Muutuva surveastmega mootor: disainiomadused
Nagu esmapilgul võib tunduda, on kaasaegne sisepõlemismootor jõudnud oma arengu kõrgeimasse faasi. Praegu toodetakse seeriaviisiliselt erinevaid bensiini- ja diiselmootoreid, on ilmunud hübriidpaigaldised ning lisaks on realiseeritud võimalus mootor gaasiks muuta.
Viimaste aastate olulisemate arengute loend sisaldab: keeruka elektroonikaga juhitavate ülitäpsete sissepritsesüsteemide kasutuselevõttu, suure võimsuse saamine ilma töömahtu suurendamata tänu turboülelaadimissüsteemidele, ventiilide arvu suurendamine silindri kohta, muutuva klapiajastuse kasutamine süsteemid jne.
Tulemuseks oli sisepõlemismootorite jõudluse märgatav paranemine, samuti heitgaaside mürgisuse taseme langus. See pole aga veel kõik. Disainerid ja insenerid üle maailma ei jätka mitte ainult aktiivset tööd olemasolevate lahenduste täiustamisega, vaid püüavad luua ka täiesti uut disaini.
Piisab, kui meenutada katseid ehitada mootor ilma väntvõllita ja ühendusvardadeta, vabaneda ajastusseadmes olevast nukkvõllist või muuta mootori surveastet dünaamiliselt. Märgime kohe, et kuigi mõned projektid on alles väljatöötamisel, on teised juba reaalsuseks saanud. Näiteks muutuva surveastmega mootorid. Vaatame selliste sisepõlemismootorite omadusi, eeliseid ja puudusi.
Artikli sisu
Tihendusastme muutmine: miks seda vaja on
Paljud kogenud juhid tunnevad selliseid mõisteid nagu mootori surveaste ja oktaanarv bensiinimootorite puhul, samuti tsetaanarv diiselmootorite puhul. Vähem teadlikele lugejatele pidage meeles, et surveaste on kolvi kohal oleva ruumala suhe, mis langeb BDC (alumine surnud punkt) ja ruumala, kui kolb tõusis TDC (ülemine surnud punkt).
Bensiinimootoritel on keskmiselt 8-14, diiselmootoritel 18-23. Surveaste on fikseeritud väärtus ja see on mootori väljatöötamise käigus struktuuriliselt kaasatud. Samuti sõltuvad surveastmest bensiini oktaanarvu kasutamise nõuded konkreetses mootoris. Samas võtab see arvesse ka seda, kas mootor on vabalthingav või ülelaadimisega.
Kui me räägime surveastmest endast, siis tegelikult on see näitaja, mis määrab, kui palju kütuse-õhu segu mootorisilindrites kokku surutakse. Lihtsamalt öeldes süttib hästi kokkusurutud segu paremini ja põleb täielikumalt. Selgub, et surveastme suurendamine võimaldab saavutada mootori efektiivsuse tõusu, parandada mootori jõudlust, vähendada kütusekulu jne.
Siiski on nüansse. Esiteks on see mootori detonatsioon. Jällegi, kui te ei lasku detailidesse, siis tavaliselt peaks kütuse ja õhu laeng silindrites lihtsalt põlema, mitte plahvatama. Pealegi peab segu süütamine algama ja lõppema rangelt kindlaksmääratud hetkedel.
Sel juhul on kütusel nn koputuskindlus, see tähendab võime detonatsioonile vastu seista. Kui aga surveastet oluliselt suurendatakse, võib kütus hakata mootoris sisepõlemismootori teatud töötingimustes detoneerima.
Tulemuseks on kontrollimatu plahvatuslik põlemisprotsess silindrites, mootoriosade kiire hävimine lööklaine toimel, oluline temperatuuri tõus põlemiskambris jne. Nagu näete, on nendel põhjustel võimatu suurt tihendusastet konstantseks muuta. Sel juhul on selles olukorras ainus väljapääs võimalus seda indikaatorit mootori erinevate töörežiimide suhtes paindlikult muuta.
Sellise "töötava" mootori pakkusid hiljuti välja esmaklassilise kaubamärgi Infiniti (Nissani eliitdivisjon) insenerid. Ka teised autotootjad (SAAB, Peugeot, Volkswagen jt) on olnud ja jäävad sarnastesse arendustesse. Nii et vaatame muutuva kompressiooniga mootorit.
