Lato 2017. Mazda zrzuciła bombę na branżę samochodową. Powiedzieli, że oswoili bestię: benzynowy silnik o zapłonie samoczynnym, gotowy do montażu w samochodach osobowych. Obietnica? Zwiększone zużycie paliwa o 20–30%. To nie jest literówka. To ogromny skok dla silnika benzynowego.
Zanim uznasz to za marketingowy bełkot, przeanalizuj historię. Zapłon samoczynny nie jest niczym nowym. Eksperymentowała z tym Formuła 1. Inni producenci bezskutecznie próbowali zapewnić jego przydatność do użytku ulicznego. Mazda Skyactiv-X jest inna. To pierwszy silnik tego typu, który trafił na linię produkcyjną.
Jay Chen, inżynier układu napędowego Mazdy, wyjaśnił nam mechanikę tego procesu. Aby zrozumieć przełom, musisz zrozumieć podstawy.
Iskra kontra kompresja
Silniki benzynowe opierają się na świecach zapłonowych. Wiesz jak to działa. W cylindrze miesza się powietrze i paliwo. Świeca wytwarza iskrę. Wysięgnik. Spalanie. To pewne. To niezawodne. Działa to niemal w każdych warunkach. Ale to ma swoje granice.
Silniki Diesla działają według innych zasad. Nie używają świec zapłonowych. Używają ekstremalnej kompresji. Powietrze jest sprężane do tego stopnia, że staje się wystarczająco gorące, aby zapalić paliwo w kontakcie. Nie potrzeba iskry. Proces ten jest bardziej efektywny. Dlatego diesle często otrzymują wyższe oceny EPA niż ich benzynowe odpowiedniki o podobnych osiągach. Ale diesle są ciężkie. Są drogie. Nie są wysportowani.
A co by było, gdyby można było je połączyć? Co by było, gdybyś mógł sprężać benzynę jak olej napędowy, zachowując jednocześnie lekkość i szybkość reakcji silnika benzynowego?
To jest cel. Wyższa kompresja oznacza wyższą wydajność. Mazda znalazła sposób, aby to zrobić.
Jak działa Skyactiv-X
Silnik utrzymuje spaliny wewnątrz cylindra. Reguluje czas otwarcia zaworów dolotowych i wydechowych, aby utrzymać tę mieszaninę w środku. Następnie wtryskiwacze wtryskują benzynę do tej silnie sprężonej, gorącej mieszanki. Samo ciśnienie zapala paliwo. W głównym procesie spalania nie jest wymagana świeca zapłonowa.
Jest to podejście hybrydowe. Zapożycza najlepsze części obu światów.
Można to osiągnąć na dwa sposoby. Jednorodny zapłon samoczynny (HCCI) miesza powietrze i paliwo przed sprężaniem. Bezpośredni wtrysk benzyny (GDCI) wtryskuje paliwo do już sprężonej mieszanki. Mazda Skyactiv-X wykorzystuje odmianę HCCI. Jest to pierwszy tego typu silnik produkowany masowo.
Haczyk: to nie jest łatwe
Uzyskanie zapłonu samoczynnego w silniku benzynowym w teorii wydaje się proste. W praktyce jest to koszmar związany z celnością. Silnik musi stale przełączać się między trybem zapłonu iskrowego i zapłonu samoczynnego. Przy małych obciążeniach wykorzystuje świece zapłonowe. Przy większych obciążeniach przełącza się na zapłon samoczynny.
To tutaj dzieje się magia. I tu właśnie zawodzi większość inżynierów.
Dlaczego to jest ważne?
Dane dotyczące zużycia paliwa są dobre. Ale tak naprawdę liczy się efektywność. Spalając paliwo pełniej, wydajesz mniej. Dostajesz więcej mpg. Zmniejszasz emisję. Mazda twierdzi, że poprawiła się o 20-30%. Jeśli to prawda, zmieni to krajobraz małych silników.
Skyactiv-X to coś więcej niż tylko nowy silnik. To jest dowód koncepcji. Pokazuje to, że w inżynierii spalania wciąż jest miejsce na innowacje. Podważa to pogląd, że silniki wysokoprężne są jedyną drogą do wysokiej wydajności.
W kolejnych sekcjach szczegółowo omówimy zalety i wady. Przyjrzymy się rzeczywistym specyfikacjom. Zobaczymy, czy twierdzenie o 20-30% utrzyma się na drodze. Na razie pamiętajcie: Mazda nie tylko ulepszyła silnik. Wynaleźli na nowo sposób spalania benzyny.
