачена можливість регулювання положення точки (Z) шарнірного з'єднання важеля керуючого (10) за допомогою ексцентрика.
9. Поршневий ДВС по п.4 або 5, який відрізняється тим, що передбачена можливість фіксації точки (Z) шарнірного з'єднання важеля керуючого (10) в різних регульованих кутових положеннях.
10. Поршневий ДВС за п. 4 або 5, який відрізняється тим, що передбачена можливість регулювання кутового положення точки (Z) шарнірного з'єднання важеля, що управляє (10) в залежності від характеризуючих режим роботи ДВС величин і робочих параметрів ДВС.
11. Поршневий ДВС по п.4 або 5, який відрізняється тим, що передбачена можливість синхронізованого з обертанням колінчастого валу руху точки (Z) шарнірного з'єднання важеля керуючого (10) по керованій траєкторії.
12. Поршневий ДВС за п.4 або 5, який відрізняється тим, що передбачена можливість синхронізованого з обертанням колінчастого валу (9) руху точки (Z) шарнірного з'єднання важеля керуючого (10) по керованій траєкторії і можливість регулювання фазового зсуву між рухом цієї точки ( Z) і обертанням колінчастого валу (9) в залежності від характеризуючих режим роботи ДВЗ величин і робочих параметрів ДВЗ.
13. Поршневий ДВС по п.4 або 5, який відрізняється тим, що передбачена можливість синхронізованого з обертанням колінчастого валу (9) руху точки (Z) шарнірного з'єднання важеля керуючого (10) по керованій траєкторії, при цьому передбачена можливість зміни передавального відношення між рухом зазначеної точки (Z) і обертанням колінчастого валу (9).
Ідея створення бензинового мотора, де ступінь стиснення в циліндрах була б величиною непостійною, не нова. Так, при розгоні, коли потрібна найбільша віддача двигуна, можна на кілька секунд пожертвувати його економічністю, зменшивши ступінь стиснення, - це дозволить запобігти детонації, мимовільному займанню паливної суміші, яке може виникнути при високих навантаженнях. При рівномірному русі ступінь стиснення, навпаки, бажано підвищити, щоб досягти більш ефективного згоряння паливної суміші та зниження витрати пального - у цьому випадку навантаження на мотор невелике і небезпека виникнення детонації мінімальна.
Загалом, теоретично все просто, проте реалізувати цю ідею практично виявилося негаразд легко. І японські конструктори стали першими, хто зумів довести задум до серійного зразка.
Суть розробленої корпорацією Nissan технології в тому, щоб, залежно від необхідної віддачі двигуна, постійно змінювати максимальну висоту підйому поршнів (так звану верхню мертву точку - ВМТ), що в свою чергу призводить до зменшення або зростання ступеня стиснення в циліндрах. Ключовою деталлю цієї системи є особливе кріплення шатунів, які з'єднуються з колінчастим валом через рухомий блок коромисел. Блок у свою чергу пов'язаний з ексцентриковим керуючим валом і електромотором, який по команді електроніки приводить цей хитрий механізм рух, змінюючи нахил коромисел і положення ВМТ поршнів у всіх чотирьох циліндрах одночасно.
Різниця ступеня стиснення в залежності від положення ВМТ поршня. На лівій картинці двигун знаходиться в економічному режимі, на правій - в режимі максимальної віддачі. A: коли потрібна зміна ступеня стиснення, електромотор повертає та переміщає важіль приводу. B: важіль приводу повертає керуючий вал. C: коли вал обертається, він діє важіль, пов'язаний з коромислом, змінюючи кут нахилу останнього. D: залежно від положення коромисла, ВМТ поршня піднімається або опускається, змінюючи таким чином ступінь стиснення.
В результаті при розгоні ступінь стиснення зменшується до 8:1, після чого двигун переходить в економічний режим роботи зі ступенем стиснення 14:1. Його робочий обсяг змінюється від 1997 до 1970 см 3 . "Турбочетвірка" нового Infiniti QX50 розвиває потужність 268 л. с. і момент, що крутить, в 380 Нм - відчутно більше, ніж 2,5‑літровий V6 попередника (його показники — 222 к. с. і 252 Нм), витрачаючи при цьому на третину менше бензину. Крім того, VC-Turbo на 18 кг легше за атмосферну «шістку», займає менше місця під капотом і досягає максимуму крутного моменту в зоні нижчих оборотів.
До речі, система регулювання ступеня стиснення не тільки підвищує ефективність роботи двигуна, а й знижує рівень вібрацій. Завдяки коромислам шатуни при робочому ході поршнів займають майже вертикальне положення, тоді як у звичайних двигунів вони ходять з боку в бік (через це шатуни і отримали свою назву). В результаті навіть без врівноважувальних валів цей 4-циліндровий агрегат працює так само тихо і плавно, як V6.
