Mazda SkyActiv G -moottori - bensiini ja SkyActiv D - diesel

Autovalmistajien tavoitteena on vähentää hiilidioksidipäästöjä₂ eri tavalla. Joskus esimerkiksi kompromissit siirtävät ajamisen ilon sivulle. Mazda on kuitenkin päättänyt mennä eri suuntaan ja vähentää päästöjä uudella all-in-one-ratkaisulla, joka ei poista ajamisen iloa. Bensiini- ja dieselmoottoreiden uuden mallin lisäksi ratkaisu sisältää myös uuden alustan, korin ja vaihteiston. Koko ajoneuvon painon vähentäminen kulkee käsi kädessä uuden tekniikan kanssa.

Viimeaikaiset tutkimukset osoittavat, että perinteiset polttomoottorit hallitsevat automaailmaa edelleen seuraavat 15 vuotta, joten niiden kehittämiseen kannattaa panostaa edelleen. Kuten tiedätte, suurin osa polttoaineen sisältämästä kemiallisesta energiasta ei muutu mekaaniseksi työksi palamisen aikana, vaan kirjaimellisesti haihtuu hukkalämmön muodossa pakoputkien, jäähdyttimen jne. Kautta ja selittää myös kitkan aiheuttamat menetykset moottorin mekaaniset osat. Kehittäessään uuden sukupolven SkyActiv -bensiini- ja dieselmoottoreita japanilaiset Hiroshiman insinöörit keskittyivät kuuteen päätekijään, jotka vaikuttavat kulutukseen ja päästöihin:

• puristussuhde,
• polttoaineen ja ilman suhde,
• seoksen palamisvaiheen kesto,
• seoksen palamisvaiheen aika,
• pumppaushäviöt,
• moottorin mekaanisten osien kitkaa.

Bensiini- ja dieselmoottoreiden osalta puristussuhde ja kitkahäviön vähentäminen ovat osoittautuneet tärkeimmiksi tekijöiksi päästöjen ja polttoaineen kulutuksen vähentämisessä.

SkyActiv D -moottori

2191 14,0 cm1: n moottori on varustettu korkeapaineisella Common Rail -ruiskutusjärjestelmällä, jossa on pietsosähköiset ruiskut. Siinä on epätavallisen alhainen puristussuhde, vain 16: 1 dieselille. Lataamisesta huolehtii erikokoiset turboahtimet, mikä vähentää positiivisesti moottorin vasteen hidastumista kaasupolkimen painamiseen. Venttiilijunaan kuuluu muuttuva venttiilin liike, joka lämpenee nopeammin moottorin ollessa kylmä, koska osa pakokaasuista palaa sylintereihin. Luotettavan kylmäkäynnistyksen ja vakaan palamisen ansiosta lämmitysvaiheessa perinteiset dieselmoottorit vaativat suuren puristussuhteen, joka on tyypillisesti välillä 18: 1-14,0: 1. SkyActivin alhainen puristussuhde 2: 20 -D -moottori mahdollistaa palamisprosessin ajan optimoinnin. Puristussuhteen pienentyessä myös sylinterin lämpötila ja paine laskevat ylemmässä kuolleessa kohdassa. Tässä tapauksessa seos palaa kauemmin, vaikka polttoainetta ruiskutetaan sylinteriin juuri ennen yläkuolokohdan saavuttamista. Pitkäaikaisen palamisen seurauksena palavassa seoksessa ei muodostu alueita, joilla on hapenpuute, ja lämpötila pysyy tasaisena, joten NOx: n ja noen muodostuminen eliminoituu merkittävästi. Polttoaineen ruiskutus ja polttaminen lähellä kuollutta yläosaa, moottori on tehokkaampi. Tämä tarkoittaa polttoaineen sisältämän kemiallisen energian tehokkaampaa käyttöä ja enemmän mekaanista työtä polttoaineyksikköä kohti kuin korkean puristuksen dieselmoottori. Tuloksena on vähentynyt dieselin kulutus ja loogiset hiilidioksidipäästöt yli 2,2% verrattuna 16 MZR-CD -moottoriin, joka toimii puristussuhteella 1: 6. Kuten mainittiin, palamisen aikana syntyy paljon vähemmän typen oksideja eikä teknistä hiiltä juuri lainkaan . Jopa ilman ylimääräistä NOx -poistojärjestelmää moottori täyttää Euro 2015 -päästöstandardin, joka tulee voimaan vuonna XNUMX. Näin ollen moottori ei tarvitse valikoivaa katalyyttistä pelkistystä tai NOx -eliminoivaa katalyyttiä.

