Skyactiv X з нагородою за технологією auto motor und sport

Ультрасучасний двигун Mazda отримує приз імені медіа-засновника Paul Pietsch Award

Щороку auto motor und sport media вручає міжнародну премію імені Пола Питча за інноваційні технологічні розробки. У той час, коли електрична мобільність все частіше розглядається як заміна для двигуна внутрішнього згоряння, нагорода Paul Pietsch 2020 була присуджена саме за такий тепловий двигун. Тим не менш, він має авангардний характер. Жодна інша компанія не досягла такого поєднання утворення однорідної суміші, як в бензиновому двигуні, і самозаймання, як в дизельному двигуні, з перевагами обох типів двигунів в серійної моделі. Це привід знову розповісти вам про те, як працює цей апарат.

З тиском упорскування бензину, як у дизельному двигуні, запаленням свічки запалювання, самозайманням, «λ», який постійно змінюється, – Skyactiv X справді революція в автомобільній промисловості.

Розробки Mazda в області двигунів HCCI налічують понад 30 років і в значній мірі засновані на надзвичайно глибокому аналізі паливних процесів при розробці двигуна Ванкеля. Кілька поколінь інженерів навчаються на цій основі, що створює багато головного болю і проблем, але також приносить великий досвід.

Саме в глибині роторного двигуна були знайдені перші дослідні зразки машин із однорідним перемішуванням та самозайманням. Двигун Ванкеля також служить платформою для розробки різних технологій, пов'язаних з турбонаддувом - це RX-7, який представляє елементарні турбонагнітач VNT, двоструминні турбіни і каскадну заправку в бензиновому двигуні, який використовувався тільки Porsche.

Секретні матеріали

Однак прямою основою нинішніх Skyactiv X стали вже перевірені машини нового покоління у вигляді бензинових Skyactiv G та Skyactiv D. Якщо ви подивіться на рішення, представлені в цих пристроях, ви неминуче виявите, що вони до певної міри «реалізовані». «У новій установці SPCCI – від досвіду, накопиченого під час аналізу камер згоряння, до турбулентності потоку.

Відповідно до цієї гіпотези, ефективність Skyactiv X перевищує ефективність бензинового двигуна 2ZR-FXE, що працює на Toyota Prius (з використанням циклу Аткінсона), з його 39 відсотками, але сама Mazda не випускає з уваги, що ця точка максимуму не є найважливішою. Велику частину часу двигун працює в режимі часткового навантаження, і середня ефективність бензинового двигуна різко падає. У зв'язку з тим, що в більшості випадків Skyactiv X працює з широко відкритим дросельним клапаном, втрати насоса значно знижуються, а середня ефективність збільшується. Це в поєднанні з високим ступенем стиснення призводить до спільного збільшення ефективності.

Великим досягненням інженерів Mazda є той факт, що їх Skyactiv X працює в режимі утворення однорідної суміші і самозаймання в дуже широкому діапазоні швидкостей і навантажень. На практиці він об'єднує процеси, які використовуються не тільки в дизельних і бензинових двигунах, а й аналогічні процесам в газодизельних двигунах і бензинових двигунах з збідненими сумішами. В останньому також утворюються нормальні і погані ділянки, але на відміну від них, де процес відбувається повністю з фронтом спалаху, у випадку з Mazda погана суміш самозаймається за допомогою свічки запалювання.

Що відбувається в Skyactiv X? Всі експериментальні двигуни, що працюють на основі створеного до теперішнього часу режиму HCCI, засновані на дуже складному управлінні самозаймання (на основі тепла і тиску при стисненні і попередніх хімічних реакціях між паливом, газами і повітрям) з нестабільними робочими параметрами, що проходять в ряді режимів. до звичайної роботи двигуна. Двигун Mazda завжди використовує свічку запалювання в якості ініціатора згоряння. Однак відміну від звичайного режиму роботи двигуна внутрішнього згоряння полягає в наступних подіях. Завдяки цьому перехід до різних режимів стає набагато більш збалансованим, і цей спосіб управління в режимі HCCI призводить до стійкого і стабільного процесу.

Речі в теорії

Skyactiv X заснований на чотирициліндровому дволітровий Skyactiv G з атмосферним наповненням, що само по собі є хорошою основою з високою ефективністю. Крім того, він має робочий об'єм 0,5 літра на циліндр, оптимальний з точки зору швидкості процесів згоряння. Щоб створити умови для роботи в режимі HCCI, геометрична ступінь стиснення була збільшена до 16,3: 1. Таким чином, суміш згущується до температури, близької до температури самозаймання більшості фракцій в бензині при середньому октановим числом 95H і нормальній робочій температурі двигуна.