Але становище ВМТ, що змінюється, за допомогою складної системи важелів - не єдина особливість нового мотора. Змінюючи ступінь стиснення, цей агрегат також здатний перемикатися між двома робочими циклами: класичним Отто, за яким функціонує основна маса бензинових двигунів, і циклом Аткінсона, що зустрічається в основному у гібридів. В останньому випадку (за високого ступеня стиснення) через більший хід поршнів робоча суміш сильніше розширюється, згоряючи з більшою ефективністю, в результаті зростає ККД і знижується витрата бензину.
Крім двох робочих циклів, цей мотор також використовує дві системи впорскування: класичний розподілений MPI та безпосередній GDI, який підвищує ефективність згоряння палива та дозволяє уникнути детонації при високих ступенях стиснення. Обидві системи працюють поперемінно, а за високих навантажень - одночасно. Позитивний внесок у підвищення ККД двигуна вносить особливе покриття стінок циліндрів, яке наноситься методом плазмового напилення, а потім загартовується і хонінгується. В результаті виходить ультрагладка «дзеркальна» поверхня, що на 44% зменшує тертя поршневих кілець.
Ще одна унікальна особливість мотора VC-Turbo – це інтегрована в його верхню опору система активного придушення вібрацій Active Torque Road, основою якої є зворотно-поступальний актуатор. Ця система керується датчиком прискорень, що фіксує коливання двигуна і у відповідь генерує вібрації, що гасять, в протифазі. Активні опори в Infiniti вперше використовували в 1998 році на дизельному моторі, але та система виявилася занадто громіздкою, тому не набула поширення. Проект пролежав під сукном до 2009 року, доки японські інженери не взялися за його вдосконалення. На те, щоб вирішити проблему надмірної ваги та розмірів гасника коливань, пішло ще 8 років. Але результат вражає: завдяки ATR 4-циліндровий агрегат нового Infiniti QX50 працює на 9 дБ тихіше, ніж V6 попередника!
Двигун VC-T. Зображення: Nissan
Японський автовиробник Nissan Motorпредставив новий тип бензинового двигуна внутрішнього згоряння, який за деякими параметрами перевершує просунуті сучасні дизельні двигуни.
Новий двигун Variable Compression-Turbo (VC-T) здатний за необхідності змінювати ступінь стисненнягазоподібний горючої суміші, тобто змінювати крок ходу поршнів в циліндрах ДВЗ. Цей параметр зазвичай фіксований. Судячи з усього, VC-T стане першим у світі ДВС зі змінним ступенем стиснення суміші.
Ступінь стиснення - відношення об'єму надпоршневого простору циліндра двигуна внутрішнього згоряння при положенні поршня в нижній мертвою точкою(Повний обсяг циліндра) до об'єму надпоршневого простору циліндра при положенні поршня у верхній мертвій точці, тобто до об'єму камери згоряння.
Підвищення ступеня стиснення в загальному випадкупідвищує його потужність та 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 машинахі гоночних болідахможе досягати 12:1 чи 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 ступенястиснення: 14:1 (ліворуч) та 8:1 (праворуч). Зокрема, демонструється механізм зміни ступеня стиснення від 14:1 до 8:1. Він відбувається в такий спосіб.
- У разі потреби змінити ступінь стиснення активується модуль Harmonic Driveі зрушує важіль актуатора.
- Важель актуатора повертає приводний вал ( Control Shaftна схемі).
- Коли приводний вал повертається, він змінює кут нахилу багатоважільний підвіски (Multi-linkна схемі)
- Багатоважільна підвіска визначає висоту, на яку кожен поршень здатний піднятися у своєму циліндрі. Таким чином, змінюється ступінь стиснення. Нижня мертва точка поршня, зважаючи на все, залишається незмінною.
Зміна ступеня стиснення в ДВЗ можна в якомусь сенсі порівняти зі зміною кута атаки у гвинтах регульованого кроку - концепції, яка багато десятиліть застосовується в повітряних і гребних гвинтах. Змінюваний крок гвинта дозволяє підтримувати ефективність рушія, близька до оптимальної незалежно від швидкості руху носія в потоці.
Технологія зміни ступеня стиснення ДВЗ дає можливість зберегти потужність двигуна за дотримання строгих нормативів до економічності двигуна. Ймовірно, це взагалі реальний спосібдотриматися цих нормативів. «Всі зараз працюють над змінюваною ступінь стиснення та іншими технологіями, щоб значно покращити економічність бензинових двигунів, - говорить Джеймс Чао (James Chao), керуючий директор з Азіатсько-Тихоокеанського регіону та консультант IHS, - Принаймні останні двадцять років або близько того» . Варто згадати, що у 2000 році компанія Saabпоказувала прототип такого двигуна Saab Variable Compression (SVC) для Saab 9-5, за який удостоїлася низка нагород на технічних виставках. Потім шведську фірму купив концерн General Motorsта припинив роботу над прототипом.
