Вход

Абонамент

Благодаря, че избрахте да се абонирате за auto motor und sport. Изберете вида абонамент и въведете нужните данни, а ние ще се погрижим списанията да достигнат до Вас максимално бързо.

Избери годишен абонамент и вземи 20% отстъпка.

Абонамент

Благодаря, че избрахте да се абонирате за auto motor und sport. Изберете вида абонамент и въведете нужните данни, а ние ще се погрижим списанията да достигнат до Вас максимално бързо.

Избери годишен абонамент и вземи 20% отстъпка.

Абонамент

Благодаря, че избрахте да се абонирате за auto motor und sport. Изберете вида абонамент и въведете нужните данни, а ние ще се погрижим списанията да достигнат до Вас максимално бързо.

Избери годишен абонамент и вземи 20% отстъпка.

Абонамент

Благодаря, че избрахте да се абонирате за auto motor und sport. Изберете вида абонамент и въведете нужните данни, а ние ще се погрижим списанията да достигнат до Вас максимално бързо.

Избери годишен абонамент и вземи 20% отстъпка.

0 продукта | 0 лв.

Абонамент

Благодаря, че избрахте да се абонирате за auto motor und sport. Изберете вида абонамент и въведете нужните данни, а ние ще се погрижим списанията да достигнат до Вас максимално бързо.

Избери годишен абонамент и вземи 20% отстъпка.

auto motor und sport Bulgaria logo

Термодинамика: Mazda Skyactiv X отблизо

05.12.2017 00:34

Създаденият от Mazda двигател е може би най-голямата революция в развитието на ДВГ

Преди година от Mazda го нарекоха „страхотна технология“. На изложението в Токио тази година, компанията представи официално двигателя работещ на принципа HCCI и обяви че от 2019 година той ще задвижва новата Mazda 3. Техническото решението обаче е неочаквано...

На 28 декември 2015 година Mazda подава заявка за патент в Американското патентно ведомство с на пръв поглед тривиално  име – „Структура на горивна камера за двигател“ – и през от юли 2016 го получава под номер 02011551. Всъщност обаче зад този патент се крие нещо революционно – цяла гама от технологични решения, имаща за цел организирането на изключително високотехнологичен и ефективен горивен процес с висока степен на сгъстяване (18:1) и работа в определени режими като двигател с хомогенна смес и самовъзпламеняване. Революционно, защото преди десетина години развитието на двигателите от HCCI, което изглеждаше като изключително перспективно решение, комбиниращо най-добрите качества на дизеловия и бензиновия мотор стигна до задънена улица, въпреки усилията на конструкторите. Смяташе се че до наши дни машините с хомогенно смесообразуване и самовъзпламеняване вече ще достигнат ниво на серийно производство, но това не стана факт.    
 
Задънената улица

Най-ярка демонстрация за потенциала на технологията и възможностите на двигателя с вътрешно горене бе представеният през 2007 година двигател Diesotto задвижващ концептуалния модел Mercedes F700. Но Mercedes не бе сред първите, които показваха пред публика действащ прототип на автомобил с двигател от типа, добил известност с означението HCCI – „Homogeneous Charge Compression Ignition Engine” или „двигател с хомогенна смес и самозапалване на горивото”. Малко преди това Volkswagen също бе демострирал подобна разработка (CCS), но за разлика от мотора Diesotto в F700, който работеше с обикновен бензин, двигателят на VW изискваше специално синтетично гориво. Още по-близки до реалността бяха двата концептуални модела на GM в лицето на близнаците Saturn Aura и Opel Vectra, появили се малко преди това и които авторът на тези редове имаше щастието да шофира тогава. Двигателят на GM използваше датчици за контрол на налягането в камерите и променливо газоразпределение с цел прецизиране на впръскването и постигне на необходимите условия за работа в HCCI режим. Електронният модул следеше кривата на нарастването на налягането във всеки цилиндър, а контролните алгоритми настройваха газоразпределителната система и впръскването на гориво. След всеки работен такт в цилиндрите умишлено се оставяха до 60% от отработилите газове, които както при Diesotto химически взаимодействаха с горивото. Американската разработка на двигател HCCI бе осъществена на базата на съществуващ атмосферен бензинов двигател, в сравнение с който разходът на гориво бе снижен с около 15%. Като цяло стандартната конструкция при него бе запазена и макар да не притежаваше всички предимства на Diesotto, този мотор бе значително по-евтин, респ. по-близък до внедряване в серийно производство от германския си колега. Усилията и инвестициите в разработка на подобни агрегати определено имат своите основания, изразяващи се във възможността за създаване на много по-ефективен двигател от нов тип, съчетаващ предимствата на дизеловия и бензиновия мотор.