„Brak „iskry” pomaga silnikom wysokoprężnym uzyskać wyższe oceny EPA niż silniki benzynowe o podobnych parametrach.”
Zmiana ta oznacza odejście od tradycyjnego spalania wewnętrznego. To nie jest drobna aktualizacja. Jest to zasadnicza zmiana w naszym rozumieniu spalania paliw. Silnik Skyactiv-X stanowi znaczący krok naprzód w inżynierii samochodowej. Czy stanie się to standardem, czas pokaże. Ale technologia już jest. I to działa.
Cienka linia pomiędzy mocą a eksplozją
Silniki o zapłonie samoczynnym oferują wyjątkową wydajność w porównaniu do swoich odpowiedników z zapłonem iskrowym. Zużywają mniej paliwa. Przekształcają większość tego paliwa w użyteczną pracę, zamiast tracić je w postaci strat ciepła lub zapłonu. Dzięki temu emitują mniej substancji zanieczyszczających.
Inżynier układu napędowego Mazdy, Jay Chen, opisuje różnicę mechaniczną za pomocą prostej analogii. Zapłon iskrowy przypomina zapalenie jednego końca zrębka i obserwowanie, jak płomień powoli pełza po papierze. Zapłon samoczynny przypomina samozapłon. Mieszanka paliwowo-powietrzna osiąga jednocześnie ciśnienie krytyczne i temperaturę. Cały ładunek natychmiast zmienia fazę. Powoduje to nagłe uwolnienie energii.
„[Zapłon samoczynny] może wydobyć większą moc… z tej samej ilości powietrza, zużywając od dwóch do trzech razy mniej paliwa i przy znacznie niższych temperaturach spalania.”
Teoretycznie jest to lepsze od rozwiązań alternatywnych. W praktyce jest to kruche. Te silniki są kapryśne. Gdyby były niezawodne, już byśmy nimi jeździli.
Paliwo do silników Diesla żeluje po zamarznięciu. Benzyna pozostaje płynna. Warunki środowiskowe i jakość paliwa mają ogromny wpływ na osiągi silników o zapłonie samoczynnym. Do niedawna takie silniki istniały jedynie w stabilnych warunkach laboratoryjnych lub w surowych prototypach nienadających się do masowej produkcji.
Medium w cylindrze musi być precyzyjne. Nieprawidłowe ciśnienie lub temperatura zakłóci proces. Niskie temperatury mogą spowodować uszkodzenie wrażliwych komponentów. Wysokie temperatury powodują detonację. Dzieje się tak, gdy mieszanina zapala się przedwcześnie. Skutkuje to marnowaniem paliwa i słabą wydajnością. Silniki o zapłonie iskrowym charakteryzują się szerszą gamą błędów.
Niezawodność wymaga dokładnej równowagi powietrza, paliwa i gazów spalinowych. Kompresja musi być precyzyjna. Dopływ ciepła musi być odpowiednio zsynchronizowany. Ponieważ nikt jeszcze nie stworzył niezawodnego silnika benzynowego o zapłonie samoczynnym, proces ten wymaga dalszego udoskonalenia.
Przyszłość silników benzynowych
Po ogłoszeniu Mazdy rozeszło się wiele plotek. Czy masowo produkowany silnik wysokoprężny może uratować silnik spalinowy? Czy w miarę przesuwania się branży w stronę pojazdów hybrydowych i elektrycznych ulepszony silnik benzynowy może być wystarczająco wydajny, aby konkurować?
Chen, inżynier Mazdy, wyjaśnia logikę. Celem jest wyciśnięcie z silnika spalinowego każdej kropli wydajności. Kiedy technologia ta zostanie udoskonalona i wykorzystana w połączeniu z elektryfikacją, powstaną zespoły napędowe, które przetrwają całe stulecie. Kryterium jest rygorystyczne: Mazda wierzy, że może dorównać emisji CO2 od koła do koła pojazdów elektrycznych zasilanych wyłącznie akumulatorami, nawet jeśli są one ładowane z sieci w dużym stopniu opierających się na paliwach kopalnych.
Krótko mówiąc: samochód zasilany gazem może być równie wydajny jak elektryczny. Być może nawet bardziej skuteczny. Zobaczmy, czym ten przełom różni się od wcześniejszych prób.
Poprzednie próby: Saturn, Mercedes i Hyundai
W 2007 roku magazyn Motor Trend przetestował Saturn Aura z silnikiem o zapłonie samoczynnym. Zużycie paliwa zmniejszono o 15 procent w porównaniu do modelu standardowego. GM planował wypuścić podobne pojazdy do 2015 roku. Następnie marka Saturn zniknęła. GM skupił się na Chevrolecie Volcie i platformach pojazdów w pełni elektrycznych.
