Skyactiv X с наградой за технологии auto motor und sport

Ультрасовременный двигатель Mazda получает приз имени медиа-основателя Paul Pietsch Award

Каждый год auto motor und sport media вручает международную премию имени Пола Питча за инновационные технологические разработки. В то время, когда электрическая мобильность все чаще рассматривается как замена для двигателя внутреннего сгорания, награда Paul Pietsch 2020 была присуждена именно за такой тепловой двигатель. Тем не менее, он имеет авангардный характер. Ни одна другая компания не достигла такого сочетания образования однородной смеси, как в бензиновом двигателе, и самовоспламенения, как в дизельном двигателе, с преимуществами обоих типов двигателей в серийной модели. Это повод снова рассказать вам о том, как работает этот аппарат.

С давлением впрыска бензина, как в дизельном двигателе, зажиганием свечи зажигания, самовоспламенением, «λ», который постоянно меняется, – Skyactiv X действительно революция в автомобильной промышленности.

Разработки Mazda в области двигателей HCCI насчитывают более 30 лет и в значительной степени основаны на чрезвычайно глубоком анализе топливных процессов при разработке двигателя Ванкеля. Несколько поколений инженеров обучаются на этой основе, что создает много головных болей и проблем, но также приносит большой опыт.

Именно в глубине роторного двигателя были найдены первые опытные образцы машин с однородным перемешиванием и самовоспламенением. Двигатель Ванкеля также служит платформой для разработки различных технологий, связанных с турбонаддувом – это RX-7, который представляет элементарные турбонагнетатели VNT, двухструйные турбины и каскадную заправку в бензиновом двигателе, который использовался только Porsche.

Секретные материалы

Однако прямой основой нынешних Skyactiv X стали уже проверенные машины нового поколения в виде бензиновых Skyactiv G и Skyactiv D. Если вы посмотрите на решения, представленные в этих устройствах, вы неизбежно обнаружите, что они в некоторой степени «реализованы». «В новой установке SPCCI – от опыта, накопленного при анализе камер сгорания, до турбулентности потока.

Согласно этой гипотезе, эффективность Skyactiv X превышает эффективность бензинового двигателя 2ZR-FXE, работающего на Toyota Prius (с использованием цикла Аткинсона), с его 39 процентами, но сама Mazda не упускает из виду, что эта точка максимума не является самой важной. Большую часть времени двигатель работает в режиме частичной нагрузки, и средняя эффективность бензинового двигателя резко падает. В связи с тем, что в большинстве случаев Skyactiv X работает с широко открытым дроссельным клапаном, потери насоса значительно снижаются, а средняя эффективность увеличивается. Это в сочетании с высокой степенью сжатия приводит к совместному увеличению эффективности.

Большим достижением инженеров Mazda является тот факт, что их Skyactiv X работает в режиме образования однородной смеси и самовоспламенения в очень широком диапазоне скоростей и нагрузок. На практике он объединяет процессы, используемые не только в дизельных и бензиновых двигателях, но и аналогичные процессам в газодизельных двигателях и бензиновых двигателях с обедненными смесями. В последнем также образуются нормальные и плохие участки, но в отличие от них, где процесс происходит полностью с фронтом вспышки, в случае с Mazda плохая смесь самовоспламеняется с помощью свечи зажигания.

Что происходит в Skyactiv X? Все экспериментальные двигатели, работающие на основе созданного к настоящему времени режима HCCI, основаны на очень сложном управлении самовоспламенением (на основе тепла и давления при сжатии и предварительных химических реакциях между топливом, газами и воздухом) с нестабильными рабочими параметрами, проходящими в ряде режимов. к обычной работе двигателя. Двигатель Mazda всегда использует свечу зажигания в качестве инициатора сгорания. Однако отличие от обычного режима работы бензинового двигателя заключается в последующих событиях. Благодаря этому переход к различным режимам становится гораздо более сбалансированным, и этот способ управления в режиме HCCI приводит к устойчивому и стабильному процессу.

Вещи в теории

Skyactiv X основан на четырехцилиндровом двухлитровом Skyactiv G с атмосферным наполнением, что само по себе является хорошей основой с высокой эффективностью. Кроме того, он имеет рабочий объем 0,5 литра на цилиндр, оптимальный с точки зрения скорости процессов сгорания. Чтобы создать условия для работы в режиме HCCI, геометрическая степень сжатия была увеличена до 16,3: 1. Таким образом, смесь сгущается до температуры, близкой к температуре самовоспламенения большинства фракций в бензине при среднем октановом числе 95H и нормальной рабочей температуре двигателя.

