Skyactiv X z nagrodą Auto Motor und Sport Technology Award

Najnowocześniejszy silnik Mazdy zdobywa nagrodę założyciela mediów Paula Pietscha

Każdego roku media motoryzacyjne i sportowe wręczają nagrodę Paul Pitch International Technology Innovation Award. W czasach, gdy mobilność elektryczna jest coraz częściej postrzegana jako zamiennik silnika spalinowego, nagrodę Paula Pietscha 2020 przyznano właśnie za taki silnik cieplny. Ma jednak charakter awangardowy. Żadna inna firma nie osiągnęła takiego połączenia tworzenia jednorodnej mieszanki, jak w przypadku silnika benzynowego, i samozapłonu, jak w przypadku silnika wysokoprężnego, z zaletami obu typów silników w modelu produkcyjnym. Jest to okazja, aby ponownie powiedzieć o tym, jak działa to urządzenie.

Dzięki ciśnieniu wtrysku benzyny jak w silniku Diesla, zapłonowi świecy zapłonowej, samozapłonowi, ciągle zmieniającemu się „λ”, Skyactiv X to prawdziwa rewolucja w branży motoryzacyjnej.

Rozwój Mazdy w branży silników HCCI trwa od ponad 30 lat i opiera się w dużej mierze na niezwykle dogłębnej analizie procesów paliwowych przy opracowywaniu silnika Wankel. Na tej podstawie szkolonych jest kilka pokoleń inżynierów, co powoduje wiele bólów głowy i problemów, ale także przynosi duże doświadczenie.

To właśnie w czeluściach silnika rotacyjnego odkryto pierwsze prototypy maszyn o jednorodnym mieszaniu i samozapłonie. Silnik Wankla służy również jako platforma do rozwoju różnych technologii związanych z turbosprężarką - jest to RX-7, który wprowadza elementarne turbosprężarki VNT, turbiny dwustrumieniowe i kaskadowe tankowanie w silniku benzynowym, który był używany tylko przez Porsche.

Pliki X.

Jednak bezpośrednią bazą obecnego Skyactiv X jest sprawdzona już nowa generacja maszyn benzynowych Skyactiv G i Skyactiv D. Jeśli przyjrzeć się rozwiązaniom zaprezentowanym w tych urządzeniach, nieuchronnie stwierdzi się, że są one w pewnym stopniu „zrealizowane”. „W nowym zakładzie SPCCI, z doświadczenia zdobytego przy analizie komór spalania pod kątem turbulencji przepływu.

Zgodnie z tą hipotezą sprawność Skyactiv X przewyższa sprawność silnika benzynowego 2ZR-FXE napędzanego przez Toyotę Prius (w cyklu Atkinsona) o 39 procent, ale sama Mazda zdaje sobie sprawę, że ten maksymalny punkt nie jest najważniejszy punkt. Przez większość czasu silnik pracuje przy częściowym obciążeniu, a średnia wydajność silnika benzynowego dramatycznie spada. Dzięki temu, że w większości przypadków Skyactiv X pracuje z szeroko otwartym zaworem motylkowym, straty na pompie są znacznie zmniejszone, a średnia wydajność wzrasta. To, w połączeniu z wysokim stopniem kompresji, skutkuje wzrostem wydajności połączenia.

Wielkim osiągnięciem inżynierów Mazdy jest fakt, że ich Skyactiv X działa w jednolitej mieszance i trybie samozapłonu w bardzo szerokim zakresie prędkości i obciążeń. W praktyce łączy procesy stosowane nie tylko w silnikach wysokoprężnych i benzynowych, ale także podobne procesy w silnikach wysokoprężnych i silnikach benzynowych z mieszankami ubogimi. W tym ostatnim powstają również normalne i złe sekcje, ale w przeciwieństwie do nich, gdzie proces zachodzi całkowicie z frontem błysku, w przypadku Mazdy słaba mieszanina spontanicznie zapala się za pomocą świecy zapłonowej.

