За да разберем как Mazda създаде функционален HCCI мотор, трябва да се върнем в историята
Има някаква магия във всичко това. В тези хора, които просто не мирясват докато не докажат, че това което изглежда невъзможно, е само въпрос на време, вяра и упоритост. Ако се поровим малко повече в историята на еволюцията на ванкеловия двигател при Mazda, ще открием невероятни неща. Тази машина е основа на множество новаторски решение и експерименти, включително двуструен турбокопресор, турбокомпресор с променлива геометрия и каскадно пълнене при бензинов двигател, с което по-известен става Porsche. Всички проблеми на горивните процеси във ванкеловия двигател дават изключително богат опит в контрола на горивните процеси, които пък са база за всичко, което напоследък създава Mazda под формата технологиите Skyactiv. Ето за какво става дума.
През април 1963 година Mazda създава свой собствен изследователски отдел по роторни мотори, който има за цел да развие целия процес свързан с конструирането и подготвянето за серийно производство на ванкелови агрегати. Първият проблем, с който инженерите трябва да се справят, е склонността към образуване на дълбоки напречни канали върху статора в резултат от естествените честоти на вибрация на уплътнителните пластини, както и повишеният разход на масло. След множество опити, те заедно с Nippon Piston Ring и Nippon Oil Seal, създават изцяло нова концепция за конструиране и производство на уплътнителни пластини.
Но те са само част от проблемите. В началото на 60-те години, по време на първоначалните фази на разработка, Mazda създава различни проекти за роторни двигатели преди да се спре на най-подходящата от гледна точка на съчетание от балансирана работа и себестойност решение с два ротора. Двуроторният двигател има вибрации близки до тези на редови шестцилиндров бутален двигател (въпреки въртеливото движение, при еднороторния все още са налице колебания поради факта че има само един работен такт на оборот на вала). След два прототипни агрегата подложени на множество тестове се ражда и първият сериен двуроторен мотор на Mazda под името L10A, който от 1967 година започва да се монтира на Cosmo Sport. Машината е с работен обем от 2 х 491 см3 има новоразработени уплътнителни пластини изработени от изключително здравия пирографит и синтерован алуминий, които са със значително намалено износване. Те са и първият същински пробив на Mazda по отношение на надеждността на ванкеловия двигател. Компанията започва монтажа на мотора и в други модели на компанията, и точно когато хоризонтът пред роторния двигател започва да изгледа по-чист, през 1970 година тя се сблъсква с нови предизвикателства. Американското правителство започва въвеждането на нормите свързани с т.нар. „Мъски акт“ според който автомобилите значително трябва да намалят нивото си на замърсяване в отработилите газове. Поради спецификите на работа, споменати в предишната част на поредицата, ванкеловият двигател генерира по-малко азотни окиси, но повече въглеводороди от конвенционалния бутален мотор. Затова от Mazda интегрират в изпускателните системи на машините си първоначално с устройство наречено термореактор, а по-късно когато катализаторът става достатъчно съвършен, то е заменено именно с такъв.
Да живее ванкеловият мотор
Именно това разделно време компанията за първи път има шанса да демонстрира духа, който ще стане характерен за нейния облик – когато настъпва първата петролна криза през 1973 година и изискванията към емисиите се съчетават с изисквания и към разход на гориво, повечето компании напълно изоставят плановете си за развитие на ванкеловия двигател. Вместо да поемат по този консервативен път, отговорните фактори от Mazda поставят началото на така наречения Projеct Phoenix, в основата на който стои целта от намаляване с 20 процента на разхода на гориво на ванкеловия мотор още през първата следваща година от развойната работа и с още 40 процента през следващите. За целта инженерите трябва да се върнат на чертожните маси и фундаментално да преразгледат работата на двигателя с вътрешно горене и този на роторния двигател в частност, прецизирайки всичко – от горивните процеси до карбураторите. След поредица от детайлни промени и с въвеждането на топлобоменник (още едно иновативно решение) на изпускателната система намалението вече достига 40 процента. Израз на фундаменталните промени постигнати в тези години благодарение на проекта „Феникс“ е спортната (Savanna) RX-7, представена през 1978 година. Като част от усъвършенстването на използваните технологични решения са въведени високоенергийна запалителна система, а впоследствие и процес на работа с бедни смеси с предкамера. Към това се добавят всмукателни тръбопроводи с променлив контур за двигателя 12А (2х 573 см3) които са особено ценни за подобен двигател пълнещ се по подобие на двутактовите двигатели чрез всмукателни отвори, а не с клапани. През 1983 година версията на вероятно най-култовият роторен двигател 13B с атмосферно пълнене се сдобива с развитие на всмукателната система с променливи контури наречено Dynamic Supercharging използващо ефектите от образуване на поредици от вълни с високо и ниско налягане пред всеки всмукателен отвор за създаване на ефект на подобрено пълнене. Благодарение на тази система версията на 13B с шест всмукателни отвора отваряни в зависимост от натоварването и оборотите, както и два инжектора става значително по-ефективен.