Предимствата на HCCI

Какво всъщност е спирало досега инженерите да намерят начин за съчетаване на силните страни на двата вида двигатели и какви са предимствата на агрегатите работещи на принципа на HCCI? Неведнъж сме разказвали в auto motor und sport  и ams.bg (броеве 6,7,8 и 9 от 2016 г. и поредицата „Какво се случва в двигателя“, „Бензинов и дизелов двигател в едно или HCCI моторите“ в сайта) както за процесите на горене в дизеловия и бензиновия мотори, така и за теорията стояща зад HCCI. Затова още веднъж съвсем накратко. При HCCI процеса се всмуква въздух и гориво и се създава бедна хомогенна смес, която при сгъстяването от буталото близо до горна мъртва точка се самовъзпламенява. Тази машина има  висока степена на сгъстяване по подобие на дизеловия (освен другото и нужна в името на достигане на необходимата за самовъзпламеняване температура), което означава повече близост между частиците на кислорода и горивото, следователно по-ефективни процеси на горене, както и по-малки загуби от топлина от горивната камера. За разлика от него обаче горивото  е разпределено в целия обем на горивната камера, а това драстично намалява генерираните твърди частици и повишава качеството на горивния процес. По този начин значително се намаляват и изискванията по отношение на системите за дообработка на газовете. Тъй като двигателят работи с бедни смеси регулирането може да става без помощта на дроселова клапа и тя да остане широко отворена. С това пък значително се намаляват помпените загуби при частично натоварване – като например в градско движение при което КПД на бензиновия двигател спада до средно едва 10 процента. Равномерното самовъзпламеняване в целия обем става без факелен фронт с присъщата му висока температура и изисква по-малко време. Така температурата на горене е по-ниска, в резултат от което се генерират значително по-малко азотни окиси. Поради комплекса от кореспоменати фактори по-ниска температура имат и отработилите газове, които освен това имат по-голям дебит, а това означава повече свобода при проектиране на турбопълнене. Апропо, за известен период от време се смяташе че горивният процес използван в двигателя на Mercedes за Формула 1 реализира режим на работа на HCCI с помощта на предкамера. В края на краищата  се оказа че това е конвенционален горивен процес с обеднени смеси. Съвсем логично предвид факта че режимите в двигателите на Формула 1 са изключително динамични и в много голям оборотен диапазен, което прави почти невъзможно използването на HCCI горене.

Всичко това звучи чудесно на теория. Тогава, дали близкото бъдещето не принадлежи на двигателите, които автомобилните компании, независимите конструкторски фирми и университети наричат и с не по-малко адекватното от HCCI наименование CAI – „Сontrolled Аuto Ignition” или „Контролирано самовъзпламеняване”. Много компании и университети продължават с разработките му, но стабилно работещите серийни образци продължават да са доста далеч от реалността, въпреки немалкия брой известни вече концепции и прототипи, освен гореспоменатите. В края на краищата огромните трудности при разрешаването на всички проблеми свързани с проблема с контрола на началото и развитието на горивния процес доведоха до това никой на практика да не е осъществил проектиране на серийно работещ на принципа HCCI двигател.

Точка на пречупване

На изложението в Токио обаче Mazda представи машина, за разработките на която отдавна се знаеше в автомобилните среди. Сега тя вече можеше да се види от плът и кръв. Наречена от създателите си Skyactiv X, защото комбинира качествата на Skyactiv G и Skyactiv D тя работи именно по този начин и, по-важно, през 2019 година ще започне да бъде серийно произвеждана под формата на задвижващ агрегат за новата Mazda 3. Множество оборудвани с този двигатели действащи прототипи на актуалния компактен модел на Mazda въртят километри по различни трасета за прецизни настройки, но вече е факт че те демонстрират явните предимства на тези машини. Мощността на Skyactiv X  е 188 к.с. при двулитров работен обем, въртящият момент е с 10 процента по-висок като максимална стойност и с до 30 процента в определени режими спрямо бензиновия събрат. Благодарение на факта че работи с отворена дроселова клапа той реагира по-бързо при подаване на газ, но същевременно с това достига обороти типични за бензиновите мотори. Разходът на гориво е средно с 20 процента по-нисък от този на Skyactiv G, достигайки 30 процента при режими на частично натоварване, почти изравнявайки се в това отношение със Skyactiv D. От Mazda твърдят че коефициентът на полезно действие на агрегата ще надвиши този на мотора 2ZR-FXE задвижващ Toyota Prius (използващ цикъл на Аткинсън) с неговите 40 процента.  

