Влияние технологии переменного коэффициента сжатия на эффективность цикла Отто

Введение: Разрушение парадигмы фиксированного компромисса

Двигатель внутреннего сгорания был основой личного транспорта более века, но его фундаментальные термодинамические принципы продолжают развиваться. Цикл Отто остается доминирующей моделью для бензиновых двигателей с искровым зажиганием, и инженеры давно поняли, что увеличение коэффициента сжатия непосредственно повышает тепловую эффективность. Однако они всегда были ограничены механическими реалиями фиксированной геометрии: слишком большое сжатие вызывает деструктивный стук, заставляя консервативную конструкцию, которая жертвует эффективностью в большинстве реальных условий вождения. Технология переменного коэффициента сжатия (VCR) устраняет этот статический компромисс, позволяя двигателю постоянно регулировать свой самый критический геометрический параметр во время его работы. Гармонизируя требования крейсерского движения легкой нагрузки и ускорения высокой производительности в пределах одной силовой установки, системы VCR разблокируют повышение эффективности, которые ранее были недостижимы. В этой статье исследуются термодинамические основы этого улучшения, механическая изобретательность технологии и ее ощутимое влияние на потребление топлива, выбросы и управляемость.

Термодинамические основы цикла Отто

Перед оценкой любой инновации, повышающей эффективность, полезно пересмотреть цикл, который он стремится улучшить. Идеальный цикл Отто моделирует четырехтактный двигатель искрового зажигания через два изентропных процесса и два этапа передачи тепла постоянного объема. Во время такта сжатия поршень перемещается из нижнего мертвого центра в верхний мертвый центр, уменьшая объем цилиндра и повышая как температуру, так и давление. Сжигание происходит почти при постоянном объеме вблизи верхнего мертвого центра, за которым следует ход расширения, который извлекает работу из газов высокого давления. Затем ход выхлопа очищает отработанный заряд, и цикл повторяется.

Тепловая эффективность этого идеализированного цикла, η, дается хорошо известным выражением η = 1 - (1 / r ^]γ-1, где r обозначает коэффициент сжатия и γ - отношение удельного тепла рабочей жидкости. Эта формула ясно показывает, что конструкторы двигателей знали на протяжении десятилетий: эффективность возрастает по мере увеличения коэффициента сжатия. Для типичного бензинового двигателя с γ ≈ 1,3 повышение r с 8:1 до 12:1 дает теоретический прирост эффективности, превышающий 10 процентов. На практике потери от трения, теплопередачи, неполного сгорания и реальных газовых эффектов закаливают это улучшение, но преимущество направления также является очевидным. Современные двигатели с более высокими коэффициентами сжатия также выигрывают от более полного расширения, которое снижает температуру выхлопа и энергию, потраченную впустую в систему охлаждения.

Knock: Практический потолок на коэффициенте сжатия

Если более высокие коэффициенты сжатия настолько выгодны, почему промышленность не просто приняла r = 15:1 или выше десятилетия назад? Ответ заключается в детонации двигателя, также известной как детонация. Поскольку поршень сжимает топливо-воздушную смесь, температура и скачок давления конечного газа. При определенных условиях части несгоревшей смеси автоматически воспламеняются перед передним фронтом распространяющегося пламени, создавая резкие всплески давления, которые резонируют в камере сгорания. Получающийся «пинг» - это больше, чем неприятность; устойчивый детонация может разрушать поршни, подшипники молота и даже трескать головки цилиндров.

На чувствительность к удару сильно влияет коэффициент сжатия, октановое число топлива, время искры и температура заряда цилиндра. В двигателе с фиксированным сжатием конструктор должен выбрать соотношение, которое позволяет избежать стука во всех реалистичных условиях эксплуатации, включая широко раскрытый дроссел в жаркий день с топливом с низким октановым числом. Это безопасное соотношение почти всегда ниже, чем то, что было бы термодинамически идеальным во время скоростного движения с небольшой нагрузкой, когда давление цилиндров остается скромным. Этот разрыв между коэффициентом сжатия с ограниченным стуком и коэффициентом оптимального сжатия эффективности представляет собой потерянную экономию топлива. Технология VCR существует для закрытия этого разрыва, позволяя двигателю работать с более высоким соотношением, когда условия позволяют и понижают его для подавления стука при необходимости.

Механические архитектуры для переменного коэффициента сжатия

Переменное сжатие представляет собой не одно изобретение, а семейство механизмов, которые изменяют эффективное смещение или объем клиренса цилиндра во время работы двигателя. Физическая цель проста: изменить расстояние между поршневой короной в верхней мертвой точке и головкой цилиндра или изменить объем промаха относительно объема клиренса, так что соотношение может быть настроено момент за моментом. Было разработано или доведено до производства несколько различных архитектур, каждая со своими преимуществами и компромиссами.

