Silnik Mazda SkyActiv G - benzyna i SkyActiv D - olej napędowy

Producenci samochodów dążą do zmniejszenia emisji CO₂ różnie. Czasami to na przykład o kompromisy odsuwają radość z jazdy na uboczu. Mazda zdecydowała się jednak pójść w innym kierunku i ograniczyć emisje dzięki nowemu rozwiązaniu typu „wszystko w jednym”, które nie odbiera przyjemności z jazdy. Oprócz nowej konstrukcji silników benzynowych i wysokoprężnych rozwiązanie obejmuje również nowe podwozie, nadwozie i skrzynię biegów. Zmniejszenie masy całego pojazdu idzie w parze z nową technologią.

Ostatnie badania pokazują, że konwencjonalne silniki spalinowe będą nadal dominować w świecie motoryzacji przez kolejne 15 lat, dlatego warto nadal inwestować wiele wysiłku w ich rozwój. Jak wiadomo, większość energii chemicznej zawartej w paliwie nie jest zamieniana na pracę mechaniczną podczas spalania, ale dosłownie odparowuje w postaci ciepła odpadowego przez rury wydechowe, chłodnicę itp., a także wyjaśniają straty spowodowane tarciem części mechaniczne silnika. Opracowując nową generację silników benzynowych i wysokoprężnych SkyActiv, inżynierowie z Hiroszimy w Japonii skupili się na sześciu głównych czynnikach, które wpływają na wynikające z tego zużycie i emisje:

• Stopień sprężania,
• stosunek paliwa do powietrza,
• czas trwania fazy spalania mieszanki,
• czas fazy spalania mieszanki,
• straty pompowania,
• tarcie części mechanicznych silnika.

W przypadku silników benzynowych i wysokoprężnych najważniejszymi czynnikami zmniejszającymi emisje i zużycie paliwa okazały się stopień sprężania i redukcja strat tarcia.

Silnik SkyActiv D

Silnik o pojemności 2191 cm14,0 jest wyposażony w wysokociśnieniowy układ wtrysku Common Rail z wtryskiwaczami piezoelektrycznymi. Charakteryzuje się niezwykle niskim stopniem sprężania wynoszącym zaledwie 1:16 dla oleju napędowego. Doładowanie zapewnia para turbosprężarek różnej wielkości, co pozytywnie wpływa na zmniejszenie opóźnienia reakcji silnika na wciśnięcie pedału przyspieszenia. Rozrząd zaworowy aktywuje zmienny skok zaworów wydechowych, co prowadzi do szybszego nagrzewania zimnego silnika, ponieważ część spalin wraca do cylindrów. Ze względu na niezawodny rozruch na zimno i stabilne spalanie w fazie nagrzewania, konwencjonalne silniki wysokoprężne wymagają wysokiego stopnia sprężania, który zwykle mieści się w zakresie od 1:18 do 1:14,0. Niski stopień sprężania 1:2 dla SkyActiv -D silnik pozwala zoptymalizować czas procesu spalania. Wraz ze spadkiem stopnia sprężania, temperatura i ciśnienie w cylindrze również spadają w górnym martwym punkcie. W takim przypadku mieszanka spala się dłużej, nawet jeśli paliwo jest wtryskiwane do cylindra tuż przed osiągnięciem górnego martwego punktu. W wyniku przedłużonego spalania w mieszance palnej nie powstają obszary z niedoborem tlenu, a temperatura pozostaje jednolita, dzięki czemu powstawanie NOx i sadzy jest znacznie wyeliminowane. Dzięki wtryskowi paliwa i spalaniu w pobliżu górnego martwego punktu silnik jest bardziej wydajny. Oznacza to bardziej efektywne wykorzystanie energii chemicznej zawartej w paliwie oraz większą pracę mechaniczną na jednostkę paliwa niż w przypadku silnika wysokoprężnego o wysokim stopniu sprężania. Rezultatem jest zmniejszenie zużycia oleju napędowego i logicznej emisji CO20 o ponad 2,2% w porównaniu z silnikiem 16 MZR-CD pracującym ze stopniem sprężania 1:6. Dzięki temu, nawet bez dodatkowego systemu usuwania NOx, silnik spełnia normę emisji spalin Euro 2015, która wejdzie w życie w XNUMX roku. Tak więc silnik nie wymaga selektywnej redukcji katalitycznej ani katalizatora eliminującego NOx.