Alhaisen puristuksen vuoksi moottori ei voi tuottaa riittävän korkeaa lämpötilaa sytyttääkseen seoksen kylmäkäynnistyksen aikana, mikä voi johtaa erittäin ongelmalliseen käynnistykseen ja moottorin ajoittaiseen käyttöön etenkin talvella. Tästä syystä SkyActiv-D on varustettu keraamisilla hehkutulpilla ja muuttuvan iskun VVL-pakoventtiilillä. Tämä mahdollistaa kuumien pakokaasujen kierrätyksen sisäisesti palotilassa. Ensimmäistä sytytystä avustaa hehkutulppa, joka riittää pakokaasujen saavuttamaan vaaditun lämpötilan. Moottorin käynnistyksen jälkeen pakoventtiili ei sulkeudu kuten tavallinen imumoottori. Sen sijaan se jää raolleen ja kuumat pakokaasut palaavat palokammioon. Tämä nostaa sen lämpötilaa ja helpottaa siten seoksen syttymistä myöhemmin. Siten moottori käy tasaisesti ja keskeytyksettä ensimmäisestä hetkestä lähtien.

Verrattuna 2,2 MZR-CD -dieselmoottoriin sisäinen kitka on myös vähentynyt 25 %. Tämä ei heijastu ainoastaan ​​kokonaishäviöiden vähenemisenä entisestään, vaan myös nopeampana vasteena ja parantuneena suorituskykynä. Toinen pienemmän puristussuhteen etu on alhaisemmat sylinterin maksimipaineet ja siten pienempi rasitus yksittäisiin moottorin osiin. Tästä syystä ei ole tarvetta tällaiselle vankkalle moottorille, mikä johtaa lisää painonsäästöihin. Integroidulla jakoputkella varustetussa sylinterinkannessa on ohuemmat seinämät ja se painaa kolme kiloa vähemmän kuin ennen. Alumiininen sylinterilohko on 25 kg kevyempi. Mäntien ja kampiakselin painoa on vähennetty vielä 25 prosenttia. Tämän seurauksena SkyActiv-D-moottorin kokonaispaino on 20 % pienempi kuin tähän mennessä käytetyn 2,2 MZR-CD -moottorin.

SkyActiv-D-moottori käyttää kaksivaiheista ahdetta. Tämä tarkoittaa, että siinä on yksi pieni ja yksi suuri turboahdin, joista jokainen toimii eri nopeusalueella. Pienempää käytetään matalilla ja keskikierroksilla. Pyörivien osien pienemmän hitauden vuoksi se parantaa vääntömomenttikäyrää ja eliminoi niin sanotun turboefektin eli moottorin reaktion viivästymisen äkilliseen kiihdytinhyppyyn pienellä nopeudella, kun pakokaasussa ei ole tarpeeksi painetta . haaraputki turboahtimen turbiinin nopeaa kääntämistä varten. Sitä vastoin suurempi turboahdin on täysin kytkettynä keskinopeusalueelle. Molemmat turboahtimet yhdessä tarjoavat moottorille tasaisen vääntömomenttikäyrän alhaisilla kierroksilla ja suuren tehon korkeilla kierroksilla. Turboahtimien riittävän ilmansyötön ansiosta laajalla nopeusalueella NOx- ja hiukkaspäästöt pidetään minimissä.

Toistaiseksi Euroopasta valmistetaan kaksi versiota 2,2 SkyActiv-D -moottorista. Vahvemman moottorin suurin teho on 129 kW nopeudella 4500 rpm ja suurin vääntömomentti 420 Nm nopeudella 2000 rpm. Heikommalla on 110 kW 4500 rpm ja vääntö 380 Nm alueella 1800-2600 rpm, maks. Molempien moottorien nopeus on 5200. Käytännössä moottori toimii melko väsyneenä jopa 1300 rpm asti, tästä rajasta se alkaa saada nopeutta, kun taas normaalissa ajossa riittää pitämään se noin 1700 rpm tai enemmän jopa tarpeisiin tasaisesta kiihtyvyydestä.

