Design Solutions of Variable Compression Ratio in Internal Combustion Piston Engines
Keywords:
INTERNAL COMBUSTION PISTON ENGINE, VARIABLE COMPRESSION RATIO, CONROD-FREE ENGINE, FUEL ECONOMYAbstract
The work is dedicated to constructive solutions of variable compression ratio in internal combustion piston engines.
The article discusses the main approaches to changing the compression ratio in internal combustion piston engines. The advantages and disadvantages of each group of design solutions are identified. The prospects for further development of mechanisms for changing the compression ratio are determined.
The compression ratio increase in an internal combustion engine contributes to an increase in the overall engine efficiency and fuel economy. The maximum value of the compression ratio depends on the conditions inside the combustion chamber and is selected individually for each engine model, ensuring knock-free combustion of the fuel-air mixture under high engine load. However, most of the time, car engines operate under partial load conditions, i. e., with lower efficiency, which leads to the higher fuel consumption and deteriorating environmental characteristics.
One way to increase the efficiency of internal combustion engines at partial loads is to use mechanisms for changing the compression ratio. The developments of companies such as TOYOTA, PORSCHE, and HILITE in creating a variable length connecting rod are of interest. The implementation of such a connecting rod design theoretically can provide maximum benefits compared to other approaches.
The most promising development is the work of the Automobile and Road Institute of «Donetsk National Technical University» in creating a mechanism for changing the compression ratio, which is implemented in a conrod-free engine with a crank-slider mechanism in the form of a power hydraulic cylinder connected on one side to the piston and on the other side to the crank-slider mechanism. Theoretical studies of a gasoline conrod-free engine have shown an improvement in economic characteristics under partial loads by 15–20 %.
References
Андрусенко, Е. И. Двигатель Ленуара (к 150-летию изобретения двигателя внутреннего сгорания) / Е. И. Андрусенко, А. П. Калинин // Двигателестроение. – 2010. – № 3(241). – С. 38–44. – EDN MVCDGZ.
Матюхин, Л. М. Термодинамический анализ зависимости среднего давления цикла Отто от способа изменения степени сжатия /
Л. М. Матюхин // Автомобиль. Дорога. Инфраструктура : электронный научный журнал. – 2023. – № 2(36). – EDN OLUEXA.
Shaik, A. Variable compression ratio engine: A future power plant for automobiles – An overview / A. Shaik, N. S. V. Moorthi, R. Rudramoorthy // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part D Journal of Automobile Engineering. – 2007. – № 221(9). – P. 1159–1168. – DOI: 10.1243/09544070JAUTO573.
Hoeltgebaum, T. Reconfigurability of Engines: A Kinematic approach to Variable Compression Ratio Engines / T. Hoeltgebaum, R. Simoni, D. Martins / Mechanism and Machine Theory. – 2016. – Vol. 96, №. 2. – P. 308–322.
Drangel, H. The Variable Compression (SVC) and the Combustion Control (SCC) – Two Ways to Improve Fuel Economy and Still Comply with World-Wide Emission Requirements / H. Drangel, E. Olofsson, R. Reinmann. – Текст : электронный // SAE Technical Paper Series. – 2002-01-0996. – URL: https://www.sci-hub.ru/10.4271/2002-01-0996 .
Wittek, K. Development of a Two-stage Variable Compression Ratio Engine / K. Wittek, C. Tiemann, S. Pischinger. – Текст : электронный // FEV Group GmbH. – URL: https://www.fev.com/fileadmin/user_upload/Media/TechnicalPublications/Gasoline_Systems/ TwoStageVariableCompressionRatiowithEccentricPistonPin.pdf (дата обращения: 01.04.2024).
Variable Compression Ratio – in a Technology Competition? / G. Fraidl, P. Kapus, H. Melde [et al.]. – Текст : электронный // 37th International Vienna Motor Symposium 28th–29th April 2016. – 30 р. – URL: https://www.avl.com/documents/10138/2703308/05.16_PTE_brochure_web_2-step+Variable+Geometric+Compression_EN .
