Léto 2017. Mazda shodila bombu v automobilovém průmyslu. Říkali, že zkrotili bestii: vznětový benzínový motor připravený k instalaci do osobních automobilů. Slib? Zvýšená účinnost paliva o 20–30 %. Nejedná se o překlep. To je pro benzínový motor obrovský skok.
Než to zavrhnete jako marketingový nesmysl, zvažte historii. Kompresní zapalování není novinkou. Formule 1 s tím experimentovala. Jiní výrobci se pokoušeli a selhali, aby byl životaschopný pro pouliční použití. Mazda Skyactiv-X je jiná. Jde o první motor tohoto typu, který se dostal na výrobní linku.
Jay Chen, inženýr hnacího ústrojí Mazdy, nám vysvětlil mechaniku procesu. Abyste pochopili průlom, musíte pochopit základy.
Jiskra vs komprese
Benzínové motory se spoléhají na zapalovací svíčky. Víš, jak to funguje. Vzduch a palivo se mísí ve válci. Svíčka produkuje jiskru. Výložník. Spalování. To je jisté. Je to spolehlivé. Toto funguje téměř za jakýchkoliv podmínek. Ale tohle má své meze.
Dieselové motory fungují podle odlišných pravidel. Nepoužívají zapalovací svíčky. Používají extrémní kompresi. Vzduch je stlačen do té míry, že se zahřeje dostatečně na to, aby při kontaktu zapálil palivo. Není potřeba jiskra. Tento proces je efektivnější. Proto dieselové motory často dostávají vyšší hodnocení EPA než jejich benzínové protějšky s podobným výkonem. Ale diesely jsou těžké. Jsou drahé. Nejsou atletičtí.
Tak co kdybyste je mohli zkombinovat? Co kdybyste mohli stlačit benzín jako diesel, ale zachovat si lehkost a citlivost benzínového motoru?
Toto je cíl. Vyšší komprese znamená vyšší účinnost. Mazda přišla na to, jak na to.
Jak Skyactiv-X funguje
Motor udržuje výfukové plyny uvnitř válce. Upravuje časování otevírání sacích a výfukových ventilů tak, aby tato směs zůstala uvnitř. Do této vysoce stlačené horké směsi pak vstřikovače vstřikují benzín. Tlak sám zapálí palivo. Pro hlavní spalovací proces není potřeba zapalovací svíčka.
Jedná se o hybridní přístup. Vypůjčuje si nejlepší části obou světů.
Toho lze dosáhnout dvěma způsoby. Homogenní kompresní zapalování (HCCI) mísí vzduch a palivo před kompresí. Přímé vstřikování benzínu (GDCI) vstřikuje palivo do již stlačené směsi. Mazda Skyactiv-X používá variaci HCCI. Jde o první sériově vyráběný motor tohoto typu.
Háček: Není to snadné
Dosažení kompresního zapalování v benzínovém motoru zní teoreticky jednoduše. V praxi je to noční můra přesnosti. Motor musí neustále přepínat mezi režimem zážehového a kompresního zapalování. Při nízké zátěži používá zapalovací svíčky. Při vyšším zatížení přechází na kompresní zapalování.
Tady se děje kouzlo. A tady většina inženýrů selhává.
Proč je to důležité?
Čísla spotřeby paliva jsou dobrá. Ale na čem opravdu záleží, je efektivita. Plnějším spalováním paliva utratíte méně. Získáte více mpg. Snížíte emise. Mazda uvádí 20-30% zlepšení. Pokud je to pravda, změní to krajinu pro malé motory.
Skyactiv-X je víc než jen nový motor. Toto je důkaz konceptu. To ukazuje, že v technice spalování stále existuje prostor pro inovace. To zpochybňuje myšlenku, že diesely jsou jedinou cestou k vysoké účinnosti.
V následujících částech se podrobně podíváme na klady a zápory. Podíváme se na skutečné specifikace. Uvidíme, jestli 20-30% nárok na silnici vydrží. Zatím si jen pamatujte: Mazda nevyladila jen motor. Znovu vynalezli způsob, jakým spaluje benzín.