Двигун Saab Variable Compression (SVC) Фото: Reedhawk
Двигун VC-T обіцяють вивести на ринок у 2017 році з автомобілями марки Infiniti QX50. Офіційну презентацію призначено на 29 вересня на Паризькому автосалоні. Цей дволітровий чотирициліндровий двигунбуде мати приблизно таку ж потужність і крутний момент, що і 3,5-літровий двигун V6, місце якого займе, але забезпечить економію палива 27%, порівняно з ним.
Інженери Nissan кажуть також, що VC-T буде дешевшим, ніж сучасні просунуті дизельні двигуни з турбонаддувом, і повністю відповідатиме сучасним нормам на викиди оксиду азоту та інших. вихлопних газів- такі правила діють у Євросоюзі та деяких інших країнах.
Після Infiniti новимидвигунами планується оснащувати інші автомобілі Nissanта, можливо, партнерської компанії Renault. 
Двигун VC-T. Зображення: Nissan
Можна припустити, що ускладнена конструкція ДВССпочатку навряд чи буде відрізнятися надійністю. Є сенс почекати кілька років, перш ніж купувати автомобіль із двигуном VC-T, якщо тільки ви не хочете брати участь у тестуванні експериментальної технології.
Нещодавно на автосалоні в Парижі марка Infiniti (читай, альянс Renault-Nissan) представила двигун із змінним ступенем стиснення. Фірмова технологія Variable Compression-Turbocharged (VC-T) дозволяє варіювати цей самий ступінь, буквально висмоктуючи всі соки з двигуна.
У «ідеальному всесвіті» правило просте - чим вищий ступінь стиснення паливо-повітряної суміші, тим краще. Суміш максимально розширюється, поршні рухаються як заведені, отже потужність і ККД мотора максимальні. Іншими словами, паливо спалюється надзвичайно ефективно.
Все було б чудово, якби не сама природа палива. У ході знущань його терпінню колись настає межа: чим рівніше згорає суміш - тим краще, але при високих навантаженнях ( високий ступіньстиснення, великі оберти) суміш починає вибухати, а не згоряти. Таке явище називається детонацією, і ця штука дуже руйнівна. Стінки камери згоряння і сам поршень зазнають серйозних ударних навантажень і поступово, але досить швидко руйнуються. Крім того, падає ефективність мотора – нормальне робочий тискна поршень падає.
Таким чином, найбільш вигідний варіант - коли двигун у будь-якому режимі працює на межі детонації, не допускаючи цього явища. Інженери Infiniti склали графік, на якому позначили для себе ефективні режими роботи двигуна в залежності від навантаження, величини оборотів та ступеня стиснення паливо-повітряної суміші. (Насправді ефективність згоряння палива можна підвищувати й іншими способами, наприклад, збільшенням кількості клапанів на циліндр, налаштуванням графіка їх роботи, навіть вибором місця над поршнем, куди прямує упорскування порції палива. Звичайно, ми про це пам'ятаємо.) Перші два параметри, Зрозуміло, залежать як від зовнішніх факторів, і від ретельного підбору трансмісії. А третій – ступінь стиснення – також вирішено було змінювати в межах від 8:1 до 14:1.
Технічно це виглядає як введення в конструкцію кривошипно-шатунного механізму додаткового елемента- коромисла між шатуном та колінвалом. Коромисло управляється електромотором – важіль можна зрушувати таким чином, що діапазон ходу поршня варіюється в межах 5 мм. Цього достатньо істотної зміни ступеня стиснення.
Переваг без недоліків не буває. На перший погляд, вони очевидні: збільшення складності конструкції, деяке збільшення у вазі... Однак щодо цих мінусів гріх скаржитися - двигун вийшов дуже збалансованим, завдяки чому з конструкції було виведено балансувальні вали. Імовірно також, що двигун особливо чутливий до марки та якості палива. Здається, цю проблему - у разі, значною мірою - вирішується програмними методами.
Оскільки в назві технології є слово Turbocharged, очевидно, що такі мотори будуть турбованими. Перший з них - дволітровий 270-сильний, встане під капот кросовера Infiniti QX50. Запевняють, що двигун із змінним ступенем стиску споживає на цілих 27% менше паливаніж звичайний мотор аналогічного об'єму. Цифра вкрай значна. Треба думати, що й екологічність (кількість викидів шкідливих речовин) у нього на висоті.