Ze względu na niskie sprężenie silnik nie jest w stanie wytworzyć wystarczająco wysokiej temperatury, aby zapalić mieszankę podczas zimnych rozruchów, co może prowadzić do bardzo problematycznego rozruchu i przerywanej pracy silnika, szczególnie w zimie. Z tego powodu SkyActiv-D jest wyposażony w ceramiczne świece żarowe i zawór wydechowy VVL o zmiennym skoku. Pozwala to na wewnętrzną recyrkulację gorących spalin w komorze spalania. Pierwszy zapłon wspomagany jest świecą żarową, która wystarcza, aby spaliny osiągnęły wymaganą temperaturę. Po uruchomieniu silnika zawór wydechowy nie zamknie się jak normalny silnik dolotowy. Zamiast tego pozostaje uchylony, a gorące spaliny wracają do komory spalania. Podnosi to w nim temperaturę, a tym samym ułatwia późniejszy zapłon mieszanki. Dzięki temu silnik pracuje płynnie i bez przerwy od pierwszej chwili.

W porównaniu z silnikiem wysokoprężnym 2,2 MZR-CD tarcie wewnętrzne zostało również zmniejszone o 25%. Znajduje to odzwierciedlenie nie tylko w dalszej redukcji ogólnych strat, ale także w szybszej reakcji i poprawie wydajności. Kolejną zaletą niższego stopnia sprężania jest niższe maksymalne ciśnienie w cylindrze, a tym samym mniejsze obciążenie poszczególnych elementów silnika. Z tego powodu nie ma potrzeby stosowania tak solidnej konstrukcji silnika, co skutkuje dalszymi oszczędnościami masy. Głowica cylindrów ze zintegrowanym kolektorem ma cieńsze ścianki i waży o trzy kilogramy mniej niż wcześniej. Aluminiowy blok cylindrów jest o 25 kg lżejszy. Masa tłoków i wału korbowego została zmniejszona o kolejne 25 procent. Dzięki temu całkowita masa silnika SkyActiv-D jest o 20% mniejsza niż dotychczas stosowanego silnika 2,2 MZR-CD.

Silnik SkyActiv-D wykorzystuje dwustopniowe doładowanie. Oznacza to, że jest wyposażony w jedną małą i jedną dużą turbosprężarkę, z których każda działa w innym zakresie prędkości. Mniejszy jest używany przy niskich i średnich obrotach. Dzięki mniejszej bezwładności części wirujących poprawia krzywą momentu obrotowego i eliminuje tzw. efekt turbo, czyli opóźnienie reakcji silnika na nagły skok akceleratora przy niskich obrotach, gdy nie ma wystarczającego ciśnienia w spalinach . odgałęzienie do szybkiego obracania turbiny turbosprężarki. W przeciwieństwie do tego większa turbosprężarka jest w pełni zaangażowana w średnim zakresie prędkości. Razem obie turbosprężarki zapewniają silnikowi płaską krzywą momentu obrotowego przy niskich obrotach i wysoką moc przy wysokich obrotach. Dzięki wystarczającemu dopływowi powietrza z turbosprężarek w szerokim zakresie prędkości, emisje NOx i cząstek stałych są ograniczone do minimum.

Do tej pory na Europę produkowane są dwie wersje silnika 2,2 SkyActiv-D. Mocniejszy ma moc maksymalną 129 kW przy 4500 obr/min i maksymalny moment obrotowy 420 Nm przy 2000 obr/min. Słabszy ma 110 kW przy 4500 obr/min i moment obrotowy 380 Nm w zakresie 1800-2600 obr/min, przy max. prędkość obrotowa obu silników wynosi 5200. W praktyce silnik do 1300 obr/min pracuje dość ociężale, od tej granicy zaczyna nabierać prędkości, natomiast do normalnej jazdy wystarczy utrzymać ją na poziomie około 1700 obr/min lub więcej nawet dla potrzeby płynnego przyspieszania.