Mercedes-Benz pracował nad systemem o nazwie DiesOtto. Ford miał również swój własny projekt. Żaden z nich nie trafił do masowej produkcji.
Hyundai jaśniej wyjaśnia, dlaczego projekty te utknęły w martwym punkcie. Ich wysiłki stały się widoczne około 2013 roku. Celem był silnik o zapłonie samoczynnym bez świec zapłonowych. Planowana data premiery: 2023 rok.
Na papierze brzmiało obiecująco. Jednak w 2016 roku rzeczywistość brutalnie zepchnęła te projekty na ziemię.
Komponenty nie były wystarczająco mocne, aby zapewnić wymagany stopień sprężania. Blok, wał korbowy i łożyska można wzmocnić. W ten sposób silniki wysokoprężne radzą sobie z ciśnieniem. Ale to kosztuje. To dodaje wagi. Zmniejsza to ogólną wydajność.
Hyundai planował zastosować turbosprężarkę, aby utrzymać stopień sprężania i zwiększyć moc. Szybko zdali sobie sprawę, że potrzebna jest także doładowanie. To nadwyrężyło budżet. Co gorsza, poziom zanieczyszczeń nie był tak czysty i wydajny, jak planowano. Projekt został anulowany. Było za drogo i za brudno.
Jak Skyactiv-X rozwiązuje problem świecy zapłonowej
Mazda rozwija tę technologię tak długo, jak jej konkurenci.
„Skyactiv-X był zawsze w planach, jeszcze przed wprowadzeniem na rynek pierwszej generacji Skyactiv” – mówi Chen.
Plan działania rozpoczął się w 2009 roku od technologii Skyactiv. Kluczem do sukcesu był niezwykle wysoki stopień sprężania. Zwiększyło to wydajność i wydajność elektrowni. Wymagało to synergicznego połączenia istniejących metod. To, co wydawało się niemożliwe w przypadku silników seryjnych, stało się rzeczywistością.
Czym jest Skyactiv-X? Taka jest strategia Mazdy polegająca na zwiększaniu stopnia sprężania w celu zwiększenia wydajności. Musieli jednak dostosować proces. Dodali świecę zapłonową.
Po co? Silnik przełącza się pomiędzy zapłonem samoczynnym i zapłonem iskrowym, w zależności od tego, co jest w danym momencie najbardziej wydajne. Wydaje się, że jest to sprzeczne z zasadą wysokiej kompresji. Chen mówi, że to działa.
„Ten przełom, który nazywamy zapłonem samoczynnym sterowanym iskrą (SPCCI), znacznie rozszerzył zakres roboczy i sterowanie silnikiem o zapłonie samoczynnym” – wyjaśnia Chen. „Zapewniło to rozwiązanie umożliwiające płynne przejście między trybami spalania CI [zapłon samoczynny] i SI [zapłon iskrowy] stosowanymi przy wysokich prędkościach obrotowych silnika”.
Świeca zapłonowa to magiczny składnik. Zapewnia płynną pracę. Dostosowuje się do warunków. Stosuje się go tylko wtedy, gdy jest to absolutnie konieczne.
Silnik steruje się sam. Dostosowuje pracę w zależności od warunków zewnętrznych. Styl jazdy. Preferencje kierowcy. Ustawienia
Doładowanie i wyczucie rynku
Od powstania pomysłu Mazda potrzebowała kolejnych dwóch lat na opracowanie silnika. Pojawiła się jedna ważna decyzja.
Pojazdy z silnikami Skyactiv-X zostaną wyposażone w turbosprężarki. Celem jest zwiększenie wydajności energetycznej. Poprawia to właściwości dynamiczne samochodu. Pomaga to przekonać kupujących do podjęcia ryzyka w przypadku nowej technologii.
Kiedy kierowcy mogą się spodziewać jego pojawienia się? Rzecznik Mazdy odmówił ujawnienia, które pojazdy jako pierwsze będą wyposażone w tę technologię. Daty dostępności również nie zostały ujawnione.
Nie wiemy, czy te samochody będą kosztować więcej niż podobne modele z zapłonem iskrowym. Plotka głosi, że tak się stanie. Chociaż Mazda będzie pierwszą firmą wprowadzającą na rynek, inni producenci prawie na pewno pójdą jej śladem. Wyścig się rozpoczął.
