Изменяемая степень сжатия (VCR) — это технология регулировки степени сжатия двигателя внутреннего сгорания во время работы двигателя. Это делается для повышения топливной экономичности при изменяющихся нагрузках. Двигатели с переменной степенью сжатия позволяют изменять объем над поршнем в верхней мертвой точке . Более высокие нагрузки требуют более низких передаточных чисел для увеличения мощности, в то время как более низкие нагрузки требуют более высоких передаточных чисел для увеличения эффективности, т. е. для снижения расхода топлива. Для автомобильного использования это необходимо делать, поскольку двигатель работает в ответ на нагрузку и требования к вождению. Infiniti QX50 2019 года — первый коммерчески доступный автомобиль, в котором используется двигатель с переменной степенью сжатия.
Бензиновые двигатели имеют ограничение на максимальное давление во время такта сжатия, после которого смесь топлива и воздуха детонирует, а не сгорает. Чтобы достичь более высокой выходной мощности при той же скорости, необходимо сжечь больше топлива, а значит, и больше воздуха. Для этого используются турбокомпрессоры или нагнетатели для увеличения давления на входе. Это приведет к детонации смеси топлива и воздуха, если степень сжатия не будет уменьшена, т. е. объем над поршнем не будет увеличен. Это можно сделать в большей или меньшей степени, при этом возможно значительное увеличение мощности. Недостатком этого является то, что при небольшой нагрузке двигатель может испытывать нехватку мощности и крутящего момента. Решение состоит в том, чтобы иметь возможность изменять давление на входе и регулировать степень сжатия в соответствии с требованиями. Это дает лучшее из обоих миров, небольшой эффективный двигатель, способный развивать большую мощность по требованию. Кроме того, VCR позволяет свободно использовать различные виды топлива, помимо бензина, например, сжиженный нефтяной газ или этанол .
Рабочий объем цилиндра изменяется с помощью гидравлической системы, соединенной с коленчатым валом , и регулируется в соответствии с требуемой нагрузкой и ускорением.
Двигатели с переменной степенью сжатия существуют уже несколько десятилетий, но только в лабораториях для изучения процессов сгорания. Такие конструкции обычно имеют второй регулируемый поршень, установленный в головке напротив рабочего поршня.
В 2018 году Infiniti начала производство своего турбодвигателя с переменной степенью сжатия, который использует механическую связь для достижения вариативности. Он был установлен на их внедорожнике QX50. Двигатель может производить любую степень сжатия от 8:1 до 14:1. Самый высокий крутящий момент достигается при 8:1, что обеспечивает высокое ускорение, в то время как лучший расход топлива (топливная эффективность) достигается при 14:1. Электронный контроллер двигателя реагирует на нажатие педали газа в режиме реального времени, плавно изменяя степень сжатия. Хотя этот двигатель имеет рабочий объем 2,0 л и является рядным четырехцилиндровым двигателем, он не использует балансировочные валы для устранения вторичных вибраций . Он изначально уравновешен механической связью.
Из-за сравнительной простоты конструкции головки блока цилиндров (отсутствие впускных клапанов) ее несколько легче реализовать в двухтактных двигателях . С конца 90-х годов появились модели, развивающие эту идею, например, от Yamaha , [1] которые динамически изменяют размер камеры сгорания . В последнее время (в 2000-х годах) эта технология вновь вызвала интерес, поскольку она способна сжигать широкий спектр видов топлива (включая спирты), например, Lotus Omnivore. [2] [3]
Гораздо более ранним коммерческим двухтактным двигателем, но очень маленьким (18 куб. см) и недостаточно мощным, чтобы быть очень успешным, был двигатель Lohmann, произведенный в начале 1950-х годов в качестве модернизированного двигателя для велосипедов [4]. Этот двигатель имел цельную головку цилиндра и гильзу, расстояние от которых до коленчатого вала регулировалось домкратом, приводимым в действие тросами от поворотной рукоятки на руле. Регулировка сжатия была необходима для работы этого двигателя, поскольку он использовал воспламенение от сжатия топливной смеси, которая вводилась до такта сжатия и которая, следовательно, воспламенялась всякий раз, когда сжатие доводило ее до достаточной температуры. Это означало, что необходимая компрессия будет меняться в зависимости от температуры воздуха, температуры двигателя и типа топлива: при слишком большой компрессии двигатель будет испытывать преждевременное воспламенение, а при слишком маленькой — вообще не сможет воспламениться. Таким образом, оператору приходилось постоянно регулировать компрессию по мере изменения условий эксплуатации. Двигатель Lohmann выпускался всего около пяти лет, поскольку управление компрессией (одновременно с подачей топлива) требовало значительной практики, а также потому, что даже при оптимальной регулировке он обеспечивал не большую мощность, чем мог бы обеспечить мотоциклист средней физической подготовки без посторонней помощи.
Первый двигатель VCR был построен и испытан Гарри Рикардо в 1920-х годах. Эта работа привела к тому, что он разработал систему октанового числа , которая используется и по сей день. Многие компании проводили собственные исследования двигателей VCR, включая Saab , Nissan , Volvo , PSA/ Peugeot - Citroën и Renault . [4] Infiniti QX50 2019 года выпуска доступен с серийной версией турбированного двигателя с переменной степенью сжатия. [5]
Конструкция Peugeot работает за счет изменения эффективной длины шатунов, соединяющих поршень с кривошипом. Когда шатун короче, степень сжатия ниже и наоборот. С левой стороны диаграммы находится обычный поршень двигателя внутреннего сгорания. С правой стороны находится гидравлический цилиндр с поршнем двойного действия. Он действует через систему шатуна-кривошипа с зубчатым колесом, движение которого регулирует эффективную длину шатуна и, таким образом, степень сжатия в левом цилиндре. [6]
Компания SAAB Automobile возродила интерес к переменной компрессии, когда представила миру свой двигатель SVC на Женевском автосалоне в 2000 году. Компания SAAB работала с «Управлением передовых автомобильных технологий» над созданием современного бензинового двигателя VCR, который показывал эффективность, сопоставимую с эффективностью дизельного двигателя . SAAB SVC был передовым и работоспособным дополнением к миру двигателей VCR, но он так и не был запущен в производство из-за банкротства компании в 2016 году.
Конструкция, реализация двигателя Larsen VCR, [7] состояла из моноблочной головки, которая содержала всю клапанную передачу, и узла коленчатого вала/картера. Эти части были соединены шарниром, который допускал 4 градуса движения, контролируемого гидравлическим приводом. Этот механизм позволяет изменять расстояние между осевой линией коленчатого вала и коронкой цилиндра. В отличие от конструкции Peugeot, эффективная длина шатуна фиксирована. Нагнетатель был выбран вместо турбонагнетателя, чтобы достичь необходимого времени отклика и высокого давления наддува.
Чтобы изменить V c , SVC «опускает» головку цилиндров ближе к коленчатому валу . Это достигается путем замены типичного однокомпонентного блока двигателя на двухкомпонентный блок, с коленчатым валом в нижнем блоке и цилиндрами в верхней части. Два блока соединены шарниром вместе с одной стороны (представьте себе книгу, лежащую на столе, с передней обложкой, удерживаемой примерно на дюйм выше титульного листа). Поворачивая верхний блок вокруг точки шарнира, можно изменить V c (представьте себе воздух между передней обложкой книги и титульным листом). На практике SVC регулирует верхний блок с помощью небольшого диапазона движения, используя гидравлический привод.