Muutuva mootori surveaste: kuidas see töötab
Esiteks võimaldab olemasolev võimalus muuta surveastet oluliselt suurendada turbomootorite jõudlust, vähendades samal ajal kütusekulu. Lühidalt, olenevalt töörežiimist ja sisepõlemismootori koormustest surutakse kütuselaeng kokku ja põletatakse ära kõige optimaalsemates tingimustes.
Kui jõuallika koormused on minimaalsed, suunatakse silindritesse ökonoomne "halb" segu (palju õhku ja vähe kütust). Sellise segu jaoks sobib hästi suur surveaste. Kui mootori koormus suureneb (tarnitakse "rikast" segu, milles on rohkem bensiini), suureneb detonatsioonioht loomulikult. Selle vältimiseks vähendatakse tihendusastet dünaamiliselt.
Konstantse surveastmega mootorites on omamoodi kaitseks detonatsiooni eest süüte ajastuse (süüte edenemisnurga) muutmine. See nurk liigub "tagasi". Loomulikult viib selline nurga nihe selleni, et kuigi detonatsiooni ei toimu, kaob ka jõud. Mis puutub muutuva surveastmega mootorisse, siis UOS-i pole vaja nihutada, see tähendab, et võimsuskadu pole.
Mis puudutab skeemi enda rakendamist, siis tegelikult taandub ülesanne asjaolule, et mootori töömaht on füüsiliselt vähenenud, kuid kõik omadused (võimsus, pöördemoment jne) säilivad.
Märgime kohe, et sellise lahenduse kallal töötasid erinevad ettevõtted. Selle tulemusena on ilmunud erinevad meetodid surveastme reguleerimiseks, näiteks muutuv põlemiskambri maht, ühendusvardad koos kolbide tõstmise võimalusega jne.
- Üks varasemaid arenguid oli täiendava kolvi sisseviimine põlemiskambrisse. Määratud kolvil oli võime liikuda, muutes samal ajal helitugevust. Kogu disaini miinuseks oli vajadus paigaldada ärikeskusesse lisaosi. Samuti ilmnesid koheselt muutused põlemiskambri kujus, kütus põles ebaühtlaselt ja mittetäielikult.
Nendel põhjustel ei jõutud seda projekti kunagi lõpetada. Sama saatus tabas ka arendust, millel olid kõrguse muutmise võimalusega kolvid. Need split-tüüpi kolvid osutusid rasketeks ning raskusi lisandus kolvikatte tõstekõrguse juhtimise jms rakendamisel.
- Edasine areng ei puudutanud enam kolbe ja põlemiskambrit, maksimaalset tähelepanu pöörati väntvõlli tõstmise küsimusele. Teisisõnu, ülesandeks oli väntvõlli tõstekõrguse juhtimine.
Seadme skeem on selline, et võlli laagrikangid asuvad spetsiaalsetes ekstsentrilist tüüpi haakeseadistes. Neid sidureid käitavad käigud, mis on ühendatud elektrimootoriga.
Ekstsentrikute pöörlemine võimaldab väntvõlli tõsta või langetada, mis viib kolbide kõrguse muutumiseni silindripea suhtes. Selle tulemusena suureneb või väheneb põlemiskambri maht, samas muutub ka surveaste.
Pange tähele, et mitu prototüüpi ehitati Volkswageni 1,8-liitrise turboagregaadi baasil, surveaste varieerus vahemikus 8 kuni 16. Mootorit katsetati pikka aega, kuid seeriaseadet ei saanud seadmest kunagi.
- Teiseks katseks lahendust leida oli mootor, mille puhul muudeti surveastet kogu silindriploki tõstmisega. Arendus kuulub Saabi kaubamärgile ja üksus ise peaaegu isegi ei pääsenud seeriasse. Mootor on tuntud kui SVC, 1,6-liitrine, 5-silindriline, turboülelaaduriga agregaat.
Võimsus oli umbes 220 liitrit. mille pöördemoment on veidi üle 300 Nm. Tähelepanuväärne on, et keskmise koormusega režiimil on kütusekulu vähenenud ligi kolmandiku võrra. Mis puudutab kütust ennast, siis sai võimalikuks täita nii AI-76 kui ka 98.
Saabi insenerid jagasid silindriploki kaheks tingimuslikuks osaks. Ülemises osas olid silindripead ja vooderdised, alumine aga väntvõll. Nende ploki osade omamoodi ühendus oli ühelt poolt liigutatav liigend ja teiselt poolt spetsiaalne elektriajamiga varustatud mehhanism.
