Skyactiv X с награда за автомобилни и спортни технологии

Модерният двигател на Mazda печели наградата на основателя на медиите Paul Pietsch

Всяка година auto motor und sport media представя международната награда Paul Pitch за технологични иновации. Във време, когато електрическата мобилност все по-често се разглежда като заместител на двигател с вътрешно горене, наградата Paul Pietsch 2020 се присъжда точно за такъв топлинен двигател. Той обаче има авангарден характер. Никоя друга компания не е постигнала комбинацията от хомогенизация като при бензинов двигател и самозапалване, както при дизелов двигател, с предимствата на двата типа двигатели в производствен модел. Това е повод да ви разкажа отново за това как работи този апарат.

С налягане на впръскване на бензин като при дизелов двигател, запалване със свещи, самозапалване, "λ", който постоянно се променя, Skyactiv X е наистина революция в автомобилната индустрия.

Разработката на двигател HCDI на Mazda датира отпреди повече от 30 години и до голяма степен се основава на изключително задълбочен анализ на горивото при разработването на двигателя на Ванкел. Няколко поколения инженери се обучават на тази база, което създава много главоболия и проблеми, но носи и много опит.

Именно в дълбините на ротационния двигател бяха открити първите прототипи на машини с хомогенно смесване и самозапалване. Двигателят на Wankel служи и като платформа за разработването на различни технологии, свързани с турбокомпресорите - това е RX-7, който въвежда елементарни VNT турбокомпресори, двуструйни турбини и каскадно зареждане с гориво в бензинов двигател, използван само от Porsche.

Досиетата Х

Пряката основа на сегашния Skyactiv X обаче е вече доказаното ново поколение бензинови машини Skyactiv G и Skyactiv D. Ако погледнете решенията, представени в тези устройства, неизбежно ще откриете, че те са до известна степен „реализирани“. „В новия завод SPCCI, от опита, натрупан от анализирането на горивните камери за турбуленцията на потока.

Според тази хипотеза ефективността на Skyactiv X надвишава ефективността на бензиновия двигател 2ZR-FXE, задвижван от Toyota Prius (използвайки цикъла на Аткинсон) с 39 процента, но самата Mazda е наясно, че тази максимална точка не е най-важната точка. През повечето време двигателят работи при частично натоварване и средната ефективност на бензиновия двигател намалява драстично. Поради факта, че в повечето случаи Skyactiv X работи с широко отворен дроселен клапан, загубите на помпата се намаляват значително и се увеличава средната ефективност. Това, в комбинация с високия коефициент на компресия, води до съвместно повишаване на ефективността.

Голямо постижение за инженерите на Mazda е фактът, че техният Skyactiv X работи в хомогенен и самозапалващ се режим при много широк диапазон от скорости и товари. На практика той съчетава процеси, използвани не само в дизеловите и бензиновите двигатели, но и подобни на тези, използвани в газовите дизелови двигатели и бензиновите двигатели с бедно гориво. В последните също се образуват нормални и лоши области, но за разлика от тях, където процесът протича изцяло с предната част на светкавицата, в случая на Mazda лошата смес се запалва спонтанно с помощта на свещ.

Какво се случва в Skyactiv X? Всички експериментални двигатели, работещи на базата на създадения до момента режим HCCI, се основават на много сложен контрол на самозапалването (на базата на топлина и налягане по време на компресия и предварителни химически реакции между гориво, газове и въздух) с нестабилни работни параметри, преминаващи в редица режими. до нормална работа на двигателя. Двигателят на Mazda винаги използва свещ като инициатор на горенето. Разликата от нормалната работа на бензинов двигател обаче се крие в следващите събития. Това прави прехода към различни режими много по-балансиран и този начин на управление в режим HCCI води до стабилен и стабилен процес.

Нещата на теория

Skyactiv X е базиран на атмосферния, четирицилиндров Skyactiv G 0,5 литра, който сам по себе си е добра основа с висока ефективност. Освен това той има работен обем от 16,3 литра на цилиндър, което е оптимално по отношение на скоростта на горивните процеси. За да се създадат условия за работа на HCCI, геометричното съотношение на компресия беше увеличено до 1: 95. По този начин сместа се сгъстява до температура, близка до температурата на самозапалване на повечето фракции в бензина със средно октаново число XNUMXH и нормална работна температура на двигателя.

