Лето 2017 года. Mazda выпустила бомбу в автомобильной индустрии. Они заявили, что приручили зверя: бензиновый двигатель с воспламенением от сжатия, готовый к установке на легковые автомобили. Обещание? Увеличение топливной экономичности на 20–30%. Это не опечатка. Для бензинового двигателя это огромный скачок.
Прежде чем отбросить это как маркетинговую чушь, обратите внимание на историю. Воспламенение от сжатия — не новинка. Формула-1 экспериментировала с ним. Другие производители пытались и не смогли сделать его жизнеспособным для уличного использования. Mazda Skyactiv-X отличается. Это первый двигатель такого типа, вышедший на конвейер.
Джей Чен, инженер по силовым установкам Mazda, объяснил нам механику процесса. Чтобы понять прорыв, нужно разобраться в основах.
Искра против Сжатия
Бензиновые двигатели полагаются на свечи зажигания. Вы знаете, как это работает. Воздух и топливо смешиваются в цилиндре. Свеча подает искру. Бум. Сгорание. Это точно. Это надежно. Это работает практически в любых условиях. Но у этого есть пределы.
Дизельные двигатели работают по другим правилам. Они не используют свечи зажигания. Они используют экстремальное сжатие. Воздух сжимается до такой степени, что нагревается достаточно сильно, чтобы воспламенить топливо при контакте. Искра не нужна. Этот процесс более эффективен. Отсюда дизели часто получают более высокие рейтинги EPA, чем их бензиновые аналоги с аналогичными характеристиками. Но дизели тяжелые. Они дорогие. Они не являются спортивными.
Итак, что, если бы вы могли объединить их? Что, если бы вы могли сжимать бензин, как дизель, но сохранять легкость и отзывчивость бензинового двигателя?
Это и есть цель. Более высокое сжатие означает более высокую эффективность. Mazda выяснила, как это сделать.
Как работает Skyactiv-X
Двигатель удерживает выхлопные газы внутри цилиндра. Он регулирует время открытия впускных и выпускных клапанов, чтобы удерживать эту смесь внутри. Затем форсунки впрыскивают бензин в эту сильно сжатую, горячую смесь. Давление само по себе воспламеняет топливо. Свеча зажигания не требуется для основного процесса сгорания.
Это гибридный подход. Он заимствует лучшие части обоих миров.
Есть два способа достичь этого. Гомогенное воспламенение от сжатия (HCCI) смешивает воздух и топливо перед сжатием. Прямой впрыск бензина с воспламенением от сжатия (GDCI) впрыскивает топливо в уже сжатую смесь. Mazda Skyactiv-X использует вариацию HCCI. Это первый массовый двигатель такого типа.
Подвох: Это не просто
Достичь воспламенения от сжатия в бензиновом двигателе в теории звучит просто. На практике это кошмар точности. Двигатель должен постоянно переключаться между режимами искрового воспламенения и воспламенения от сжатия. При низких нагрузках он использует свечи зажигания. При более высоких нагрузках он переключается на воспламенение от сжатия.
Именно здесь происходит магия. И именно здесь большинство инженеров потерпели неудачу.
Почему это важно
Цифры топливной экономичности — это хорошо. Но на самом деле важна эффективность. Сжигая топливо более полно, вы тратите меньше. Вы получаете больше миль на галлон. Вы снижаете выбросы. Mazda заявляет об улучшении на 20–30%. Если это правда, это изменит ландшафт для двигателей малого объема.
Skyactiv-X — это не просто новый двигатель. Это демонстрация концепции. Это показывает, что в инженерии сгорания все еще есть место для инноваций. Это бросает вызов идее о том, что дизели — единственный путь к высокой эффективности.
В следующих разделах мы подробно рассмотрим плюсы и минусы. Мы посмотрим на реальные характеристики. Мы увидим, подтверждается ли заявка на 20–30% на дороге. Пока просто запомните: Mazda не просто доработала двигатель. Они переизобрели то, как горит бензин.
