Чтобы управлять своим бензиновым двигателем с воспламенением от сжатия, Mazda использует свечи зажигания.
Александр Стоклоса Опубликовано: 7 сентября 2017 г.
Зажигание с однородным зарядом от сжатия (HCCI), заявленное как «следующая большая вещь» для бензиновых двигателей, обеспечивает работу, подобную дизельной, при которой сжатие, а не искра, сжигает обедненные смеси воздух/бензин для значительного выигрыша в экономии топлива. По крайней мере, это теория. Неустойчивый и сложный в управлении, полезный рабочий диапазон HCCI — и повышение эффективности — ограничивается низкими нагрузками: холостой ход или движение по шоссе. Более высокие обороты и более высокие нагрузки двигателя требуют, чтобы двигатели HCCI вернулись к искровому зажиганию, что является непредсказуемым и сложным процессом.
В течение многих лет проблемы HCCI приводили к тому, что производственные приложения ускользали от гигантов отрасли, таких как Hyundai, General Motors, Ford и Mercedes-Benz. Теперь крошечная Mazda, японский автопроизводитель, которому принадлежит всего 2 процента мирового автомобильного рынка, заявляет, что к 2019 году выпустит в продажу газовый двигатель с воспламенением от сжатия. Однако двигатель Mazda Skyactiv-X технически не использует HCCI, торгуя этим. аббревиатура от SPCCI, или зажигание от сжатия, управляемое свечой зажигания. Словоблудие в сторону, конечный результат тот же, воспламенение от сжатия обедненной воздушно-топливной смеси. Вот как это работает. Внимание, ботаник! Это сложно.
Напомним, вот как работают двигатели
Понять Skyactiv-X легче, если вы знакомы с циклом сгорания Отто четырехтактного бензинового двигателя «сосать, сжимать, хлопать, дуть», работать с дизелем и, наконец, с HCCI. Начнем с газового двигателя, который смешивает воздух и топливо во время такта впуска (поршень движется в цилиндре вниз) перед воспламенением в конце такта сжатия (поршень движется в цилиндре вверх) с помощью свечи зажигания. Хлопнуть! Начинается рабочий такт, поршень направляется обратно вниз, передавая энергию горящего топлива коленчатому валу, раскручивая двигатель. Когда поршень снова поднимается, выпускной клапан открывается, и побочные продукты сгорания выталкиваются из камеры, и цикл возобновляется.
С другой стороны, дизель всасывает и сжимает только воздух во время тактов впуска и сжатия. Сгорание приурочено не к искре – у дизелей нет свечей зажигания – а к впрыску топлива в конце такта сжатия, которое сгорает из-за присутствия более горячего газа, создаваемого более высокой компрессией в цилиндре. Двигатель HCCI находится где-то посередине. Хотя он смешивает свою воздушно-бензиновую смесь во время такта впуска, как в двигателе с циклом Отто, эта смесь самопроизвольно воспламеняется из-за сжатия, как дизель.
SPCCI от Mazda отличается от экспериментальных двигателей HCCI, которые продемонстрировали более крупные автопроизводители (но так и не запустили в производство), тем, что в нем используется свеча зажигания для управления процессами сгорания. Начиная с такта впуска в цилиндр подается сверхбедная топливно-воздушная смесь. Соотношение воздух/топливо варьируется, но всегда намного больше, чем стехиометрическое, или идеальное соотношение воздух/топливо 14.7: 1, и настолько бедное, что его нельзя воспламенить от искры – отсюда необходимость воспламенения от сжатия. Перегородка на впускном отверстии создает завихрение в камере сгорания, заставляя первичную воздушно-топливную смесь прижиматься к стенке цилиндра. В конце такта сжатия вторая порция топлива впрыскивается прямо рядом со свечой зажигания, где она удерживается, как птица в глазу урагана, завихряющейся смесью и быстро воспламеняется от искры. Пламя распространяется от свечи наружу и вниз, создавая волну давления, движущуюся напротив поднимающегося поршня. Увеличение эффективного давления в цилиндре (не фронт пламени) сжигает первичную воздушно-топливную смесь и инициирует рабочий ход.
Mazda обеспечивает еще более точный контроль над сочетанием искрового зажигания и воспламенения от сжатия, изменяя волну давления пламени с помощью регулировки времени впрыска и зажигания. Изменения этой волны давления, конечно же, приводят к изменениям эффективного давления в цилиндрах, что делает Skyactiv-X де-факто двигателем с переменной степенью сжатия. Однако, в отличие от грядущего двигателя Infiniti Variable Compression-Turbo, который механически изменяет степень сжатия (расчет основан на минимальном и максимальном объеме цилиндра), X имеет фиксированную степень сжатия, но меняет степень сжатия каждого цилиндра. эффективный давление.
Но как, черт возьми. . . ?
Естественно, SPCCI Mazda началась с попытки построить двигатель HCCI. Mazda быстро столкнулась с теми же проблемами, что и другие автопроизводители. Контролировать однородное сгорание, которое в противном случае равносильно потенциально опасному предварительному зажиганию, сложно без синхронизации искры или впрыска, что требует жесткого контроля количества воздуха и топлива в цилиндре, а также давления и температуры. Таким образом, HCCI не переносит более высокие обороты двигателя и чрезвычайно чувствителен к колебаниям атмосферного давления, которые возникают при изменении высоты или погодных колебаниях.