На основі даних від декількох датчиків, серед яких чотири датчики тиску на кожному циліндрі є ключовими, комп'ютер вирішує, який режим роботи вибрати. Остання визначається на основі декількох функціональних зон, залежно від швидкості та навантаження (іншими словами, ступеня натискання педалі акселератора) двигуна. За допомогою спеціального модуля вихрового, званого SCV (включаючи спеціальний повітряний регулюючий клапан в одному з впускних каналів), навколо осі циліндра створюється інтенсивний турбулентний потік. Залежно від умов і на основі порівняння кривої наростання тиску стиснення та згоряння, а також багатьох інших параметрів у попередньо заданих картах, інжектор з кількома отворами впорскує паливо з тиском, що досягає тиску в перших поколіннях дизельних систем Common Rail. – від 300 до 1200 бар – кількома порціями. Це робиться від одного довгого імпульсу (у звичайному процесі спалювання факела) до кількох імпульсів під час такту всмоктування та стискування (при роботі із самозайманням). Очевидно, що рекордний тиск упорскування для бензинового двигуна також є ключовим елементом освіти суміші. Однак виникає логічне питання – як зміниться весь набір параметрів, якщо і коли перейти на меншу потужність двигуна та турбонаддув, зі збільшенням тиску в циліндрі, а також із необхідністю збільшення порцій палива.

Все відбувається швидше

Патент Mazda SPCCI описано на 44 сторінках і детально описує, що машина працює в режимі самозаймання зі свічками (SPCCI) протягом значної частини часу. Управління засноване на кількох типах режимів самозаймання SPCCI в ході його роботи – один з переважно поганою сумішшю, в основному нормальною сумішшю і трохи багатою сумішшю. У всіх випадках конфігурація упорскування і вихору створює концентрично навколо осі шари різного складу (розшарування) з більш багатою внутрішньою зоною (співвідношення повітря: паливо близько 14,7-20: 1) і більш бідною зовнішньою зоною (35). -50: 1). Внутрішня має достатню «займистість», а зовнішня досягла майже критичної температури для самозаймання поблизу верхньої мертвої точки поршня в процесі стиснення. Іскра свічки запалення є ініціатором запалення внутрішньої зони, у результаті температура і тиск різко зростають, і це викликає самозаймання інших одночасно. Оскільки фронту спалаху немає, це відбувається при температурі нижче за поріг утворення оксидів азоту, що різко знижує їх присутність, а слабка гомогенна суміш забезпечує більш повне згоряння і дуже низький рівень вмісту твердих частинок, оксиду вуглецю і вуглеводнів.

Залежно від умов експлуатації – таких як середня швидкість та високе навантаження та у всіх випадках на високій швидкості – включається механічний компресор, який допомагає забезпечити більше повітря та подальше виснаження суміші. Хоча його метою є не збільшення потужності, воно сприяє добрим динамічним якостям машини. У патенті також згадується, що машина може бути оснащена турбонаддувом, і логічно, нижча температура вихлопу може дозволити використовувати турбіну зі змінною геометрією. На даний момент, однак, управління за допомогою механічного компресора, що швидко реагує, стало простіше (за умови, що таке визначення сумісне зі Skyactiv X). За словами інженерів Mazda, використання турбокомпресора може відбутися на пізнішому етапі.

Важливо відзначити, що їм вдалося створити щось, що ще ніхто не зміг зробити – принаймні не в серійній формі. Багато параметрів датчиків порівнюються з встановленими моделями поведінки для вибору режиму, але фактом є те, що на практиці знак «Режим SPCCI» відображається на дисплеї Mazda більшу частину часу, навіть при дуже низьких і дуже високий діапазон обертів – навіть на дуже низьких обертах Mazda3 плавно рухається на шостій передачі.

Як це відбувається в реальному житті?

Після такої довгої теоретичної частини настав час відповісти на запитання – до чого все це призводить на практиці в кінці. Як бензиновий аналог машина легко набирає швидкість і швидко реагує. Під час випробувань, включаючи підйоми та повороти на ущелину Іскир, нормальний міжмісто та режим шосе, Mazda 3 Skyactiv X зберігає свою витрату в діапазоні близько 5,2 л/100 км. Середня тестова витрата, досягнута колегами в Німеччині, становить 6,6 л / 100 км, але вона також включає високошвидкісне водіння. У тесті економічного водіння вони досягають 5,4 л/100 км, що становить 124 г/100 км CO2, що відповідає рівню Audi A3 2.0 TDI, BMW 118d та Mercedes A 200d. Слід, однак, відзначити, що, незважаючи на складний процес експлуатації, ця машина не потребує складних технологій обробки газу, але, з іншого боку, система впорскування під дуже високим тиском збільшує свою вартість. З іншого боку, невеликий механічний компресор дешевше, ніж турбокомпресор, тому він має бути позиціонований як ціна між дизельним та бензиновим двигунами.

Двигун гармонує з динамічним характером Mazda 3 та його гарними налаштуваннями для приємних поворотів. Рульове керування точно скомпоноване, і автомобіль зберігає нейтральну поведінку, демонструючи тенденцію повертати задні колеса лише за різких провокацій. До цього слід додати хороше поєднання систем допомоги та обладнання, які в Mazda є частиною обладнання різного рівня. Ми вже досить поговорили про новий ергономічний склад управління. Функції не контролюються монітором і прості та зручні в експлуатації. В цілому інтер'єр має тонке відчуття легкості та якості, які багато років тому були притаманні лише моделям класу люкс. Коротше кажучи – Skyactiv X працює – і це справді запалює вас.