Wittek, K. Characterization of the system behaviour of a variable compression ratio (VCR) connecting rod with eccentrically piston pin suspension and hydraulic moment support / K. Wittek, F. Geiger, Marilia G. Justino Vaz // Energy Conversion and Management. – 2020. – № 213. – DOI: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2020.112814.
Марков, В. А. Системы регулирования степени сжатия двигателей внутреннего сгорания. Часть 1 / В. А. Марков, Н. Д. Чайнов, А. В. Гуртовой // Грузовик. – 2016. – № 7. – С. 3–12. – EDN WFRYVZ.
Кутенев, В. Ф. Выбор схемы и определение размеров основных элементов силового механизма траверсного балансирного двигателя /
В. Ф. Кутенев, Г. Г. Тер-Мкртичьян // Труды НАМИ. – 1991. – № 1. – С. 11–24. – EDN TZPVLX.
Mizuno, H. Nissan gasoline engine strategy for higher thermal efficiency / H. Mizuno // Combustion Engines. – 2017. – Vol. 169(2). – P. 141–145. – DOI: 10.19206/CE-2017-225.
Seung, Woo Kwak. Kinematic Conceptual Design of In-Line Four-Cylinder Variable Compression Ratio Engine Mechanisms Considering Vertical Second Harmonic Acceleration / Seung Woo Kwak, Jae Kyung Shim, Young Kwang Mo. – Текст : электронный // Applied Sciences. – 2020. – № 10(11). – DOI: 10.3390/app10113765.
Авторское свидетельство № 945483 A1 СССР, МПК F02B 75/04, F02D 15/04. Поршень, автоматически регулирующий степень сжатия :
№ 2948430 : заявл. 30.06.1980 : опубл. 23.07.1982 / В. Н. Скареднов. – Текст : электронный ; заявитель Предприятие П/Я Р-6197. – URL: https://yandex.ru/patents/doc/SU945483A1_19820723 .
Авторское свидетельство № 939799 A1 СССР, МПК F02B 75/04, F02D 15/04. Поршень, автоматически регулирующий степень сжатия : № 3009920 : заявл. 28.11.1980 : опубл. 30.06.1982 / Б. А. Шароглазов, Ю. М. Зарочинцев. – Текст : электронный ; заявитель Челябинский политехнический институт им. Ленинского комсомола. – URL: https://yandex.ru/patents/doc/SU939799A1_19820630 .
Конструкция поршня, автоматически регулирующего степень сжатия, для карбюраторного двигателя / Н. А. Семернин,
С. А. Нармагамбетов, А. Т. Бекболова, Г. У. Куралбек // Современные автомобильные материалы
и технологии (САМИТ-2013) : сборник статей V Международной научно-технической конференции, Курск, 30 ноября 2013 года / Е. В. Агеев (ответственный редактор). – Курск : Юго-Западный государственный университет, 2013. – С. 133–146. – EDN VMMSND.
Study on selected parameters of engine with the active combustion chamber / M. Glogowski, M. Wozniak, T. Szydłowski, K. Siczek // Combustion Engines. – 2023. – Vol. 194(3). – Р. 3–12. – DOI: https://doi.org/10.19206/CE-165830.
Мищенко, Н. И. Нетрадиционные малоразмерные двигатели внутреннего сгорания. В 2 томах. Том 1. Теория, разработка и испытание нетрадиционных двигателей внутреннего сгорания / Н. И. Мищенко. – Донецк : Лебедь, 1998. – 228 с. – ISBN 966-508-181-0.
Оценка показателей двигателя легкового автомобиля с новым механизмом изменения степени сжатия / Н. И. Мищенко, А. И. Петров,
С. Е. Волков, Д. Д. Ромашов // Актуальные проблемы науки и техники. 2023 : материалы Всероссийской (национальной) научно-практической конференции, Ростов-на-Дону, 15–17 марта 2023 года / ответственный редактор Н. А. Шевченко. – Ростов-на-Дону : Донской государственный технический университет, 2023. – С. 598–599. – EDN HLURCD.
