Jak działają silniki z zapłonem samoczynnym

Silnik Mazda SKYACTIV-X to pierwszy na świecie komercyjny silnik benzynowy wykorzystujący zapłon samoczynny. Mazda

Latem 2017 roku Mazda ogłosiła: firma motoryzacyjna znalazła sposób na produkcję silników benzynowych o zapłonie samoczynnym do samochodów osobowych. Mazda twierdziła, że ​​jej nowy silnik może obniżyć zużycie paliwa o 20-30 procent, co jest znaczącym osiągnięciem w przypadku silnika benzynowego.

Przed zanurzeniem się w tej technologii warto zauważyć, że silnik wysokoprężny nie jest nową koncepcją. Samochody Formuły 1 wykorzystują silniki o zapłonie samoczynnym, a kilku innych producentów samochodów próbowało opracować komercyjnie opłacalną wersję dla samochodów osobowych. Jednak silnik Mazdy, nazwany Skyactiv-X, będzie pierwszym tego typu produkowanym masowo i komercyjnie dostępnym silnikiem. Dzięki Jayowi Chenowi, inżynierowi zespołu napędowego z Mazdy, mógł się dowiedzieć, w jaki sposób dokonano tego przełomu. Najpierw jednak musimy przyjrzeć się podstawowym funkcjom silnika.

Silnik działa na zasadzie zapłonu paliwa na dwa sposoby: ciepło i kompresja. Silniki o zapłonie iskrowym znajdują się w większości samochodów benzynowych. W tego typu silnikach świece zapłonowe zapalają się, aby zapalić paliwo w komorze spalania, podczas gdy mieszanka paliwowo-powietrzna jest również sprężana. Jest to oczywiście bardzo uproszczona wersja procesu, aby zilustrować główną różnicę między dwoma typami silników. Silniki o zapłonie iskrowym podążają za cyklem i wymagają precyzyjnego synchronizacji do pracy, ale generalnie są niezawodne w różnych warunkach [źródło: Knight].

Silniki o zapłonie samoczynnym działają bardziej jak silniki wysokoprężne. Diesle są zaprojektowane do znacznie większego sprężania (co wymaga cięższych komponentów i mocniejszej konstrukcji) i używają świec żarowych jako źródła ciepła zamiast świec zapłonowych. Świece żarowe nagrzewają komorę sprężania, co z kolei zwiększa kompresję w komorze. Kiedy paliwo jest dodawane do komory, jest rozpylane w poprzek końcówki świecy żarowej, ale proces polega bardziej na kompresji niż na styku paliwa i świecy. Brak „iskry” pomaga silnikom wysokoprężnym osiągnąć wyższe wskaźniki EPA niż silniki benzynowe o podobnych specyfikacjach [źródło: Stewart].

Jeśli skupiamy się na gazie, możesz się zastanawiać, po co wyjaśnić, jak działa silnik wysokoprężny? Po prostu, aby zilustrować znaczenie kompresji. Najlepszym sposobem na ulepszenie silnika gazowego jest wymyślenie, jak zwiększyć kompresję, co umożliwi silnikowi bardziej efektywne wykorzystanie paliwa..

Silnik benzynowy o zapłonie samoczynnym łączy w sobie najlepsze elementy tych procesów. Silnik jest zaprogramowany tak, aby wychwytywał powietrze (zazwyczaj wydech silnika) w cylindrze silnika poprzez regulację rozrządu zaworów wydechowych i dolotowych. Wtryskiwacze paliwa dodają paliwo do tych uwięzionych spalin, a ponieważ uwięziona mieszanka jest bardzo silnie sprężana, stosunkowo mała ilość paliwa może się zapalić.

Silniki o zapłonie samoczynnym można nawet podzielić na dwa różne typy [źródło: Lindberg].

