Як працює стиснення в двигуні майбутнього від Mazda
Новий мотор SkyActiv-X від Mazda суперечить всім правилам, на яких побудована робота бензинових двигунів. Його робота заснована на використанні наддуву з метою підвищення ефективності, а не для збільшення потужності. Тут коефіцієнт стиснення складає 16: 1 (таке співвідношення показав прототип), але агрегат працює на паливі з октановим числом 87.
Опис технології складно для сприйняття і заплутано, і стає ще важче при більш глибокому її вивченні. Mazda робить те, про що майже кожен автовиробник думав, досліджував і, звичайно ж, бажав мати на озброєнні, але як і раніше не міг відмовитися від свічок запалювання.
Дивіться також: Нова Mazda 3 отримає унікальний бензиновий мотор з дизельним принципом роботи
Система запуску з іскровим контролем (SPCCI) – це новий метод спалювання, який дозволяє бензиновим двигунам працювати на займанні від стиснення. Іншими словами, тут застосовується методологія згорання дизельного двигуна з використанням синхронізації бензинового двигуна.
Основна ідея – отримати ідеальний двигун, який забезпечує миттєве згоряння палива з ефективним відведенням тепла і нульовим тертям. Цього поки неможливо досягти на практиці, але японський бренд став набагато ближче до бажаного ідеалу. Місія Mazda – впровадити у бензинові двигуни зарядний запалювання (HCCI) для максимальної ефективності.
Його суть полягає в тому, що під час такту стиску поршень переміщається вгору до головці циліндра, збільшуючи тиск і температуру повітряно-паливної суміші, що міститься всередині. Тиск і температура піднімається так високо, що навіть без свічки запалювання бензин починає випаровуватися, коли поршень наближається до верхньої точки свого ходу. Повне згоряння відбувається одночасно дуже швидко і тиск, створюваний при цьому, перетворюється на корисну роботу, змушуючи поршень рухатися вниз. Так виглядає технологія в теорії. Реальність не така райдужна та ідеальна.
Технологічні особливості займання стисненням
Проблема з HCCI полягає в тому, що існує дуже вузький діапазон оборотів і положення дросельної заслінки, при яких можливе застосування технології. Вона найкраще працює при невеликому навантаженні на двигун і помірно низьких обертах. Поза цього діапазону час горіння є хаотичним і важко контролюється.
Якщо детонація виникає не за нормативами, передбаченими технічними параметрами, то в кращому випадку втрачається ефективність, в гіршому – знищується двигун. Отже, є 2 опорних моменту:
1. Існує вузький діапазон, в якому можливе застосування HCCI.
2. Поза цього діапазону потрібно іскрове запалювання.
Так, з’являється необхідність вирішення завдання легкого перемикання між іскровим запалюванням з запалюванням від стиснення.
Але що, якщо не потрібно повністю переключатися? Що, якщо завжди використовувати свічку запалювання? Це саме те, що зробили інженери Mazda. У діапазонах, де займання від стиснення неможливо, двигун SkyActiv-X працює як будь-який інший бензиновий агрегат. Поршень переміщується вгору, стискаючи повітряно-паливну суміш до верхньої мертвої точки, де свічка запалює суміш, а полум’я рухається назовні, штовхаючи поршень вниз, створюючи хід потужності.
Коли це можливо, двигун працює так само, як дизельні двигуни, хоча і з попередньо змішаним паливом, і з прямим впорскуванням палива. Повітря при вступі закручується, створюючи однорідну середу, коли поршень досягає вершини свого ходу. В ідеалі співвідношення повітря-паливо в цей момент становить близько 37: 1. Це приблизно як і у традиційних бензинових двигунів. Тут пряма паливна форсунка зменшує подачу бензину, знижуючи співвідношення повітря-паливо до невластивому для свічки запалювання показником приблизно до 29: 1.
Ці дві окремі області змішування відіграють важливу роль. По мірі того, як поршень рухається вгору, паливо стає небезпечно близьким до займання від тепла і тиску від стиснення (слід розуміти, що це звичайне октанове паливо з коефіцієнтом стиснення 16: 1). Перед детонацією суміші активується свічка. Більш розряджена область повітря поруч з пробкою згорає, створюючи невелику розширюється займання.
При додатковому тиску від цього спалаху навколишній дуже сухе повітря не може більше залишатися в первісному стані. Майже миттєво вся суміш вибухає. І тут розробка Mazda набуває такий сенс — використовувати свічку запалювання для оптимального часу горіння і застосовувати компресійна займання, щоб отримати неймовірно високу ефективність.
Дивіться також: Топ-10 найбільш перспективних автомобільних розробок
Але як щодо нагнітача, низькооктанового палива і будь-якого циклу Міллера? Все, що спочатку здається суперечливою, має раціональне пояснення.
Вивчення системи подачі повітря високої потужності від Mazda
Mazda ухиляється від того, щоб нагнітач, яким комплектується двигун SkyActiv-X, називати кореневим. Фахівці воліють говорити про це як про «системі подачі повітря високої потужності», але насправді це і є нагнітач кореневого типу.
Інженери та представники марки не хочуть називати все своїми іменами, так як нагнітачі зазвичай пов’язані з кінською силою, а не з ефективністю. У цьому випадку агрегат використовується для економії палива, знижує температуру горіння, зменшує викиди і втрати тепла на циліндр, підвищує ККД двигуна.
Стандартне октанове число відповідає співвідношенню стиснення 16: 1.
Якщо б у Mazda був незалежний технологічний шлях розвитку, то в двигунах SPCCI використовувалося б пальне з октановим числом 80, а не елітарне з показником 87. Причина тут очевидна, технологія стиснення зав’язана на детонації.
Важливо розуміти, що таке займання означає мимовільне загоряння палива. Використання низькооктанового бензину в цьому випадку утруднить горіння. Чим більш чутливим є паливо до змін тиску, тим легше Mazda контролювати момент його займання від свічки запалювання.
Потужний цикл Міллера
Цикл Міллера (синонім сучасного циклу Аткінсона) – це трюк, використовуваний на сучасних двигунах для підвищення ефективності. Ідея полягає в тому, щоб залишити впускний клапан відкритим для частини ходу стиснення, виштовхуючи частина повітря і палива з циліндра тому.
Це знижує ефективну ступінь стиснення і разом з відносно високим коефіцієнтом розширення зменшує витрату палива. Але Mazda використовує цикл Міллера з-за крутного моменту. Тут двигун досягає максимальної потужності при великій економії палива саме завдяки нагнітача.
Впускний клапан дозволяє повітрю виходити під час стиснення, щоб гарантувати, що детонація не буде виконуватися з використанням надзвичайно високих коефіцієнтів стиску. Багато повітря, плюс високооктанове паливо для двигуна, і водій насолоджується стрімко зливається попереду дорогою при невеликій витраті бензину на високих оборотах. Тепер зрозуміло, що в основі двигуна майбутнього лежить ефективний нагнітач і потужність.
Відео на тему роботи нового двигуна, включаємо субтитри, переклад, і насолоджуємося технічними особливостями (для автогурманів):
Автор: Сергій Василенков