Сделайте это правильно, и HCCI будет работать хорошо, хотя в мягких условиях вождения мало кто когда-либо сталкивался во время поездок на работу с педалью в пол. Переходы обратно к искровому зажиганию в узких идеальных условиях эксплуатации HCCI (низкие обороты двигателя и малая нагрузка) чреваты такими проблемами, как пропуски зажигания и нежелательное преждевременное зажигание или детонация. Используя искру для управления процессами, Mazda решает большинство этих проблем и расширяет рабочий диапазон воспламенения от сжатия (CI) до более высоких оборотов двигателя и даже при умеренных нагрузках, например, при ускорении. Самовозгорание по-прежнему происходит, но, по словам инженера Mazda, это «хороший стук» или детонация, которая инициируется или возникает во время рабочего такта. Сравните это с «плохим стуком», который представляет собой преждевременное зажигание во время такта сжатия, из-за которого двигатели взрываются. Предварительное зажигание и детонация разные, но в разговоре их часто меняют местами. Mazda может назвать один «хорошим», но вы не хотите ни того, ни другого в своем двигателе.
Еще одним ключом к более частому запуску CI является небольшой нагнетатель типа Roots с ременным приводом, который может обеспечить максимальное давление наддува около 7.0 фунтов на квадратный дюйм. Это не для увеличения мощности; вместо этого нагнетатель добавляет в двигатель больше воздуха для данного количества топлива, сохраняя смесь достаточно бедной для воспламенения от внутреннего сгорания даже при более высоких оборотах двигателя. Он сцеплен, чтобы он мог разъединяться при более низких оборотах двигателя, чтобы соотношение воздух/топливо не становилось слишком обедненным.
Охлаждаемая система рециркуляции отработавших газов (EGR) с электронным управлением, позаимствованная у CX-9, помогает контролировать температуру сгорания, и в то время как серийный газовый четырехцилиндровый двигатель Skyactiv-G имеет регулируемые фазы газораспределения на стороне впуска и выпуска, Система SPCCI заменяет гидравлический привод выхлопа G на более быстрое электрическое управление (как и G, он также использует электронное срабатывание для стороны впуска). Поскольку отсутствие перекрытия клапанов в режиме CI может усложнить продувку выхлопных газов, а второй впрыск топлива во время SPCCI воспламеняется почти сразу, как топливо, впрыскиваемое в дизельный двигатель, Mazda нуждалась в способе минимизировать образование сажи. Решение? Система впрыска топлива под высоким давлением, которая способствует более быстрому распылению второго впрыска топлива для более чистого сгорания.
SPCCI Wizbangery, установленный на 2.0-литровом рядном четырехцилиндровом двигателе, развивает мощность около 190 лошадиных сил и 207 фунт-фут крутящего момента. Сравните это с 3-литровым двигателем Skyactiv-G нынешней Mazda 2.0, его 155 пони и 150 фунт-футов. Mazda также обещает повышение эффективности на 30 процентов, и не только в циклах испытаний EPA по экономии топлива. Нам показали графики, сравнивающие расход топлива при различных оборотах двигателя и нагрузках как для Skyactiv-G, так и для нового Skyactiv-X, и в то время как эффективная зона G выглядит как небольшое пятно между осями нагрузки и оборотов двигателя, эффективная зона X выглядит как будто кто-то уронил на него большой шарик мороженого. Он просто более эффективен в более широком диапазоне скоростей и нагрузок, поскольку может работать в модифицированном режиме CI.
Корпоративный акцент Mazda на удовольствии от вождения имеет множество последствий. Инженеры говорят нам, что передаточные числа имеют гораздо меньшее влияние на эффективность X, чем на G, позволяя использовать более короткие передаточные числа, которые улучшают реакцию, одновременно побуждая двигатель оставаться в эффективном режиме CI с более низкими нагрузками. Но разве более быстрое вращение двигателя не вредно для экономии топлива? Помните, что Mazda может подавать в двигатель достаточное количество воздуха через нагнетатель на более высоких оборотах, чтобы поддерживать достаточно бедную воздушно-топливную смесь для события CI. Даже в режиме искрового зажигания X использует очень бедную топливную смесь и использует цикл Аткинсона (или цикл Миллера, если включен нагнетатель), в котором впускной клапан закрывается поздно в такте сжатия, чтобы максимизировать эффективность мощности (расширения). Инсульт.
Из-за отсутствия более тяжелого блока цилиндров, последовательного турбонагнетателя и дополнительного оборудования для выхлопных газов, которое увеличивает стоимость 2.2-литрового дизельного двигателя Mazda Skyactiv-D, говорят, что сборка X лишь немного дороже, чем Skyactiv-G. В облике прототипа X не имеет ничего общего со Skyactiv-G, хотя большая часть волшебства по-прежнему заключается в программном обеспечении X. Существуют предварительно загруженные карты двигателя для того, что должно происходить — с использованием искрового зажигания, CI или их сочетания — при заданных положениях дроссельной заслонки, оборотах двигателя и нагрузках. На практике компьютер сверяет показания датчика детонации каждого цилиндра с этими базовыми настройками и вносит необходимые коррективы в соотношение воздух/топливо и рециркуляцию отработавших газов.
Есть недочеты, которые нужно отработать, а именно шум, создаваемый так называемым «хорошим» стуком при переходах между искровым и компрессионным зажиганием, а также окончательная настройка системы управления двигателем и испытание на долговечность. Но у Mazda есть два года, чтобы сделать это правильно. На данный момент у него есть работающий бензиновый двигатель с воспламенением от сжатия и четкий план по выпуску этого двигателя в продажу в качестве опции премиум-класса по сравнению с его вездесущим Skyactiv-G. Маленькая компания может быть относительно скудной, но, как и Skyactiv-X, она работает плохо.
Этот контент импортируется из OpenWeb. Вы можете найти тот же контент в другом формате или найти дополнительную информацию на их веб-сайте.