SkyActiv G -moottori

Vapaasti hengittävällä bensiinimoottorilla, joka on nimetty Skyactiv-G:ksi, on epätavallisen korkea puristussuhde 14,0:1, joka on tällä hetkellä korkein massatuotetussa henkilöautossa. Puristussuhteen lisääminen lisää bensiinimoottorin lämpöhyötysuhdetta, mikä tarkoittaa viime kädessä pienempiä CO2-arvoja ja siten pienempää polttoaineen kulutusta. Bensiinimoottorien korkeaan puristussuhteeseen liittyvä riski on ns. nakuttava palaminen - räjähdys ja siitä johtuva vääntömomentin väheneminen ja moottorin liiallinen kuluminen. Estääkseen korkeasta puristussuhteesta johtuvan seoksen nakuttavan palamisen Skyactiv-G-moottori vähentää polttokammiossa olevien kuumien jäännöskaasujen määrää ja painetta. Siksi käytetään pakoputkea 4-2-1-kokoonpanossa. Tästä syystä pakoputki on suhteellisen pitkä ja estää siten tehokkaasti pakokaasujen palaamisen polttokammioon välittömästi sen jälkeen, kun ne on poistettu siitä. Tuloksena oleva palamislämpötilan lasku estää tehokkaasti räjähdyspalamisen - räjähdyksen. Toisena keinona räjähdyksen estämiseksi seoksen palamisaikaa on lyhennetty. Seoksen nopeampi palaminen tarkoittaa lyhyempää aikaa, jonka aikana palamaton polttoaineen ja ilman seos altistuu korkeille lämpötiloille, jolloin räjähdys ei ehdi lainkaan tapahtua. Mäntien alaosassa on myös erikoissyvennykset, jotta moneen suuntaan muodostuvan palavan seoksen liekit voivat laajentua risteämättä toisiaan, ja ruiskutusjärjestelmä on myös varustettu uusilla kehitetyillä monireikäisillä suuttimilla, mikä mahdollistaa sumutettava polttoaine.

On myös tarpeen vähentää niin sanottuja pumppaushäviöitä moottorin hyötysuhteen lisäämiseksi. Tämä tapahtuu pienemmillä moottorin kuormituksilla, kun mäntä imee ilmaa liikkuessaan alas imuvaiheen aikana.Sylinteriin tulevan ilman määrää ohjataan yleensä imukanavassa sijaitsevalla kuristusventtiilillä. Pienellä moottorin kuormituksella tarvitaan vain pieni määrä ilmaa. Kaasuventtiili on melkein kiinni, mikä johtaa siihen, että paine imukanavassa ja sylinterissä on alle ilmakehän. Siksi männän on voitettava merkittävä alipaine - melkein tyhjiö, mikä vaikuttaa negatiivisesti polttoaineenkulutukseen. Mazdan suunnittelijat käyttivät portaattomasti säädettävää imu- ja pakoventtiilien ajoitusta (S-VT) minimoidakseen pumppuhäviöt. Tämän järjestelmän avulla voit ohjata imuilman määrää venttiileillä kaasun sijaan. Pienellä moottorin kuormituksella tarvitaan hyvin vähän ilmaa. Näin ollen säädettävä venttiilin ajoitusjärjestelmä pitää imuventtiilit auki puristusvaiheen alussa (kun mäntä nousee) ja sulkee ne vasta kun tarvittava määrä ilmaa on sylinterissä. Siten S-VT-järjestelmä vähentää lopulta pumppaushäviöitä 20 % ja parantaa palamisprosessin tehokkuutta. BMW on käyttänyt samanlaista ratkaisua pitkään, kutsuen tätä järjestelmäksi Kahden hengen VANOS.

Tätä imuilman tilavuuden säätöjärjestelmää käytettäessä on vaarana seoksen riittämätön palaminen alhaisemman paineen vuoksi, koska imuventtiilit pysyvät auki puristusvaiheen alussa. Tässä suhteessa Mazdan insinöörit käyttivät Skyactiv G -moottorin suurta puristussuhdetta 14,0: 1, mikä tarkoittaa korkeampaa lämpötilaa ja painetta sylinterissä, joten palamisprosessi pysyy vakaana ja moottori toimii taloudellisemmin.

Moottorin alhaista hyötysuhdetta helpottaa myös sen kevyt rakenne ja liikkuvien osien pienempi mekaaninen kitka. Verrattuna asennettuun 2,0 MZR: n bensiinimoottoriin Skyactiv G -moottorissa on 20% kevyemmät männät, 15% kevyemmät kiertokanget ja pienemmät kampiakselin päälaakerit, mikä vähentää kokonaispainoa 10%. Puolittamalla venttiilien kitkan ja männänrenkaiden kitkan lähes 40%, moottorin kokonaiskitkaa on vähennetty 30%.

Kaikki mainitut muutokset johtivat parempaan moottorin ohjattavuuteen alhaisilla ja keskisuurilla kierroksilla ja 15% pienemmällä polttoaineenkulutuksella verrattuna perinteiseen 2,0 MZR: ään. Nykyään nämä tärkeät hiilidioksidipäästöt ovat jopa pienempiä kuin nykyisin käytössä oleva 2 MZR-CD-dieselmoottori. Etuna on myös klassisen BA 2,2 -bensiinin käyttö.

Kaikki SkyActiv-bensiini- ja dieselmoottorit Euroopassa on varustettu i-stop-järjestelmällä eli stop-start-järjestelmällä, joka sammuttaa moottorin automaattisesti pysähtyessään. Muut sähköjärjestelmät, regeneratiivinen jarrutus jne. Seuraavat.