• Zapłon z jednorodnym ładunkiem samoczynnym (HCCI): Ten silnik miesza powietrze i paliwo, a następnie spręża tę mieszankę, aż się zapali. Silnik Mazdy będzie pierwszym seryjnie produkowanym silnikiem typu HCCI.
• Benzyna z bezpośrednim zapłonem samoczynnym (GDCI): Ten silnik wtryskuje benzynę do już sprężonej mieszanki powietrza i spalin.

Główną różnicą między tymi dwoma silnikami jest punkt w procesie, w którym dodaje się paliwo, osiągany poprzez regulację cykli i rozrządu silnika. W przeciwnym razie silniki działają podobnie; kompresja jest najważniejszym czynnikiem.

SKYACTIV-G 2,0-litrowy silnik ma moc 2,5-litrowego silnika i wydajność 1,5-litrowego silnika wysokoprężnego. Mazda

Silniki o zapłonie samoczynnym mają kilka zalet i co najmniej tyle samo wad. Wśród jego zalet są:

• Zużywa mniej paliwa niż silnik o zapłonie iskrowym
• Wykorzystuje paliwo bardziej efektywnie (innymi słowy, mniej energii jest tracone na rzeczywisty zapłon i nadmiar ciepła)
• Ponieważ zużywa się mniej paliwa, samochód zanieczyszcza mniej

„W przybliżeniu, zapłon iskrowy jest podobny do rozpalenia ognia przez podpalenie tylko jednej krawędzi gazety i pozwolenie, aby płomień stopniowo wznosił się po papierze” - wyjaśnia w e-mailu inżynier Mazdy Jay Chen. „[Zapłon samoczynny] bardziej przypomina spontaniczne spalanie, w którym paliwo i powietrze osiągnęły krytyczne ciśnienie i temperaturę, a cały ładunek zmienia fazę w tym samym czasie, uwalniając w ten sposób całą energię naraz. Poprzez niemal natychmiastowe uwolnienie całej energii [ zapłon samoczynny] może wydobyć więcej mocy (ponieważ dzieje się to na długo przed zużyciem współczynnika rozprężania) z tej samej ilości powietrza przy zużyciu od dwóch do trzech razy mniej paliwa i przy znacznie niższych temperaturach spalania, co dodatkowo ogranicza marnowanie energii cieplnej i tworzenie się emisji . ”

Brzmi świetnie, prawda? Problem w tym, że te silniki są naprawdę wybredne - gdyby były łatwe w projektowaniu i obsłudze, już byśmy je prowadzili. Nawet jeśli nie znasz silników wysokoprężnych, być może słyszałeś, że mogą być niewygodne w nieoptymalnych warunkach. Częściowo wynika to z samego oleju napędowego, który ma tendencję do „żelowania” w bardzo niskich temperaturach. Nie mamy tego problemu z benzyną, która pozostaje płynna nawet w niskich temperaturach. Jednak na zapłon samoczynny nadal mogą mieć wpływ pogoda i inne warunki otoczenia, a także inne czynniki, takie jak jakość paliwa.

„Do tej pory silniki spalinowe o zapłonie samoczynnym istniały tylko w stabilnych warunkach laboratoryjnych lub w surowych prototypach pojazdów, zbyt surowych, aby można je było zastosować w produkcji” - mówi Chen.

Innymi słowy, jeśli ciśnienie i temperatura w cylindrach nie są starannie utrzymywane, proces nie zadziała. Zbyt niskie temperatury mogą uszkodzić wrażliwe elementy silnika. Jeśli silnik za bardzo się nagrzeje, może zacząć stukać - stan, który występuje, gdy mieszanka paliwowo-powietrzna staje się zbyt gorąca i detonuje w niewłaściwym momencie, co powoduje marnowanie paliwa i powoduje słabą pracę silnika. Silnik o zapłonie iskrowym również może być zbyt zimny lub zbyt gorący, ale ma znacznie wyższy margines błędu.

Niezawodne działanie silnika o zapłonie samoczynnym zależy od precyzyjnej kombinacji powietrza, paliwa i spalin wymieszanych w idealnym stosunku, przy idealnym sprężeniu, z odpowiednią ilością ciepła dostarczonego we właściwym czasie. Jak wiemy, nikt jeszcze nie był w stanie zbudować samochodu z silnikiem gazowym o zapłonie samoczynnym, więc proces ten wymagał dalszego dopracowania.