“Nedostatek ‘jiskry’ pomáhá vznětovým motorům dosáhnout vyšších hodnocení EPA než podobně hodnocené benzinové motory.”
Tento posun znamená odklon od tradičního vnitřního spalování. Toto není menší aktualizace. To je zásadní změna v našem chápání spalování paliva. Motor Skyactiv-X představuje významný krok vpřed v automobilovém inženýrství. Zda se stane standardem, ukáže čas. Ale technologie už tu je. A funguje to.
Tenká hranice mezi silou a explozí
Vznětové motory nabízejí ve srovnání se svými zážehovými protějšky jedinečnou účinnost. Spotřebovávají méně paliva. Většinu tohoto paliva přeměňují na užitečnou práci, než aby je ztrácely jako ztráty tepla nebo vznícení. V důsledku toho vypouštějí méně škodlivin.
Technik hnacího ústrojí Mazda Jay Chen popisuje mechanický rozdíl jednoduchou analogií. Jiskrové zapálení je jako zapálení jednoho konce dřevěné štěpky a sledování plamene, který se pomalu plazí po papíru. Kompresní zapalování připomíná samovznícení. Směs vzduchu a paliva dosáhne současně kritického tlaku a teploty. Celý náboj okamžitě změní fázi. To má za následek náhlé uvolnění energie.
“[Vztlakové zapalování] může získat více energie… ze stejného množství vzduchu, s použitím dvakrát až třikrát méně paliva a při mnohem nižších teplotách spalování.”
Teoreticky je to lepší než alternativy. V praxi je to křehké. Tyto motory jsou vrtošivé. Kdyby byly spolehlivé, už bychom s nimi jezdili.
Nafta při zamrznutí geluje. Benzín zůstává kapalný. Podmínky prostředí a kvalita paliva výrazně ovlivňují výkon vznětových motorů. Donedávna takové motory existovaly pouze ve stabilních laboratorních podmínkách nebo v hrubých prototypech nevhodných pro sériovou výrobu.
Médium ve válci musí být přesné. Nesprávný tlak nebo teplota naruší proces. Nízké teploty riskují poškození citlivých součástí. Vysoké teploty způsobují detonaci. K tomu dochází, když se směs předčasně vznítí. To má za následek plýtvání palivem a špatný výkon. Zážehové motory mají širší rozsah chyb.
Spolehlivost vyžaduje přesnou rovnováhu vzduchu, paliva a výfukových plynů. Komprese musí být přesná. Přívod tepla musí být správně synchronizován. Protože dosud nikdo nevytvořil spolehlivý vznětový benzínový motor, proces vyžaduje další zdokonalení.
Budoucnost benzínových motorů
Po oznámení Mazdy se šířily zvěsti. Může sériově vyráběný vznětový motor zachránit spalovací motor? Jak se průmysl posouvá směrem k hybridům a elektrickým vozidlům, může být vylepšený benzínový motor dostatečně účinný, aby mohl konkurovat?
Chen, inženýr Mazdy, vysvětluje logiku. Cílem je vymáčknout ze spalovacího motoru každou kapku účinnosti. Když bude tato technologie zdokonalena a použita v kombinaci s elektrifikací, vytvoří pohonné jednotky, které vydrží po celé toto století. Kritérium je přísné: Mazda věří, že se může vyrovnat celkovým emisím CO2 u čistě bateriových elektromobilů, i když jsou nabíjeny ze sítí, které jsou silně závislé na fosilních palivech.
Stručně řečeno: auto na plyn může být stejně účinné jako elektrické. Možná ještě efektivnější. Podívejme se, jak se tento průlom liší od minulých pokusů.