Silnik SkyActiv G

Wolnossący silnik benzynowy, oznaczony jako Skyactiv-G, ma niezwykle wysoki stopień sprężania 14,0:1, obecnie najwyższy w produkowanym seryjnie samochodzie osobowym. Zwiększenie stopnia sprężania zwiększa sprawność cieplną silnika benzynowego, co ostatecznie oznacza niższe wartości CO2, a co za tym idzie mniejsze zużycie paliwa. Zagrożeniem związanym z wysokim stopniem sprężania w przypadku silników benzynowych jest tzw. spalanie stukowe – detonacja i wynikająca z tego redukcja momentu obrotowego oraz nadmierne zużycie silnika. Aby zapobiec spalaniu stukowemu mieszanki ze względu na wysoki stopień sprężania, silnik Skyactiv-G wykorzystuje redukcję ilości oraz ciśnienia resztkowych gorących gazów w komorze spalania. Dlatego stosowana jest rura wydechowa w konfiguracji 4-2-1. Z tego powodu rura wydechowa jest stosunkowo długa, co skutecznie zapobiega powrotowi spalin do komory spalania natychmiast po ich wypuszczeniu. Wynikający z tego spadek temperatury spalania skutecznie zapobiega występowaniu spalania detonacyjnego – detonacji. Kolejnym sposobem zapobiegania detonacji jest skrócenie czasu spalania mieszanki. Szybsze spalanie mieszanki oznacza krótszy czas, w którym niespalona mieszanka paliwowo-powietrzna jest narażona na działanie wysokich temperatur, dzięki czemu w ogóle nie ma czasu na detonację. Dolna część tłoków posiada również specjalne wgłębienia, dzięki którym płomienie palącej się mieszanki tworzące się w wielu kierunkach mogą się rozszerzać bez krzyżowania się, a układ wtryskowy wyposażono również w nowo opracowane wtryskiwacze wielootworowe, co pozwala na paliwo do atomizacji.

Konieczne jest również zmniejszenie tzw. strat pompowania w celu zwiększenia sprawności silnika. Dzieje się tak przy niższych obciążeniach silnika, gdy tłok zasysa powietrze podczas ruchu w dół podczas fazy ssania.Ilość powietrza wchodzącego do cylindra jest zwykle kontrolowana przez przepustnicę umieszczoną w przewodzie dolotowym. Przy lekkim obciążeniu silnika wymagana jest tylko niewielka ilość powietrza. Zawór dławiący jest prawie zamknięty, co prowadzi do tego, że ciśnienie w przewodzie dolotowym i cylindrze jest niższe od atmosferycznego. Dlatego tłok musi pokonać znaczne podciśnienie - prawie próżnię, co negatywnie wpływa na zużycie paliwa. Projektanci Mazdy zastosowali bezstopniową regulację faz rozrządu zaworów dolotowych i wydechowych (S-VT), aby zminimalizować straty na pompie. System ten pozwala kontrolować ilość powietrza dolotowego za pomocą zaworów zamiast przepustnicy. Przy niskich obciążeniach silnika wymagana jest bardzo mała ilość powietrza. W ten sposób system zmiennych faz rozrządu utrzymuje otwarte zawory dolotowe na początku fazy sprężania (kiedy tłok się podnosi) i zamyka je dopiero wtedy, gdy w cylindrze znajdzie się wymagana ilość powietrza. Tym samym system S-VT ostatecznie zmniejsza straty pompowania o 20% i poprawia efektywność procesu spalania. Podobne rozwiązanie od dawna stosuje BMW, nazywając ten system Podwójny VANOS.

Podczas korzystania z tego układu regulacji ilości powietrza dolotowego istnieje ryzyko niewystarczającego spalania mieszanki z powodu niższego ciśnienia, ponieważ zawory dolotowe pozostają otwarte na początku fazy sprężania. W tym zakresie inżynierowie Mazdy zastosowali wysoki stopień sprężania silnika Skyactiv G wynoszący 14,0:1, co oznacza wyższą temperaturę i ciśnienie w cylindrze, dzięki czemu proces spalania pozostaje stabilny, a silnik pracuje bardziej ekonomicznie.

Niskiej sprawności silnika sprzyja także lekka konstrukcja i mniejsze tarcie mechaniczne części ruchomych. W porównaniu z zainstalowanym silnikiem benzynowym 2,0 MZR, silnik Skyactiv G ma o 20% lżejsze tłoki, o 15% lżejsze korbowody i mniejsze łożyska główne wału korbowego, co zapewnia całkowitą redukcję masy o 10%. Dzięki zmniejszeniu o połowę tarcia zaworów i pierścieni tłokowych o prawie 40%, całkowite tarcie mechaniczne silnika zostało zmniejszone o 30%.

Wszystkie wymienione modyfikacje zaowocowały lepszą manewrowością silnika przy niskich i średnich obrotach oraz 15% zmniejszeniem zużycia paliwa w porównaniu z klasycznym 2,0 MZR. Obecnie te ważne emisje CO2 są nawet niższe niż w przypadku obecnie używanego silnika wysokoprężnego 2,2 MZR-CD. Zaletą jest również zastosowanie klasycznej benzyny BA 95.

Wszystkie silniki benzynowe i wysokoprężne SkyActiv w Europie będą wyposażone w system i-stop, czyli system stop-start, który automatycznie wyłącza silnik po zatrzymaniu. Inne systemy elektryczne, hamowanie rekuperacyjne itp.