Seega oli võimalik ülemist osa teatud nurga all veidi tõsta. Selline tõusunurk oli vaid paar kraadi, samas kui surveaste varieerus 8-14. Samas pidi “vuuki” tihendama kummikest.
Praktikas osutusid ploki ülemise osa tõstmiseks mõeldud osad ise, aga ka kaitsekate ise väga nõrkadeks elementideks. Võib-olla takistas see mootoril seeriasse sattumast ja projekt suleti veelgi.
- Veel ühe arenduse pakkusid välja Prantsusmaa insenerid. 1,5-liitrise töömahuga turbomootor suutis muuta surveastet 7-lt 18-le ja andis umbes 225 hj. Pöördemomendi karakteristikuks on fikseeritud umbes 420 Nm.
Struktuurselt on seade keeruline, jagatud ühendusvardaga. Piirkonnas, kus ühendusvarras on väntvõlli külge kinnitatud, oli osa varustatud spetsiaalse hammasrattaga nookuriga. Ühendusvarda ja kolvi ristumiskohas võeti kasutusele ka hammasratas.
Teisel pool oli nookuri külge kinnitatud kolbsiin, mis rakendas juhtimist. Süsteemi juhiti määrdesüsteemist, töövedelik läbis keeruka kanalite, ventiilide süsteemi, lisaks oli ka elektriajam.
Soovitame lugeda ka artiklit, kuidas mootorit turgutada. Sellest artiklist saate teada saadaolevatest võimalustest sisepõlemismootori võimendamiseks, et saada rohkem võimsust, paremini reageerida gaasipedaalile, suurendada pöördemomenti jne.
Lühidalt, juhtkolvi liikumine avaldas nookurile mõju. Selle tulemusena muutus ka peakolvi tõstekõrgus silindris. Pange tähele, et ka mootor ei muutunud seeriaviisiliseks ja projekt külmutati.
- Järgmine katse luua muutuva surveastmega mootor oli Infiniti inseneride otsus, nimelt VCT mootor (inglise keelest. Variable Compression Turbocharged). Selles mootoris sai võimalikuks muuta surveastet 8-lt 14-le. Disaini tunnuseks on ainulaadne käigumehhanism.
See põhineb ühendusvarda ühendamisel alumise kaelaga, mis on liigutatav. Kasutatakse ka hoobade süsteemi, mida käitab elektrimootor.
Kontroller juhib protsessi, saates signaale elektrimootorile. Elektrimootor nihutab pärast juhtseadmelt käsu saamist varda ja kangisüsteem muudab asendit, mis võimaldab muuta kolvi kõrgust.
Selle tulemusena sai Infiniti VCT 2,0-liitrise töömahuga võimsusega umbes 265 hj. võimaldas säästa peaaegu 30% kütust võrreldes sarnaste sisepõlemismootoritega, millel on samal ajal konstantne surveaste.
Kui tootjal õnnestub hetkeprobleemid tõhusalt lahendada (disaini keerukus, suurenenud vibratsioon, töökindlus, seadme kõrge lõppmaksumus jne), siis võivad ettevõtte esindajate optimistlikud väited ka tõeks saada ning mootoril endal on kõik võimalus saada seriaaliks juba aastatel 2018-2019.
Summeerida
Ülaltoodud teabe põhjal on selge, et muutuva kompressiooniga mootorid võivad turboülelaaduriga bensiinimootorite puhul oluliselt säästa kütust.
Samuti soovitame lugeda artiklit selle kohta, mis on turboülelaaduriga mootor. Sellest artiklist saate teada turbiini konstruktsiooniomadustest, süsteemi tööpõhimõtetest, samuti selle lahenduse eelistest ja puudustest. Ülemaailmse kütusekriisi ja keskkonnastandardite pideva karmistamise taustal võimaldavad need mootorid mitte ainult tõhusalt kütust põletada, vaid ka mitte piirata mootori võimsust.
Ehk siis selline sisepõlemismootor on üsna võimeline pakkuma kõiki võimsa bensiiniga kiire turbomootori eeliseid. Samal ajal võib selline seade kütusekulu poolest jõuda lähedale turbodiiselmootoriga kolleegidele, mis on tänapäeval populaarsed eelkõige oma tõhususe tõttu.