Голямото постижение на инженерите от Mazda е фактът че техният Skyactiv X функционира в режим на хомогенно смесоообразуване и самовъзпламеняване в много широк диапазон от обороти и натоварване. На практика той съчетава процеси използвани не само от дизеловия и от бензиновия двигатели, но също и в бензиновите агрегати с бедни смеси и газ-дизеловите мотори. Има обаче една подробност – за контрола на процеса на самовъзпламеняване инженерите от Mazda използват...запалителната свещ. За какво става дума? Всички експериментални двигатели функциониращи по режима HCCI създавани досега са базирани на много сложен контрол на самовъзпламеняване (на базата на топлината и налягането при сгъстяването и химическите реакции между горивото, газовете и въздуха) с нестабилни параметри на работа, като в редица режими преминават към конвенционална работа на двигателя. Двигателят на Mazda винаги използва свещта като инициатор на горенето. Разликата спрямо конвенционалния режим на работа на бензиновия мотор обаче е в последващия процес. Поради този факт преминаването в различните режими става много по-балансирано, а тази начин на контрол в режим HCCI води до устойчив и стабилен процес.

Всичко започва с една искра

Като начало за създаване на условия за работа в HCCI режим геометричната степен на сгъстяване е увеличена до 18:1. Така сместа се сгъстява до температурна точка близка на тази на самовъзпламеняване на повечето фракции в бензина. Благодарение на новата система за впръскване на горивото последното се инжектира в двигателя под високо налягане и с помощта на интензивен процес на турбулентност сместа се хомогенизира добре. Процесът става с отворена дроселова клапа и високо съдържание на въздух, респективно с бедна горивна смес. Формата на буталото и турбулентния процес дават възможност в последният момент преди горна мъртва точка да бъде впръскано малко количество гориво и то да бъде подведено към свещта. Благодарение на това се оформя по-богата гориво-въздушна зона около свещта. Ролята на импулс в инициинето на процеса се извършва от искрата на свещта. Тя запалва въпросната смес, създавайки горивен факел типичен за конвенционалния процес на горене в бензиновия мотор. Поради обеднения характер на сместа в останалия обем, той не се разпространява, а затихва, но преди това изиграва една доста важна роля. Сферичният горивен фронт притиска останалата гориво-въздушна смес, предизвиквайки самовъзпламеняване в множество зони и последващо цялостно горене в обема. Всичко това звучи просто, но тук дяволът е състои в детайлите. Смесването на горивото, съчетаването на обогатената зона с обеднената, турбулентността и процесът на иницииране на самовъзпламеняване са много трудни за контрол. Дори в конвенционалните двигатели инженерите се сблъскват с проблема на спонтанно самовъзпламеняване на отделни зони в горивната смес. Тук това е търсен ефект, който трябва да бъде прецизно контролиран и по същество е различен от детонационното горене. За целта инженерите от Mazda използват система за контрол на процесите с измерване на налягането и температурата  в цилиндъра и прецизиране на момента на активиране на свещта. Тъй като в режимите на максимално натоварване се налага количеството на горивото да се увеличава спрямо въздуха достигайки ниво на стехиометрична смес (14,7:1 с каквато работят всички бензинови двигатели в момента, включително и модерните даунсайзинг агрегати) от Mazda прибягват до един трик – добавят към двигателя механичен компресор, който се активира в определен момент и осигурява допълнителен въздух за да може смества да остане обеднена и да осигури по-широк диапазон на работа в HCCI режим. Тъй като количеството гориво не се увеличава пропорционално на въздуха, мощността не се увеличава на тази база и в това отношение се различава от конвенционалните мотори с компресори. От Mazda не уточняват дали все пак двигателят преминава в конвенционален, а не HCCI режим при максимално натоварване, но едва ли това се случва – при степен на сгъстяване от 18:1 последното би довело до иницииране на процес на детонационно горене. Остава и въпросът защо не се използва турбо, а механичен компресор – както казахме работата с бедни смеси по подобие на дизелов двигател означава по-ниска температура на газовете и по-голямо количество от тях – а това е благоприятно за турбопълненето. Предполага се, че поради факта че не се търси голяма мощност, нужният компресор е малък (факт), който не изразходва много мощност. Посленият се активира и контролира по-лесно, реагира по-бързо, използва се в малка част от работните режими и е по-евтин от турбокомпресор – всичко това обезмисля използването на последния.  


Текст: Георги Колев

Коментари
comments powered by Disqus