• Многорычажный коленчатый механизм — Используется в двигателе VC-Turbo от Nissan, эта система использует более низкую шарнирную связь и эксцентричный управляющий вал для регулировки положения верхнего мертвого центра поршня без изменения геометрии хода соединительного стержня в обычном смысле. При вращении управляющего вала через электродвигатель двигатель может смещаться от высокого коэффициента сжатия для эффективности частичной нагрузки (приблизительно 14:1) до низкого отношения для высокой крутящей силы (примерно 8:1) с непрерывным диапазоном между ними. Эта конструкция добавляет только около 30 кг к двигателю и поддерживает приемлемые уровни трения посредством тщательной балансировки.
• Перемещение головки цилиндра сборки — Saab исследовал дизайн в начале 2000-х годов, который наклонил всю головку цилиндра относительно блока, изменив объем клиренса. Хотя концептуально простой, подход ввел проблемы уплотнения и дополнительную массу, которая сделала серийное производство непрактичным в то время.
• Связующий стержень переменной длины — Несколько поставщиков, включая BorgWarner и Toyota, разработали соединительные стержни с гидравлическими или механическими системами блокировки, которые изменяют эффективную длину стержня. Удлиняя или сокращая стержень, верхняя точка сдвига центра поршня изменяется, изменяя коэффициент сжатия. Этот подход может быть компактным, но требует надежных механизмов блокировки, чтобы противостоять силам сгорания.
• Сплит-камера или вторичный поршень — Разработка MCE-5 продемонстрировала систему, в которой движущаяся коленчатая передача переключает ось коленчатого вала, эффективно изменяя коэффициент сжатия. Другая концепция использует небольшой вспомогательный поршень в головке цилиндра для изменения объема клиренса. Эти конструкции обеспечивают высокую гибкость, но часто увеличивают сложность и паразитные потери.
• Эксцентрический штифт поршня — Некоторые исследовательские двигатели использовали эксцентричный втулки в штифте поршня, который вращается, чтобы изменить эффективное расстояние между коронкой поршня и соединительным штоком, изменяя коэффициент сжатия. Этот метод механически проще, но ограничен в диапазоне регулировки.

Каждый метод имеет свои собственные компромиссы по сложности, трению, весу и контрольной реакции, но основная термодинамическая цель идентична: обеспечить максимальное сжатие, которое мгновенные условия работы могут выдержать без стука.

Как VCR повышает эффективность цикла Отто: подробный взгляд

Операция с частичной загрузкой и потери насоса

Легкое вождение составляет подавляющее большинство срока службы пассажирского транспортного средства. В обычном двигателе с фиксированным сжатием необходимость дроссельного запуска воздуха создает значительные потери накачки, поскольку поршень работает, чтобы протянуть воздух мимо частично закрытого клапана бабочки. Кроме того, низкое давление цилиндров означает, что двигатель не использует свое полное отношение расширения для извлечения энергии. Двигатель VCR решает эту проблему по-разному. При частичной нагрузке он переходит к высокому соотношению сжатия, которое увеличивает коэффициент расширения и позволяет также работать с более широким отверстием дроссельной заслонки - или даже без дросселя в сочетании с переменным временем затвора - чтобы уменьшить работу накачки дальше. Чистый результат - резкое улучшение тепловой эффективности тормоза на скоростях и нагрузках, которые доминируют в реальных циклах вождения. Данные, опубликованные Nissan, показывают, что его 2,0-литровый двигатель VC-Turbo достигает значений тепловой эффективности тормоза выше 38 процентов при определенных условиях устойчивого состояния, которые конкурируют с некоторыми дизельными двигателями без связанной сложности после обработки.

Сокращение нока и усовершенствованные режимы горения

VCR также открывает новые стратегии калибровки для управления детонацией. Вместо замедления времени искры - распространенной техники, которая сохраняет безопасность двигателя за счет эффективности - система управления может быстро снизить коэффициент сжатия при обнаружении детонации датчиками детонации. Прогресс Spark может быть проведен ближе к максимальной установке тормозного момента, поддерживая фазу сгорания, где он генерирует наиболее эффективную работу. Эта синергия между VCR и управлением искрой может привести к повышению экономии топлива на 5-8 процентов самостоятельно, согласно техническим документам SAE International, которые симулировали системы VCR в различных циклах привода. Кроме того, VCR позволяет исследовать альтернативные режимы сгорания. Однородное воспламенение сжатия заряда (HCCI) и воспламенение сжатия искры (SACI), где смесь автовоспламенения контролируемым образом при очень низких температурах, зависит от давления цилиндров и температурных историй. Двигатель VCR может адаптировать отношение сжатия для стабилизации этих неуловимых режимов сгорания, потенциально достигая сверхнизкого NOx и выбросов твердых частиц, в то же время извлекая выгоду из высокой эффективности бережлив

Переходный ответ и синергия сокращения

Современное сокращение двигателя - замена смещения турбонаддувом - повышает эффективность за счет снижения потерь накачки и трения, но также создает проблемы с низким крутящим моментом и переходной реакцией. Высокое повышение давления в малом двигателе повышает температуру конечного газа. Традиционное решение заключается в снижении геометрического коэффициента сжатия, но это приносит в жертву устойчивую крейсерскую эффективность. VCR разрешает это противоречие. Во время нажатия коэффициент сжатия на мгновение снижается, позволяя турбокомпрессору наращивать импульс, не пересекая предел стука. Как только повышение стабилизируется и нагрузка умеренная, отношение может снова подняться. Это отсоединение геометрического соотношения от эффективного давления наддува позволяет агрессивное снижение без типичного штрафа за эффективность при частичной нагрузке, эффективно укрощая компромисс, который препятствует рециркуляции турбированных газов (EGR), VCR может дополнительно подавлять стук при высокой нагрузке, позволяя еще более высокие удельные выходы мощности.