«Отсутствие ‘искры’ помогает дизельным двигателям достигать более высоких рейтингов EPA, чем бензиновым двигателям с аналогичными характеристиками.»
Этот сдвиг означает отход от традиционного внутреннего сгорания. Это не незначительное обновление. Это фундаментальное изменение в нашем понимании сжигания топлива. Двигатель Skyactiv-X представляет собой значительный шаг вперед в автомобильной инженерии. Станет ли он стандартом, покажет время. Но технология уже здесь. И она работает.
Тонкая грань между мощностью и взрывом
Двигатели с воспламенением от сжатия обладают уникальной эффективностью по сравнению со своими аналогами с искровым зажиганием. Они потребляют меньше топлива. Они преобразуют большую часть этого топлива в полезную работу, а не теряют её в виде тепла или потерь на воспламенение. Следовательно, они выбрасывают меньше загрязняющих веществ.
Инженер Mazda по силовым установкам Джей Чен описывает механическую разницу с помощью простой аналогии. Искровое зажигание похоже на поджигание одного конца щепы и наблюдение за тем, как пламя медленно ползёт по бумаге. Воспламенение от сжатия напоминает самовоспламенение. Воздушно-топливная смесь достигает критического давления и температуры одновременно. Весь заряд изменяет фазу сразу же. Это приводит к внезапному высвобождению энергии.
«[Воспламенение от сжатия] может извлекать больше мощности… из того же количества воздуха, используя в два-три раза меньше топлива и при гораздо более низких температурах сгорания.»
Теоретически это превосходит альтернативы. На практике это хрупко. Эти двигатели капризны. Если бы они были надёжными, мы бы уже ездили на них.
Дизельное топливо гелеобразуется при замерзании. Бензин остаётся жидким. Условия окружающей среды и качество топлива сильно влияют на работу двигателей с воспламенением от сжатия. До недавнего времени такие двигатели существовали только в стабильных лабораторных условиях или в грубых прототипах, непригодных для серийного производства.
Среда в цилиндре должна быть точной. Неправильное давление или температура нарушают процесс. Низкие температуры рискуют повредить чувствительные компоненты. Высокие температуры вызывают детонацию. Это происходит, когда смесь воспламеняется преждевременно. Это приводит к потере топлива и ухудшению производительности. Двигатели с искровым зажиганием допускают более широкий диапазон ошибок.
Надёжность требует точного соотношения воздуха, топлива и выхлопных газов. Сжатие должно быть точным. Подача тепла должна быть правильно синхронизирована. Поскольку никто ещё не создал надёжный бензиновый двигатель с воспламенением от сжатия, процесс требует дальнейшей доработки.
Будущее бензиновых двигателей
После объявления Mazda слухи разгорелись не на шутку. Сможет ли массовый двигатель с воспламенением от сжатия спасти двигатель внутреннего сгорания? В условиях, когда индустрия переориентируется на гибриды и электромобили, сможет ли усовершенствованный бензиновый двигатель быть достаточно эффективным, чтобы конкурировать?
Чен, инженер Mazda, объясняет логику. Цель — выжать каждую каплю эффективности из двигателя внутреннего сгорания. Когда эта технология будет доведена до совершенства и будет использоваться в сочетании с электрификацией, она позволит создавать силовые установки, которые будут актуальны на протяжении всего этого столетия. Критерий строгий: Mazda считает, что сможет сравняться с показателями выбросов CO2 «от скважины до колеса» у чистых электромобилей на аккумуляторной батарее, даже если они заряжаются от сетей, сильно зависящих от ископаемого топлива.
Коротко говоря: автомобиль с бензиновым двигателем может быть таким же эффективным, как и электрический. Возможно, даже более эффективным. Давайте посмотрим, чем этот прорыв отличается от прошлых попыток.