Co dzieje się w Skyactiv X? Wszystkie silniki eksperymentalne działające na podstawie dotychczasowego reżimu HCCI opierają się na bardzo wyrafinowanej kontroli samozapłonu (opartej na cieple i ciśnieniu podczas sprężania oraz wstępnych reakcji chemicznych między paliwem, gazami i powietrzem) o niestabilnych parametrach roboczych w wielu trybach. do normalnej pracy silnika. Silnik Mazdy zawsze używa świecy zapłonowej jako inicjatora spalania. Różnica od normalnej pracy silnika benzynowego polega jednak na późniejszych zdarzeniach. Dzięki temu przejście do różnych trybów staje się znacznie bardziej zrównoważone, a ta metoda sterowania w trybie HCCI prowadzi do stabilnego i stabilnego procesu.

Rzeczy w teorii

Skyactiv X oparty jest na czterocylindrowym, dwulitrowym Skyactiv G z wypełnieniem atmosferycznym, co samo w sobie stanowi dobry fundament o wysokiej wydajności. Ponadto ma roboczą objętość 0,5 litra na cylinder, optymalną pod względem prędkości procesów spalania. Aby stworzyć warunki do pracy w trybie HCCI, współczynnik kompresji geometrycznej zwiększono do 16,3: 1. Zatem mieszanina gęstnieje do temperatury zbliżonej do temperatury samozapłonu większości frakcji benzyny ze średnią liczbą oktanową 95H i normalną temperaturą pracy silnika.

Na podstawie danych z kilku czujników, wśród których kluczowe są cztery czujniki ciśnienia na każdym cylindrze, komputer decyduje, który tryb pracy wybrać. Ta ostatnia jest określana na podstawie kilku stref funkcjonalnych, w zależności od prędkości obrotowej i obciążenia (innymi słowy stopnia wciśnięcia pedału przyspieszenia) silnika. Za pomocą specjalnego modułu wirowego o nazwie SCV (w tym specjalnego zaworu sterującego powietrzem w jednym z otworów wlotowych) wokół osi cylindra powstaje intensywny przepływ turbulentny. W zależności od warunków i na podstawie porównania krzywych narastania ciśnienia sprężania i spalania oraz wielu innych parametrów na predefiniowanych „mapach”, wtryskiwacz wieloportowy wtryskuje paliwo pod ciśnieniem zbliżonym do tych z pierwszej generacji diesli Common Rail systemy. - od 300 do 1200 bar - w kilku porcjach. Odbywa się to od jednego długiego impulsu (w normalnym procesie spalania) do kilku impulsów podczas suwu ssania i sprężania (w trybie samozapłonu). Oczywiście, rekordowe dla silnika benzynowego ciśnienie wtrysku jest również kluczowym elementem w tworzeniu mieszanki. Powstaje jednak logiczne pytanie – jak zmieni się cały zestaw parametrów, czy i kiedy przełączyć się na niższą moc silnika i turbodoładowanie, przy wzroście ciśnienia w cylindrze, a także przy konieczności zwiększenia porcji paliwa…

Wszystko dzieje się szybciej.

Patent Mazdy SPCCI ma 44 strony i szczegółowo opisuje, że samochód przez znaczną część czasu pracuje w trybie automatycznego zapłonu świecy zapłonowej (SPCCI). Sterowanie opiera się na kilku trybach samozapłonu SPCCI podczas jego pracy - jeden z mieszanką przeważnie ubogą, przeważnie mieszanką normalną i lekko bogatą. We wszystkich przypadkach konfiguracja wtrysku i wirowania tworzy warstwy o różnym składzie (rozwarstwienie) koncentrycznie wokół osi, z bogatszą strefą wewnętrzną (stosunek powietrza do paliwa około 14,7-20:1) i uboższą strefą zewnętrzną (35). -50:1). Wewnętrzna ma wystarczającą „palność”, a zewnętrzna osiągnęła prawie krytyczną temperaturę samozapłonu w pobliżu górnego martwego punktu tłoka podczas sprężania. Iskra świecy zapłonowej inicjuje zapłon strefy wewnętrznej, powodując gwałtowny wzrost temperatury i ciśnienia, a to powoduje samorzutne zapalenie pozostałych w tym samym czasie. Ponieważ nie ma frontu zapłonu, występuje on w temperaturach poniżej progu powstawania tlenków azotu, co drastycznie zmniejsza obecność tlenków azotu, a słaba jednorodna mieszanka zapewnia pełniejsze spalanie i bardzo niski poziom cząstek stałych, tlenku węgla i węglowodory.