Předchozí pokusy: Saturn, Mercedes a Hyundai
V roce 2007 časopis Motor Trend testoval Saturn Aura se vznětovým motorem. Spotřeba paliva je ve srovnání se standardním modelem snížena o 15 procent. GM plánovalo vydat podobná vozidla do roku 2015. Poté značka Saturn zmizela. GM se zaměřilo na Chevrolet Volt a platformy čistě elektrických vozidel.
Mercedes-Benz pracoval na systému zvaném DiesOtto. Ford měl také svůj vlastní projekt. Žádný z nich se nedostal do sériové výroby.
Hyundai dává jasnější vysvětlení, proč se tyto projekty zastavily. Jejich úsilí se projevilo kolem roku 2013. Cílem byl vznětový motor bez zapalovacích svíček. Plánované datum vydání: 2023.
Na papíře to znělo slibně. Realita ale projekty v roce 2016 brutálně zatlačila k zemi.
Komponenty nebyly dostatečně pevné pro požadovaný kompresní poměr. Blok, klikový hřídel a ložiska mohou být zesíleny. Takto zvládají tlak dieselové motory. Ale stojí to peníze. To přidává váhu. To snižuje celkovou účinnost.
Hyundai plánoval použít turbodmychadlo pro udržení kompresního poměru a zvýšení výkonu. Rychle si uvědomili, že je potřeba také kompresor. To zničilo rozpočet. Aby toho nebylo málo, úrovně znečištění nebyly zdaleka tak čisté a účinné, jak se plánovalo. Projekt byl zrušen. Bylo to příliš drahé a příliš špinavé.
Jak Skyactiv-X řeší problém se zapalovacími svíčkami
Mazda tuto technologii vyvíjí stejně dlouho jako její konkurenti.
„Skyactiv-X byl vždy v plánu ještě před uvedením první generace Skyactiv,“ říká Chen.
Plán začal v roce 2009 s technologií Skyactiv. Klíčem k úspěchu byl nezvykle vysoký kompresní poměr. Tím se zvýšila účinnost a výkon elektrárny. To vyžadovalo synergickou kombinaci existujících metod. To, co bylo u sériových motorů považováno za nemožné, se stalo skutečností.
Co je tedy Skyactiv-X? To je strategie Mazdy zvýšit kompresní poměr pro zvýšení účinnosti. Postup ale museli upravit. Přidali zapalovací svíčku.
za co? Motor přepíná mezi kompresním zapalováním a zážehovým zapalováním podle toho, co je v danou chvíli nejúčinnější. Zdá se, že to jde proti srsti vysoké komprese. Chen říká, že to funguje.
„Tento průlom, který nazýváme jiskrou řízené kompresní zapalování (SPCCI), významně rozšířil provozní rozsah a ovládání vznětového motoru,“ vysvětluje Chen. „Poskytl řešení pro bezproblémový přechod mezi spalovacími režimy CI [vznětové zapalování] a SI [jiskrové zapalování] používanými při vysokých otáčkách motoru.“
Zapalovací svíčka je kouzelná přísada. Zajišťuje hladký chod. Přizpůsobuje se podmínkám. Používá se pouze v nezbytně nutných případech.
Motor se ovládá sám. Upravuje práci v závislosti na vnějších podmínkách. Styl jízdy. Předvolby řidiče. Nastavení
Supercharger a načasování trhu
Po zrodu nápadu trvalo Mazdě další dva roky vývoj motoru. Rýsovalo se jedno důležité rozhodnutí.
Vozidla s motory Skyactiv-X budou vybavena kompresory. Cílem je zvýšit výkon. To zlepšuje dynamické vlastnosti vozu. To pomáhá přesvědčit kupující, aby riskovali nové technologie.
Kdy mohou řidiči očekávat, že se objeví? Mluvčí Mazdy odmítl prozradit, která vozidla budou jako první vybavena touto technologií. Termíny dostupnosti také nebyly zveřejněny.
Nevíme, zda tyto vozy budou stát více než podobné zážehové modely. Říká se, že budou. Přestože jako první přijde na trh Mazda, ostatní výrobci budou téměř jistě následovat. Závod začal.
