Літо 2017 року. Mazda випустила бомбу у автомобільній індустрії. Вони заявили, що приручили звіра: бензиновий двигун із запаленням від стиску, готовий до встановлення на легкові автомобілі. Обіцянка? Збільшення паливної економічності на 20-30%. Це не помилка. Для бензинового двигуна це величезний стрибок.
Перш ніж відкинути це як маркетингову нісенітницю, зверніть увагу на історію. Запалення від стиснення – не новинка. Формула-1 експериментувала із ним. Інші виробники намагалися та не змогли зробити його життєздатним для вуличного використання. Mazda Skyactiv-X відрізняється. Це перший двигун такого типу, що вийшов на конвеєр.
Джей Чен, інженер із силових установок Mazda, пояснив нам механіку процесу. Щоб зрозуміти прорив, необхідно розібратися в основах.
Іскра проти Стиснення
Бензинові двигуни покладаються на свічки запалювання. Ви знаєте як це працює. Повітря та паливо змішуються в циліндрі. Свічка подає іскру. бум. Згоряння. Це точно. Це надійно. Це працює практично у будь-яких умовах. Але це має межі.
Дизельні двигуни працюють за іншими правилами. Вони не використовують свічки запалювання. Вони використовують екстремальний стиск. Повітря стискається настільки, що нагрівається досить сильно, щоб спалахнути паливо при контакті. Іскра не потрібна. Цей процес ефективніший. Звідси дизелі часто одержують вищі рейтинги EPA, ніж їх бензинові аналоги з аналогічними характеристиками. Але дизелі тяжкі. Вони дорогі. Вони не є спортивними.
Отже, що якби ви могли об’єднати їх? Що, якби ви могли стискати бензин, як дизель, але зберігати легкість та чуйність бензинового двигуна?
Це і є ціль. Вищий стиск означає більш високу ефективність. Mazda з’ясувала, як це зробити.
Як працює Skyactiv-X
Двигун утримує вихлопні гази усередині циліндра. Він регулює час відкриття впускних та випускних клапанів, щоб утримувати цю суміш усередині. Потім форсунки впорскують бензин у цю сильно стислу гарячу суміш. Тиск сам собою запалює паливо. Свічка запалювання не потрібна для основного процесу згоряння.
Це гібридний підхід. Він запозичує найкращі частини обох світів.
Є два способи досягти цього. Гомогенне запалення від стиску (HCCI) змішує повітря та паливо перед стисненням. Пряме впорскування бензину з запаленням від стиснення (GDCI) впорскує паливо в вже стислу суміш. Mazda Skyactiv-X використовує варіацію HCCI. Це перший масовий двигун такого типу.
Підступ: Це не просто
Досягти займання від стиску в бензиновому двигуні теоретично звучить просто. Насправді це кошмар точності. Двигун повинен постійно перемикатися між режимами іскрового займання та займання від стиснення. За низьких навантажень він використовує свічки запалювання. При більш високих навантаженнях він перемикається на спалах від стиснення.
Саме тут стається магія. І саме тут більшість інженерів зазнали невдачі.
Чому це важливо
Цифри паливної економічності – це добре. Але насправді важливою є ефективність. Спалюючи паливо повніше, ви витрачаєте менше. Ви отримуєте більше миль на галон. Ви знижуєте викиди. Mazda заявляє про покращення на 20-30%. Якщо це правда, це змінить ландшафт для малого об’єму двигунів.
Skyactiv-X – це не просто новий двигун. Це демонстрація концепції. Це показує, що в інженерії згоряння досі є місце для інновацій. Це кидає виклик ідеї, що дизелі — єдиний шлях до високої ефективності.
У наступних розділах ми докладно розглянемо плюси та мінуси. Ми подивимося реальні характеристики. Ми побачимо, чи заявка підтверджується на 20–30% на дорозі. Поки що просто запам’ятайте: Mazda не просто допрацювала двигун. Вони винайшли те, як горить бензин.