W zależności od warunków pracy – takich jak średnia prędkość i duże obciążenie, a we wszystkich przypadkach przy dużej prędkości – włącza się sprężarka mechaniczna, aby pomóc dostarczyć więcej powietrza i jeszcze bardziej zubożyć mieszankę. Chociaż jego celem nie jest zwiększenie mocy, przyczynia się do dobrych właściwości dynamicznych samochodu. W patencie wspomniano również, że samochód mógłby być turbodoładowany, a logicznie rzecz biorąc, niższa temperatura spalin mogłaby pozwolić na zastosowanie turbiny o zmiennej geometrii. Na razie jednak sterowanie za pomocą bardziej responsywnego kompresora mechanicznego stało się łatwiejsze (o ile taka definicja jest kompatybilna ze Skyactiv X). Zdaniem inżynierów Mazdy zastosowanie turbosprężarki może nastąpić w późniejszym terminie.

Należy zauważyć, że udało im się stworzyć coś, czego nikt inny nie był w stanie zrobić - przynajmniej nie w formie seryjnej. Wiele parametrów czujników porównuje się z zaprogramowanymi zachowaniami przy wyborze trybu, ale faktem jest, że w praktyce znak „SPCCI Mode” pojawia się na wyświetlaczu Mazdy przez większość czasu, nawet przy bardzo niskich i bardzo wysokich zakresach obrotów – nawet przy bardzo niskich obr./min Mazda3 płynnie wjeżdża na szósty bieg.

Jak to się dzieje w prawdziwym życiu?

Po tak długiej części teoretycznej przyszedł wreszcie czas na odpowiedź na pytanie – do czego to wszystko ostatecznie prowadzi w praktyce. Podobnie jak jego odpowiednik z silnikiem benzynowym, samochód łatwo przyspiesza i szybko reaguje. Podczas testów obejmujących podjazdy i zakręty w wąwozie Iskar, normalny tryb międzymiastowy i autostradowy, Mazda 3 Skyactiv X utrzymuje zużycie w granicach około 5,2 l/100 km. Średnie zużycie testowe osiągnięte przez kolegów w Niemczech wynosi 6,6 l/100 km, ale obejmuje to również jazdę z dużą prędkością. W teście jazdy ekonomicznej osiągają 5,4 l/100 km, czyli 124 g/100 km CO2, co jest porównywalne z Audi A3 2.0 TDI, BMW 118d i Mercedesem A 200d. Należy jednak zaznaczyć, że mimo złożonego procesu eksploatacji maszyna ta nie wymaga skomplikowanych technologii oczyszczania gazów, ale z drugiej strony bardzo wysokociśnieniowy układ wtrysku podnosi jej koszt. Z drugiej strony mała sprężarka mechaniczna jest tańsza od turbosprężarki, więc powinna być pozycjonowana jako cena między silnikami diesla i benzynowymi.

Silnik harmonizuje z dynamicznym charakterem Mazdy 3 i jej dobrymi ustawieniami zapewniającymi przyjemne pokonywanie zakrętów. Układ kierowniczy jest precyzyjnie rozplanowany, a samochód zachowuje neutralną postawę, wykazując tendencję do skręcania tylnymi kołami tylko przy ostrych prowokacjach. Do tego dochodzi dobre połączenie systemów wspomagania i wyposażenia, które w Mazdzie są częścią wyposażenia na różnych poziomach. O nowej ergonomicznej kompozycji kontrolki już wystarczająco dużo mówiliśmy. Funkcje nie są kontrolowane przez monitor, a ich obsługa jest prosta i wygodna. Ogólnie rzecz biorąc, wnętrze ma subtelne poczucie lekkości i jakości, które wiele lat temu można było znaleźć tylko w luksusowych modelach. W skrócie - Skyactiv X działa - i naprawdę cię kręci.