Samochód napędzany gazowym silnikiem wysokoprężnym może być co najmniej tak samo wydajny jak samochód elektryczny, a być może nawet bardziej. Reimar Gaertner / UIG

Krótko po ogłoszeniu przez Mazdę, eksperci z branży motoryzacyjnej zaczęli spekulować, czy dostępny na rynku masowym silnik wysokoprężny może „oszczędzić” silniki gazowe. Oznacza to, że w miarę jak branża zmierza bardziej w kierunku technologii hybrydowej i elektrycznej, ten silnik gazowy może być wystarczająco wydajny, aby stać się realnym konkurentem?

Chen mówi, że Mazda kieruje się przekonaniem, że „wyciskając każdą cząstkę wydajności z silnika spalinowego (w połączeniu z elektryfikacją, gdy silnik spalinowy zostanie udoskonalony), możemy dostarczyć metodę zasilania samochodu jeszcze w tym stuleciu które mogą generować taką samą lub mniej „dobrze napędzaną” emisję CO2, co pojazdy elektryczne napędzane wyłącznie bateriami, zasilane z elektrowni opartych na paliwach kopalnych w różnych formach ”.

Innymi słowy, Mazda uważa, że ​​przy ciągłych innowacjach samochód napędzany silnikiem gazowym może być co najmniej tak samo wydajny jak samochód elektryczny, a być może nawet bardziej. Przyjrzyjmy się, czym różni się ten przełom w technologii zapłonu samoczynnego od tych, które nastąpiły wcześniej.

W 2007 roku Motor Trend prowadził Saturn Aura napędzany silnikiem o zapłonie samoczynnym, dzięki czemu zużycie paliwa zmniejszyło się o 15% w porównaniu ze zwykłą Aurą [źródło: Markus]. W tamtym czasie GM spodziewał się wypuścić pojazd z silnikiem o zapłonie samoczynnym w 2015 roku, ale marka Saturn została zamknięta zaledwie kilka lat później, a GM stopniowo przeniósł się na pojazdy elektryczne i hybrydowe typu plug-in, takie jak Chevrolet Volt.

Mniej więcej w tym samym czasie Mercedes-Benz pracował nad układem zapłonu samoczynnego o nazwie DiesOtto, a Ford też miał projekt w fazie rozwoju [źródło: Estrada]. Jednak żaden z tych silników nie uzyskał zgody na produkcję, a doświadczenie Hyundai może pomóc wyjaśnić, dlaczego [źródło: Markus].

Oprócz Mazdy, Hyundai prawdopodobnie poczynił największe postępy, dzięki wysiłkom, które po raz pierwszy ujrzały światło dzienne około 2013 roku [źródło: Markus]. Firma zaprojektowała swoją wersję silnika o zapłonie samoczynnym bez świec zapłonowych lub żarowych, z docelową datą premiery 2023.

Pomimo obiecujących postępów Hyundai ujawnił w 2016 roku, że komponenty silnika po prostu nie były wystarczająco mocne, aby poradzić sobie z kompresją wymaganą do działania procesu. Oczywiście można zaprojektować mocniejsze elementy silnika, a mianowicie blok, korbę i łożyska; tak działają silniki wysokoprężne. Jest po prostu bardzo drogi, a te mocniejsze komponenty zwiększają wagę samochodu i zmniejszają jego ogólną wydajność. Hyundai przez cały czas planował użycie turbosprężarki w celu zwiększenia mocy i utrzymania niezbędnej kompresji, ale odkryli, że będą również potrzebować doładowania, co dodatkowo nadszarpnęło budżet. I wreszcie, Hyundai nie był zadowolony z ilości zanieczyszczeń wytwarzanych przez te układy napędowe. Ostatecznie projekt był znacznie droższy i nie tak czysty i wydajny, jak planowano [źródło: Markus].