“Відсутність ‘іскри’ допомагає дизельним двигунам досягати більш високих рейтингів EPA, ніж бензиновим двигунам з аналогічними характеристиками.”
Цей зсув означає відхід традиційного внутрішнього згоряння. Це незначне оновлення. Це фундаментальна зміна у нашому розумінні спалювання палива. Двигун Skyactiv-X є значним кроком вперед в автомобільній інженерії. Чи стане він стандартом, покаже час. Але ж технологія вже тут. І вона працює.
Тонка грань між потужністю та вибухом
Двигуни з запаленням від стиснення мають унікальну ефективність у порівнянні зі своїми аналогами з іскровим запалюванням. Вони споживають менше палива. Вони перетворять більшу частину цього палива на корисну роботу, а не втрачають її у вигляді тепла або втрат на займання. Отже, вони викидають менше забруднюючих речовин.
Інженер Mazda із силових установок Джей Чен описує механічну різницю за допомогою простої аналогії. Іскрове запалення схоже на запалювання одного кінця тріски і спостереження за тим, як полум’я повільно повзе папером. Запалення від стиснення нагадує самозаймання. Повітряно-паливна суміш досягає критичного тиску та температури одночасно. Весь заряд змінює фазу відразу. Це призводить до раптового вивільнення енергії.
“[Запалювання від стиснення] може отримувати більше потужності… з тієї ж кількості повітря, використовуючи в два-три рази менше палива і за набагато нижчих температур згоряння.”
Теоретично це перевершує альтернативи. Насправді це тендітно. Ці двигуни примхливі. Якби вони були надійними, ми вже їздили б на них.
Дизельне паливо гелеутворюється при замерзанні. Бензин залишається рідким. Умови навколишнього середовища та якість палива сильно впливають на роботу двигунів із запаленням від стиснення. Донедавна такі двигуни існували тільки в стабільних лабораторних умовах або грубих прототипах, непридатних для серійного виробництва.
Середовище в циліндрі має бути точним. Неправильний тиск чи температура порушують процес. Низькі температури ризикують пошкодити чутливі компоненти. Високі температури спричиняють детонацію. Це відбувається, коли суміш займається передчасно. Це призводить до втрати палива та погіршення продуктивності. Двигуни з іскровим запалюванням припускають ширший діапазон помилок.
Надійність вимагає точного співвідношення повітря, палива та вихлопних газів. Стиснення має бути точним. Подача тепла має бути правильно синхронізованою. Оскільки ніхто ще не створив надійний бензиновий двигун із запаленням від стиснення, процес вимагає подальшого доопрацювання.
Майбутнє бензинових двигунів
Після оголошення Mazda чутки розгорілися не на жарт. Чи зможе масовий двигун із запаленням від стиснення врятувати двигун внутрішнього згоряння? В умовах, коли індустрія переорієнтується на гібриди та електромобілі, чи зможе удосконалений бензиновий двигун бути достатньо ефективним, щоб конкурувати?
Чен, інженер Mazda, пояснює логіку. Мета – вичавити кожну краплю ефективності з двигуна внутрішнього згоряння. Коли ця технологія буде доведена до досконалості і використовуватиметься у поєднанні з електрифікацією, вона дозволить створювати силові установки, які будуть актуальними протягом усього цього століття. Критерій суворий: Mazda вважає, що зможе зрівнятися з показниками викидів CO2 від свердловини до колеса у чистих електромобілів на акумуляторній батареї, навіть якщо вони заряджаються від мереж, що сильно залежать від викопного палива.
Коротко кажучи: автомобіль із бензиновим двигуном може бути таким же ефективним, як і електричний. Можливо, навіть ефективнішим. Давайте подивимося, чим цей прорив відрізняється від попередніх спроб.