Предыдущие попытки: Saturn, Mercedes и Hyundai
Еще в 2007 году журнал Motor Trend протестировал Saturn Aura с двигателем, использующим воспламенение от сжатия. Расход топлива снизился на 15 процентов по сравнению со стандартной моделью. GM планировала выпустить аналогичные автомобили к 2015 году. Затем бренд Saturn исчез. GM сместила фокус на Chevrolet Volt и платформы чистых электромобилей.
Mercedes-Benz работала над системой под названием DiesOtto. У Ford тоже был свой проект. Ни один из них не дошел до серийного производства.
Hyundai дает более четкое объяснение причин, по которым эти проекты застопорились. Их усилия проявились примерно в 2013 году. Целью был двигатель с воспламенением от сжатия без свечей зажигания. Планируемый срок выпуска: 2023 год.
Звучало многообещающе на бумаге. Но реальность жестоко столкнула проекты с землей в 2016 году.
Компоненты не были достаточно прочными для требуемой степени сжатия. Можно усилить блок, коленчатый вал и подшипники. Именно так дизельные двигатели выдерживают давление. Но это стоит денег. Это добавляет вес. Это снижает общую эффективность.
Hyundai планировала использовать турбокомпрессор для поддержания степени сжатия и увеличения мощности. Они быстро поняли, что также нужен нагнетатель. Это сорвало бюджет. Хуже того, уровень загрязнения окружающей среды оказался далеко не таким чистым и эффективным, как планировалось. Проект был свернут. Он был слишком дорогим и слишком грязным.
Как Skyactiv-X решает проблему со свечой зажигания
Mazda разрабатывает эту технологию столько же времени, сколько и ее конкуренты.
«Skyactiv-X всегда был в планах даже до запуска первого поколения Skyactiv», — говорит Чен.
Дорожная карта началась в 2009 году с технологии Skyactiv Technology. Ключом к успеху стала нестандартно высокая степень сжатия. Это повысило эффективность и производительность силовой установки. Это требовало синергетического сочетания существующих методов. То, что считалось невозможным для серийных двигателей, стало реальностью.
Так что же такое Skyactiv-X? Это стратегия Mazda по повышению степени сжатия для увеличения эффективности. Но им пришлось скорректировать процесс. Они добавили свечу зажигания.
Зачем? Двигатель переключается между воспламенением от сжатия и воспламенением от искры в зависимости от того, что является наиболее эффективным в данный момент. Это кажется противоречащим основам высокой степени сжатия. Чен говорит, что это работает.
«Этот прорыв, который мы называем искровым управлением воспламенением от сжатия (SPCCI), значительно расширил рабочий диапазон работы и управления двигателем с воспламенением от сжатия», — объясняет Чен. «Он предоставил решение для бесшовного перехода между режимами сгорания CI [воспламенение от сжатия] и SI [искровое зажигание], используемыми на высоких оборотах двигателя.»
Свеча зажигания — это волшебный ингредиент. Она обеспечивает плавную работу. Она адаптируется к условиям. Она используется только тогда, когда это абсолютно необходимо.
Двигатель контролирует сам себя. Он корректирует работу в зависимости от внешних условий. Стиля вождения. Предпочтений водителя. Настроек.
Нагнетатель и рыночное время
После зарождения идеи Mazda потребовалось еще два года на разработку двигателя. Вырисовалось одно важное решение.
Автомобили с двигателями Skyactiv-X будут оснащены нагнетателями. Цель — повысить показатели мощности. Это улучшает динамические характеристики автомобиля. Это помогает убедить покупателей пойти на риск ради новой технологии.
Когда водители могут ожидать ее появления? Представитель Mazda отказался раскрывать, какие автомобили будут первыми оснащены этой технологией. Даты доступности также не разглашаются.
Мы не знаем, будут ли эти автомобили стоить дороже, чем аналогичные модели с искровым зажиганием. По слухам, будут. Хотя Mazda выйдет на рынок первой, другие производители почти наверняка последуют ее примеру. Гонка началась.