Въз основа на данни от няколко сензора, сред които четири сензора за налягане на всеки цилиндър са ключови, компютърът решава кой режим на работа да избере. Последният се определя на базата на няколко функционални зони, в зависимост от скоростта и натоварването (с други думи, степента на натискане на педала на газта) на двигателя. С помощта на специален завихрящ модул, наречен SCV (включително специален въздушен контролен клапан в един от всмукателните отвори), се създава интензивен турбулентен поток около оста на цилиндъра. В зависимост от условията и на базата на сравнение на кривите на натрупване на компресия и налягане при горене, както и много други параметри в предварително дефинирани „карти“, многопортовият инжектор впръсква гориво при налягания, близки до тези на първите поколения дизелови двигатели с комън рейл. системи. - от 300 до 1200 бара - на няколко порции. Това се прави от един дълъг импулс (при нормален процес на факел) до няколко импулса по време на такта на всмукване и компресия (при операция на самозапалване). Очевидно рекордното налягане на впръскване за бензинов двигател също е ключов елемент при образуването на сместа. Възниква обаче логичен въпрос - как ще се промени целият набор от параметри, ако и кога да преминете към по-ниска мощност на двигателя и турбокомпресор, с увеличаване на налягането в цилиндъра, както и с необходимостта от увеличаване на порциите гориво ...

Всичко се случва по-бързо

Патентът SPCCI на Mazda е дълъг 44 страници и описва, че автомобилът работи в режим на автоматично запалване на свещи (SPCCI) за значителна част от времето. Управлението се основава на няколко вида режими на самозапалване на SPCCI по време на работа - един с предимно бедна смес, предимно нормална смес и слабо богата смес. Във всички случаи конфигурацията на впръскване и завихряне създава слоеве с различен състав (стратификация) концентрично около оста, с по-богата вътрешна зона (съотношение въздух: гориво около 14,7-20:1) и по-слаба външна зона (35). -50:1). Вътрешната има достатъчна "запалимост", а външната е достигнала почти критичната температура за самозапалване близо до горната мъртва точка на буталото по време на компресия. Искрата на свещта инициира запалването на вътрешната зона, което води до рязко повишаване на температурата и налягането, което води до спонтанно запалване на останалите едновременно. Тъй като няма фронт на пламъка, той възниква при температури под прага за образуване на азотни оксиди, което драстично намалява присъствието на азотни оксиди, а слабата хомогенна смес осигурява по-пълно изгаряне и много ниски нива на прахови частици, въглероден оксид и въглеводороди.

В зависимост от условията на работа – като средна скорост и голямо натоварване, и във всички случаи при висока скорост – механичният компресор се включва, за да помогне за осигуряването на повече въздух и допълнително изчерпване на сместа. Въпреки че целта му не е да повишава мощността, той допринася за добрите динамични качества на автомобила. Патентът също така споменава, че колата може да бъде с турбокомпресор и логично по-ниската температура на отработените газове може да позволи използването на турбина с променлива геометрия. Засега обаче управлението с по-отзивчив механичен компресор стана по-лесно (при условие, че такава дефиниция е съвместима със Skyactiv X). Според инженерите на Mazda използването на турбокомпресор може да дойде на по-късен етап.

Важно е да се отбележи, че те успяха да създадат нещо, което никой друг не е успял - поне не в сериен вид. Много сензорни параметри се сравняват с предварително зададени поведения за избор на режим, но факт е, че на практика знакът "SPCCI Mode" се показва на дисплея на Mazda през повечето време, дори при много ниски и много високи диапазони на обороти - дори при много ниски обороти Mazda3 плавно се движи на шеста предавка.

Как се случва това в реалния живот?

След толкова дълга теоретична част най-после дойде време да си отговорим на въпроса – до какво в крайна сметка води всичко това на практика. Подобно на бензиновия аналог, колата лесно набира скорост и реагира бързо. При тестове, включващи изкачвания и завои в Искърското дефиле, нормален междуградски и магистрален режим, Mazda 3 Skyactiv X поддържа разхода си в рамките на около 5,2 л/100 км. Средният тестов разход, постигнат от колегите в Германия, е 6,6 л / 100 км, но това включва и шофиране с висока скорост. При тест за икономично шофиране те постигат 5,4 л/100 км, което е 124 г/100 км CO2, което е наравно с Audi A3 2.0 TDI, BMW 118d и Mercedes A 200d. Все пак трябва да се отбележи, че въпреки сложния процес на работа, тази машина не се нуждае от сложни технологии за обработка на газ, но, от друга страна, инжекционната система с много високо налягане увеличава цената му. От друга страна, малък механичен компресор е по-евтин от турбокомпресор, така че трябва да се позиционира като цена между дизеловите и бензиновите двигатели.

Двигателят е в унисон с динамичния характер на Mazda 3 и добрите й настройки за приятно завиване. Кормилното управление е прецизно разположено, а автомобилът поддържа неутрално поведение, проявявайки склонност към завъртане на задните колела само при резки провокации. Към това се добавя добра комбинация от асистиращи системи и оборудване, които при Mazda са част от оборудването на различни нива. Вече говорихме достатъчно за новия ергономичен състав на управлението. Функциите не се управляват от монитора и са лесни и удобни за работа. Като цяло, интериорът носи фино усещане за лекота и качество, което се срещаше само в луксозните модели преди много години. Накратко – Skyactiv X работи – и наистина те възбужда.