Влияние на реальный мир: потребление топлива и выбросы

Повышение эффективности, обеспечиваемое VCR, напрямую приводит к снижению расхода топлива и сокращению выбросов углекислого газа. В 5-цикловых тестах экономии топлива Агентства по охране окружающей среды США Nissan Altima, оснащенный двигателем VC-Turbo, достигает комбинированных оценок порядка 29 миль на галлон в среднем седане - сопоставимых с гибридными системами десятилетием ранее при использовании обычной автоматической коробки передач и без помощи электродвигателя. На шоссе, где преобладает плавание в устойчивом состоянии при умеренной нагрузке, преимущество высокого коэффициента сжатия становится выраженным, а некоторые модели превышают 34 миль на галлон. Официальные данные о экономии топлива можно получить в Green Vehicle Guide EPA .

Если посмотреть на весь парк, даже 5%-е снижение потребления топлива дает огромные кумулятивные преимущества. Анализ 2019 года Департаментом энергетики США подсчитал, что широкое внедрение VCR может снизить национальное потребление бензина на сотни миллионов галлонов в год. Связанное снижение выбросов CO2 составит несколько миллионов метрических тонн, помогая производителям соблюдать все более строгие стандарты выбросов парниковых газов в Северной Америке, Европе и Азии. Помимо метрик выхлопных газов, VCR также может снизить стоимость контроля выбросов вниз по течению. Стабильная, почти стоихиометрическая работа во время разогрева позволяет трехстороннему катализатору быстрее достигать своей температуры выключения света. Избегая стратегий обогащения топлива, которые часто запускаются для защиты двигателя от стука, двигатель выделяет меньше несгоревших углеводородов и меньше окиси углерода, что помогает сохранить здоровье катализатора в течение срока службы автомобиля. Департамент энергетики США продолжает финансировать исследования в этой области, с недавними наградами, подробно описанными на странице программы Advanced Combustion Systems DOE.

Наиболее заметным производственным примером остается семейство двигателей VC-Turbo от Nissan, представленное в 2018 году и предлагаемое в моделях Altima, Rogue и некоторых моделях Infiniti. Двигатель использует многорычажный коленчатый механизм и управляющий вал электродвигателя для постоянного изменения коэффициента сжатия между 8:1 и 14:1. Ранние обзоры и технические документы, в том числе представленные на Всемирном конгрессе SAE 2018, подчеркнули, что механизм добавляет только около 30 кг массы по сравнению с обычным двигателем аналогичной мощности, в то время как потери трения сопоставимы благодаря тщательной балансировке поршневых компонентов. Более подробную информацию о конструкции двигателя можно найти в технической документации 2018-01-0399 SAE .

Другие производители использовали VCR в рамках исследовательских партнерств и передовых инженерных подразделений. Toyota подала серию патентов, описывающих гидравлический соединительный стержень с переменной длиной, стремясь к более простому и легкому методу приведения в действие. BorgWarner и другие поставщики первого уровня разработали поршневые модули с переменной компрессией для дизельных двигателей коммерческих автомобилей, где способность регулировать коэффициент сжатия может облегчить требования к холодному запуску и обеспечить более эффективное торможение выхлопных газов. В секторе тяжелой промышленности программа SuperTruck II Министерства энергетики США исследовала VCR для дизельных двигателей в качестве средства достижения 55-процентной тепловой эффективности тормозов, веха, которая была зарегистрирована в обновлении SuperTruck II . Совсем недавно исследователи в Китае и Европе продемонстрировали VCR на одноцилиндровых исследовательских двигателях с использованием передовых алгоритмов управления, которые могут реагировать менее чем за 100 миллисекунд, приближаясь к скоростям, необходимым для временной работы производства.

Переменное сжатие также обещает адаптацию к синтетическому топливу и смесям обогащенного водородом природного газа. Поскольку реактивность топлива и сопротивление детонации различаются, регулируемое сжатие позволяет оператору флота принимать различные топливные партии без перекалибровки двигателя. Этот гибкий атрибут топлива может стать важным, поскольку энергетический сектор переходит к низкоуглеродистым жидким топливам, которые должны сосуществовать с устаревшей нефтяной инфраструктурой. В двигателях с искровым воспламенением водорода, которые склонны к преждевременному зажиганию и детонации при высоких пределах воспламеняемости водорода, VCR может управлять этими рисками, сохраняя высокую эффективность, которую предлагает водород. Министерство энергетики США продолжает финансировать исследования в этой области, с недавними наградами, подробно описанными на странице программы Advanced Combustion Systems DOE.