Роторните турбо мотори
Година по-рано, през 1982-ра Mazda представя и своя Cosmo RE Turbo, с който компанията отново става първопроходец в дадена област. Това е първият автомобил задвижван от роторен двигател оборудван с турбопълнене. Този тип машина и турбокомпресорът се оказват създадени един за друг. Рязкото отваряне на изпускателния отвор създава мощна вълна на газовете с висока кинетична енергия насочена към турбокомпресора с което изключително се подобрява ефективността му. При това то компенсира по-ниския въртящ момент спрямо конвенционалните бутални двигатели заради кинематиката на мотора и по-малкият „лост“ на ексцентриковия вал спрямо този на коляновия. Но дори и това не достатъчно на инженерите от Mazda. За още по-добра работа на съчетанието от двигател и турбина те създават два типа системи за двуструйно пълнене.
Технологията, която още по това време Mazda нарича Twin Scroll Turbo и се използва във версията 13B задвижваща второто поколение на RX-7 е опростена разновидност на VNT турбокомпресор, която вместо насочващи газовете лопатки използва два отделни канала по които те се отправят към турбината. При по-ниски оборотни режими единият канал се затваря с клапа, а движението на газовете само в другия им осигурява по-висока скорост и среща с турбината в нейната периферна част. При високи обороти и натоварване газовете преминават и по двата канала и удрят турбинното колело по цялата дължина на лопатките. Като част от развитието на 13B през 1989 година Twin Scroll Turbo е заменена със системата Independent Twin Scroll Turbo работеща на класическия принцип за отделяне в различни канали на взаимно гасящите се пулсации на газовете от отделните горивни камери както при съвременните двуструйни компресори.
Още от 1983 година компанията вече използва система за впръскване на горивото, заменяща карбуратора, като за целта се монтират два инжектора на ротор. При по-късните версии на двуроторният 13B-REW и трироторният 20B-REW инжекторите са различни като при по-малко натоварване и обороти се използва такъв с по-малък капацитет, но по-фино разпрашаване.
След почти три десетилетия борба с тъмните сили на роторния двигател, в която Mazda отдавна е поела ролята на единствен актьор в този моноспектакъл, е създаден и най-мощният сериен роторен двигател. По това време Mazda вече е въвела името Eunos за част от най-престижните си модели, а Eunos Cosmo се задвижва от трироторния 20B-REW, чийто баланс на работа почти достига нивото на V12 двигател. Оказва се обаче че конструирането и производството на трироторен мотор е доста сложен процес – това не е просто „наслагване“ на ротори. След като разделянето на зъбния механизъм на средния ротор се оказва прекалено комплексна задача е избран вариант с използване разделен ексцентриков вал със скосени връзки. Помощ за това идва и от спортния отдел, чийто модели участват в различни състезания, голяма част от които маратонски имащи за цел определяне на границите на надеждността на роторните двигатели.
Версията на 20B-REW с мощност от 280 к.с. има 410 Нм въртящ момент при едва 3000 об./мин (много ниски предвид спецификите на мотора – при тях буталото се върти с едва 1000 об./мин). В поредния етап на еволюцията на двата агрегата както 13B-REW, така и 20B-REW се сдобиват със система за каскадно пълнене с малък и голям турбокомпресор (Hitachi HT15). До този момент единствено Porsche със свърхскъпия си 959 е използвала подобно нещо в бензинов двигател. През следващите години и 13B ще бъдe значително усъвършенстван, най-вече по отношение на електронното управление – с по-добри инжектори, дигитален контрол на процесите, детонационни датчици, система за прецизен контрол на смазването на различните детайли (който сам по себе е огромен труд в областта на трибологията) с измерване на температурата на на уплътнителните пластини като пряка връзка с триенето, водещ до значително намаляване на разхода на масло т.н.
(следва)
Текст: Георги Колев