На основе данных от нескольких датчиков, среди которых четыре датчика давления на каждом цилиндре являются ключевыми, компьютер решает, какой режим работы выбрать. Последняя определяется на основе нескольких функциональных зон, в зависимости от скорости и нагрузки (другими словами, степени нажатия педали акселератора) двигателя. С помощью специального вихревого модуля, называемого SCV (включая специальный воздушный регулирующий клапан в одном из впускных каналов), вокруг оси цилиндра создается интенсивный турбулентный поток. В зависимости от условий и на основе сравнения кривой нарастания давления сжатия и сгорания, а также многих других параметров в предварительно заданных «картах», инжектор с несколькими отверстиями впрыскивает топливо с давлением, достигающим давления в первых поколениях дизельных систем Common Rail. – от 300 до 1200 бар – несколькими порциями. Это делается от одного длинного импульса (в обычном процессе сжигания факела) до нескольких импульсов во время такта всасывания и сжатия (при работе с самовоспламенением). Очевидно, что рекордное давление впрыска для бензинового двигателя также является ключевым элементом в образовании смеси. Однако возникает логичный вопрос – как изменится весь набор параметров, если и когда перейти на меньшую мощность двигателя и турбонаддув, с увеличением давления в цилиндре, а также с необходимостью увеличения порций топлива…

Все происходит быстрее

Патент Mazda SPCCI описан на 44 страницах и подробно описывает, что машина работает в режиме самовоспламенения со свечами (SPCCI) в течение значительной части времени. Управление основано на нескольких типах режимов самовоспламенения SPCCI в ходе его работы – один с в основном плохой смесью, в основном нормальной смесью и немного богатой смесью. Во всех случаях конфигурация впрыска и вихря создает концентрически вокруг оси слои различного состава (расслоения) с более богатой внутренней зоной (соотношение воздух: топливо около 14,7-20: 1) и более бедной внешней зоной (35). -50: 1). Внутренняя имеет достаточную «воспламеняемость», а внешняя достигла почти критической температуры для самовоспламенения вблизи верхней мертвой точки поршня в процессе сжатия. Искра свечи зажигания является инициатором зажигания внутренней зоны, в результате чего температура и давление резко возрастают, и это вызывает самовоспламенение остальных одновременно. Поскольку фронта вспышки нет, это происходит при температуре ниже порога образования оксидов азота, что резко снижает их присутствие, а слабая гомогенная смесь обеспечивает более полное сгорание и очень низкий уровень содержания твердых частиц, оксида углерода и углеводородов.

В зависимости от условий эксплуатации – таких как средняя скорость и высокая нагрузка и во всех случаях на высокой скорости – включается механический компрессор, который помогает обеспечить больше воздуха и дальнейшее истощение смеси. Хотя его целью является не увеличение мощности, оно способствует хорошим динамическим качествам машины. В патенте также упоминается, что машина может быть оснащена турбонаддувом, и логически, более низкая температура выхлопа может позволить использовать турбину с изменяемой геометрией. На данный момент, однако, управление с помощью более быстро реагирующего механического компрессора стало проще (при условии, что такое определение совместимо со Skyactiv X). По словам инженеров Mazda, использование турбокомпрессора может произойти на более позднем этапе.

Важно отметить, что им удалось создать что-то, что еще никто не смог сделать – по крайней мере, не в серийной форме. Многие параметры датчиков сравниваются с предустановленными моделями поведения для выбора режима, но фактом является то, что на практике знак «Режим SPCCI» отображается на дисплее Mazda большую часть времени, даже при очень низких и очень высокий диапазон оборотов – даже на очень низких оборотах Mazda3 плавно движется на шестой передаче.

Как это происходит в реальной жизни?

После такой длинной теоретической части пришло время, наконец, ответить на вопрос – к чему все это приводит на практике в конце. Как бензиновый аналог, машина легко набирает скорость и быстро реагирует. В ходе испытаний, включая подъемы и повороты на ущелье Искыр, нормальный межгород и режим шоссе, Mazda 3 Skyactiv X сохраняет свой расход в диапазоне около 5,2 л / 100 км. Средний тестовый расход, достигнутый коллегами в Германии, составляет 6,6 л / 100 км, но он также включает высокоскоростное вождение. В тесте экономичного вождения они достигают 5,4 л / 100 км, что составляет 124 г / 100 км CO2, что соответствует уровню Audi A3 2.0 TDI, BMW 118d и Mercedes A 200d. Следует, однако, отметить, что, несмотря на сложный процесс эксплуатации, эта машина не нуждается в сложных технологиях обработки газа, но, с другой стороны, система впрыска под очень высоким давлением увеличивает свою стоимость. С другой стороны, небольшой механический компрессор дешевле, чем турбокомпрессор, поэтому он должен быть позиционирован как цена между дизельным и бензиновым двигателями.

Двигатель гармонирует с динамичным характером Mazda 3 и его хорошими настройками для приятных поворотов. Рулевое управление точно скомпоновано, и автомобиль сохраняет нейтральное поведение, демонстрируя тенденцию поворачивать задние колеса только при резких провокациях. К этому следует добавить хорошее сочетание систем помощи и оборудования, которые в Mazda являются частью оборудования различного уровня. Мы уже достаточно поговорили о новом эргономическом составе управления. Функции не контролируются монитором и просты и удобны в эксплуатации. В целом интерьер обладает тонким ощущением легкости и качества, которые много лет назад были присущи только моделям класса люкс. Короче говоря – Skyactiv X работает – и это действительно зажигает вас.