Wysiłki rozwojowe Mazdy trwają prawie tak długo, jak jej konkurenci.

„Skyactiv-X był zawsze w planach, jeszcze przed wprowadzeniem na rynek pierwszej generacji Skyactiv” - wyjaśnia inżynier Mazdy Chen. „Pierwszym krokiem w tej mapie drogowej była technologia Mazdy Skyactiv [która została] wprowadzona w 2009 roku. Kluczową poprawą w tamtym czasie było zastosowanie niekonwencjonalnie wysokiego stopnia sprężania silnika w celu zwiększenia ogólnej wydajności silnika, a także osiągów układu napędowego. synergiczne połączenie istniejących technik stosowanych razem w celu osiągnięcia tego, co (do tej pory) uważano za niemożliwe w przypadku silników produkcyjnych ”.

Mówiąc prościej: „Skyactiv” to termin określający strategię Mazdy polegającą na zwiększaniu kompresji w celu zwiększenia wydajności, a Mazda musiała trochę majstrować, aby nadchodzący Skyactiv-X działał. W wyniku tego majsterkowania Mazda dodała do mieszanki świecę zapłonową, aby silnik mógł przełączać się między kompresją a zapłonem iskrowym w zależności od tego, co jest najbardziej wydajne w danym momencie. Może się to wydawać sprzeczne z podstawami technologii silnika o wysokiej kompresji, ale Chen twierdzi, że to działa.

„Ten przełom, który nazywamy zapłonem samoczynnym sterowanym iskrami (SPCCI), znacznie rozszerzył zakres użytkowy działania i sterowania zapłonem samoczynnym, a także zapewnił rozwiązanie umożliwiające płynne przejście między CI [zapłon samoczynny] i SI [zapłon iskrowy] tryby spalania stosowane przy dużych prędkościach obrotowych silnika (w przypadku Skyactiv-X) ”- mówi Chen.

Mówiąc prościej, świeca zapłonowa to magiczny składnik, który umożliwia płynną pracę silnika i dostosowanie się do różnych warunków, i będzie używana tylko wtedy, gdy jest to absolutnie konieczne. Silnik Mazdy zaprojektowano tak, aby sam monitorował i dostosowywał swoje działanie w oparciu o takie czynniki, jak bieżące warunki środowiskowe, sposób prowadzenia samochodu oraz preferencje i ustawienia kierowcy [źródło: Estrada].

Po tym, jak Mazda wpadła na ten pomysł, opracowanie silnika zajęło kolejne dwa lata, podczas których zapadła kolejna ważna decyzja. Pojazdy wyposażone w silniki Skyactiv-X będą wyposażone w turbosprężarki zwiększające moc, co poprawi dynamikę jazdy i pomoże przekonać potencjalnych nabywców do skorzystania z tej nowej technologii [źródło: Estrada].

Ostatnie ważne pytanie - kiedy kierowcy mogą się tego spodziewać? Rzecznik Mazdy mówi, że firma nie może jeszcze ujawnić, które pojazdy będą jako pierwsze wyposażone w silnik Skyactiv-X ani kiedy będą dostępne. Nie wiemy również, czy pojazdy napędzane silnikami o zapłonie samoczynnym będą kosztować więcej niż porównywalne pojazdy z silnikami o zapłonie iskrowym. Można jednak spekulować, że chociaż Mazda jako pierwsza wprowadzi na rynek tę technologię, inni producenci są prawie pewni, że pójdą za nią..

Uwaga autora: Jak działają gazowe silniki wysokoprężne

W przeciwieństwie do wielu moich kolegów nie martwię się specjalnie o „oszczędzanie silników gazowych”, chociaż prawdopodobnie pomogłoby to w zapewnieniu bezpieczeństwa pracy. Może powinienem być trochę bardziej samolubny, ale postanowiłem napisać o silniku wysokoprężnym po prostu dlatego, że intrygują mnie wszelkie innowacje, które mogą pomóc uczynić samochód bardziej wydajnym.