Попередні спроби: Saturn, Mercedes та Hyundai
Ще в 2007 році журнал Motor Trend протестував Saturn Aura з двигуном, який використовує спалах від стиснення. Витрата палива знизилася на 15 відсотків порівняно зі стандартною моделлю. GM планувала випустити аналогічні автомобілі до 2015 року. Потім бренд Saturn зник. GM змістила фокус на Chevrolet Volt та платформи чистих електромобілів.
Mercedes-Benz працювала над системою DiesOtto. Ford теж мав свій проект. Жоден із них не дійшов до серійного виробництва.
Hyundai дає чіткіше пояснення причин, з яких ці проекти зупинилися. Їхні зусилля виявилися приблизно у 2013 році. Метою був двигун із запаленням від стиску без свічок запалювання. Запланований термін випуску: 2023 рік.
Лунало багатообіцяюче на папері. Але реальність жорстоко зіштовхнула проекти із землею у 2016 році.
Компоненти були досить міцними для необхідного ступеня стиснення. Можна посилити блок, колінчастий вал та підшипники. Саме так дизельні двигуни витримують тиск. Але це коштує грошей. Це додає вагу. Це знижує загальну ефективність.
Hyundai планувала використовувати турбокомпресор для підтримки ступеня стиснення та збільшення потужності. Вони швидко зрозуміли, що також потрібний нагнітач. Це зірвало бюджет. Найгірше, рівень забруднення навколишнього середовища виявився далеко не таким чистим та ефективним, як планувалося. Проект було згорнуто. Він був надто дорогим і надто брудним.
Як Skyactiv-X вирішує проблему зі свічкою запалювання
Mazda розробляє цю технологію стільки ж часу, скільки її конкуренти.
“Skyactiv-X завжди був у планах навіть до запуску першого покоління Skyactiv”, – говорить Чен.
Дорожня карта розпочалася у 2009 році з технології Skyactiv Technology. Ключем до успіху став нестандартно високий рівень стиснення. Це підвищило ефективність та продуктивність силової установки. Це потребувало синергетичного поєднання існуючих методів. Те, що вважалося неможливим для серійних двигунів стало реальністю.
То що таке Skyactiv-X? Це стратегія Mazda щодо підвищення ступеня стиснення для підвищення ефективності. Але їм довелося скоригувати процес. Вони додали свічку запалювання.
Навіщо? Двигун перемикається між запаленням від стиснення та займанням від іскри залежно від того, що є найефективнішим у даний момент. Це здається суперечливим основ високого ступеня стиснення. Чен каже, що це працює.
“Цей прорив, який ми називаємо іскровим управлінням займанням від стиснення (SPCCI), значно розширив робочий діапазон роботи та управління двигуном із запаленням від стиснення”, – пояснює Чен. «Він надав рішення для безшовного переходу між режимами згоряння CI [займання від стиснення] та SI [іскрове запалювання], що використовуються на високих обертах двигуна.»
Свічка запалювання – це чарівний інгредієнт. Вона забезпечує плавну роботу. Вона адаптується до умов. Вона використовується лише тоді, коли це абсолютно необхідно.
Двигун контролює сам себе. Він коригує роботу залежно від зовнішніх умов. Стилі водіння. Уподобань водія. Налаштувань.
Нагнітач і ринковий час
Після зародження ідеї Mazda потрібно ще два роки на розробку двигуна. Вималювалося одне важливе рішення.
Автомобілі з двигунами Skyactiv-X будуть оснащені нагнітачами. Мета – підвищити показники потужності. Це покращує динамічні характеристики автомобіля. Це допомагає переконати покупців піти на ризик заради нової технології.
Коли водії можуть чекати на її появу? Представник Mazda відмовився розкривати, які автомобілі будуть першими оснащені цією технологією. Дати доступності також не розголошуються.
Ми не знаємо, чи коштуватимуть ці автомобілі дорожче, ніж аналогічні моделі з іскровим запалюванням. З чуток, будуть. Хоча Mazda вийде на ринок першою, інші виробники майже напевно наслідують її приклад. Перегони розпочалися.
