Ступінь стиснення двигуна внутрішнього згоряння тісно пов'язана з к.к.д. У бензинових двигунах ступінь стиснення обмежується областю детонаційного згоряння. Ці обмеження мають особливе значення для роботи двигуна на повних навантаженнях, в той час як на часткових навантаженнях висока ступінь стиснення не викликає небезпеки детонації. Для збільшення потужності двигуна і підвищення економічності бажано знижувати ступінь стиснення, однак якщо ступінь стиснення буде малою для всіх діапазонів роботи двигуна, це призведе до зниження потужності і збільшення витрати палива на часткових навантаженнях. При цьому значення ступеня стиснення, як правило, вибираються набагато нижче тих величин, при яких досягаються найбільш економічні показники роботи двигунів. Завідомо погіршуючи економічність двигунів, ця обставина особливо сильно проявляється при роботі на часткових навантаженнях. Тим часом, зниження наповнення циліндрів горючою сумішшю, збільшення відносної кількості залишкових газів, зменшення температури деталей і т.п. створюють можливості для підвищення ступеня стиснення при часткових навантаженнях з метою підвищення економічності двигуна і збільшення його потужності. Щоб вирішити таку компромісну задачу, розробляються варіанти двигунів зі змінною ступенем стиснення.
Повсюдне застосування в конструкціях двигунів систем наддуву зробило напрямок цієї роботи ще більш актуальним. Справа в тому, що при наддуванні значно збільшуються механічні та теплові навантаження на деталі двигуна, в зв'язку з чим їх доводиться посилювати, підвищуючи масу всього двигуна в цілому. При цьому, як правило, термін служби деталей, що працюють при більш навантаженому режимі, скорочується, а надійність двигуна знижується. У разі переходу на змінну ступінь стиснення робочий процес в двигуні при наддуванні можна організувати так, що за рахунок відповідного зниження ступеня стиснення при будь-яких тисках наддуву максимальні тиску робочого циклу (тобто ефективність роботи) будуть залишатися незмінними або будуть змінюватися незначно. При цьому, незважаючи на збільшення корисної роботи за цикл, а, отже, і потужності двигуна, максимальні навантаження на його деталі можуть не збільшуватися, що дозволяє форсувати двигуни без впровадження змін в їх конструкцію.
Дуже істотним для нормального протікання процесу згоряння в двигуні зі змінною ступенем стиснення є правильний вибір форми камери згоряння, що забезпечує найбільш короткий шлях поширення полум'я. Зміна фронту поширення полум'я повинно бути дуже оперативним, щоб враховувати різні режими роботи двигуна при експлуатації автомобіля. З огляду на застосування додаткових деталей в кривошипно-шатунного механізму, необхідно також розробляти системи з малим коефіцієнтом тертя, щоб не втратити переваг при застосуванні змінюється ступеня стиснення.
Один з найбільш поширених варіантів двигуна зі змінною ступенем стиснення показаний на рис. 1
Малюнок 1 - Схема двигуна зі змінною ступенем стиснення:
1 - шатун; 2 - поршень; 3 - ексцентриковий вал; 4 - додатковий шатун; 5 - шатунная шийка колінчастого вала; 6 - коромисло
На часткових навантаженнях додатковий шатун 4 займає крайнє нижнє положення і піднімає зону робочого ходу поршня. Ступінь стиснення при цьому максимальна. При високих навантаженнях ексцентрик на валу 3 піднімає вісь верхньої головки додаткового шатуна 4. При цьому збільшується надпоршневій зазор і зменшується ступінь стиснення.
У 2000 році в Женеві був представлений експериментальний бензиновий двигун фірми SAAB із змінним ступенем стиснення. Його унікальні особливості дозволяють досягати потужності в 225 к.с. при робочому обсязі в 1,6 л. і зберігати витрата палива можна порівняти з удвічі меншим двигуном. Можливість безшаговий зміни робочого об'єму дозволяє двигуну працювати на бензині, дизельному паливі або на спирті.
Циліндри двигуна і головка блоку виконані як моноблок, т. Е. Єдиним блоком, а не окремо як у звичайних двигунів (рис. 2). Окремий блок являє собою також блок-картер і шатунно-поршнева група. Моноблок може переміщатися в блок-картері. Ліва сторона моноблока при цьому спирається на розташовану в блоці вісь 1, що служить шарніром, права сторона може підніматися або опускатися за допомогою шатуна 3 керованого ексцентриковим валом 4. Для герметизації моноблока і блок-картера передбачений гофрований гумовий чохол 2.
Малюнок 2 - Двигун зі змінною ступенем стиснення SAAB:
1 - вісь; 2 - гумовий чохол; 3 - шатун; 4 - ексцентриковий вал.
Ступінь стиснення змінюється при нахилі моноблока щодо блок-картера за допомогою гідроприводу при незмінному ході поршня. Відхилення моноблока від вертикалі призводить до збільшення обсягу камери згоряння, що викликає зниження ступеня стиснення.
При зменшенні кута нахилу ступінь стиснення підвищується. Максимальна величина відхилення моноблока від вертикальної осі - 4%.
На мінімальній частоті обертання колінчастого вал і скиданні подачі палива, а також при малих навантаженнях, моноблок займає саме нижнє положення, в якому обсяг камери згоряння мінімальний (ступінь стиснення - 14). Система наддуву відключається, і повітря надходить в двигун безпосередньо (рис. 3а).
Під навантаженням, за рахунок повороту ексцентрикового вала, шатун відхиляє моноблок в сторону, і обсяг камери згоряння збільшується (ступінь стиснення - 8). При цьому зчеплення підключає нагнітач, і повітря починає надходити в двигун під надлишковим тиском (рис. 3б).
Малюнок 3 - Зміна подачі повітря в двигун SAAB при різних режимах:
а - на малій частоті обертання колінчастого вала; б - на навантажувальних режимах.
Оптимальна ступінь стиснення розраховується блоком управління електронної системи з урахуванням частоти обертання колінчастого вала, ступеня навантаження, виду палива і ін. Параметрів.
У зв'язку з необхідністю швидкого реагування на зміну ступеня стиснення в даному двигуні довелося відмовитися від турбокомпресора на користь механічного наддуву з проміжним охолодженням повітря з максимальним тиском наддуву 2,8 кгс / см2.
Витрата палива для розробленого двигуна на 30% менше, ніж у звичайного двигуна такого ж обсягу, а показники по токсичності відпрацьованих газів відповідають чинним нормам.