Z tego powodu - ogólnie rzecz biorąc - zrównoważony rozwój - chętnie przetestuję pojazd z silnikiem o zapłonie samoczynnym, gdy tylko będą dostępne. Podobnie jak hybrydy i elektryka, myślę, że będzie dużo dyskusji na temat tego, czy te pojazdy są wystarczająco mocne. Szczerze mówiąc, podejrzewam, że przeciętny człowiek nie będzie w stanie odróżnić różnicy. Istnieje wiele sposobów, aby uczynić samochód interesującym do jazdy, oprócz prostego uczynienia go tak potężnym, jak to tylko możliwe, i jest to obszar, w którym Mazda przoduje.

Powiązane artykuły

• Czy samochody kiedykolwiek miały silniki spalinowe?
• Olej napędowy nie zawsze jest gorszym zanieczyszczeniem niż benzyna
• Jak działa silnik cykliczny Atkinsona
• Ile zanieczyszczenia powietrza pochodzi z samochodów?

Więcej świetnych linków

• Jak działa układ zapłonowy samochodu
• Mazda mogłaby mieć technologię, która pozwoliłaby zaoszczędzić silnik spalinowy
• Nowy, pomysłowy silnik Mazdy pozwala przejechać więcej kilometrów przy mniejszym zużyciu paliwa
• Jak działa turbina Tesli

Źródła

• Brązowy, Jacob. Specjalista ds. Komunikacji produktowej Mazda. Korespondencja osobista. 1 września 2017.
• Chen, Jay. Inżynier zespołu napędowego, Mazda. Korespondencja osobista za pośrednictwem Jacoba Browna. 1 września 2017.
• Estrada Zac. „Mazda mogłaby mieć technologię, która pozwoliłaby zaoszczędzić silnik spalinowy”. The Verge. 8 sierpnia 2017 r. (30 sierpnia 2017 r.) Https://www.theverge.com/2017/8/8/16099536/mazda-compression-ignition-engine-technology
• Rycerz, Cheryl. „Jak działa układ zapłonowy samochodu”. YourMechanic. 19 listopada 2015 r. (29 sierpnia 2017 r.) Https://www.yourmechanic.com/article/how-a-car-ignition-system-works
• Lindberg, Austin. „Hyundai opracowuje benzynowy silnik wysokoprężny”. Samochód i kierowca. 18 listopada 2013 r. (30 sierpnia 2017 r.) Http://blog.caranddriver.com/hyundai-developing-gasoline-burning-compression-ignition-engine/
• Markus, Frank. „Technologue: Love Child - Driving the Ultimate Bastard Engine”. Motor Trend. 19 listopada 2007. (30 sierpnia 2017) http://www.motortrend.com/news/technologue-41/
• Markus, Frank. „Co się stało z silnikiem HCCI Hyundaia?” Motor Trend. 14 grudnia 2016 r. (30 sierpnia 2017 r.) Http://www.motortrend.com/news/whaters-happened-hyundais-hcci-engine/
• Mazda. „Mazda ogłasza długoterminową wizję rozwoju technologii,„ Zrównoważony Zoom-Zoom 2030 ”. 8 sierpnia 2017 r. (20 sierpnia 2017 r.) Http://www2.mazda.com/en/publicity/release/2017 /201708/170808a.html
• Stewart, Jack. „Nowy, sprytny silnik Mazdy pozwala przejechać więcej kilometrów przy mniejszym zużyciu paliwa”. Przewodowy. 9 sierpnia 2017 r. (30 sierpnia 2017 r.) Https://www.wired.com/story/mazda-injection-compression-skyactivx-engine/
• Szymkowski, Sean. „Jak faktycznie działa silnik Mazdy SkyActiv-X oparty na HCCI (wideo)”. Raporty dotyczące ekologicznych samochodów. 21 sierpnia 2017 r. (30 sierpnia 2017 r.) Http://www.greencarreports.com/news/1112222_how-mazdas-skyactiv-x-engine-based-on-hcci-actually-works-video