Skyactiv X med pris för automatisk motor och sportteknik

Mazdas modernaste motor vinner Media Grundare Paul Pietsch Award

Varje år presenterar auto motor und sport media det internationella Paul Pitch-priset för teknisk innovation. Vid en tidpunkt då elektrisk rörlighet i allt högre grad ses som en ersättning för en förbränningsmotor har Paul Pietsch 2020-priset tilldelats just en sådan värmemotor. Men det har en avantgardekaraktär. Inget annat företag har uppnått kombinationen av homogenisering som en bensinmotor och självantändning som en dieselmotor, med fördelarna med båda typerna av motorer i en produktionsmodell. Detta är ett tillfälle att berätta igen om hur den här apparaten fungerar.

Med bensininsprutningstryck som i en dieselmotor, tändstiftständning, självtändning, "λ" som ständigt förändras är Skyactiv X verkligen en revolution inom bilindustrin.

Mazdas HCCI-motorutveckling går tillbaka över 30 år och baseras till stor del på extremt djupgående bränsleanalys i Wankelmotorns utveckling. Flera generationer av ingenjörer utbildas på denna grund, vilket skapar mycket huvudvärk och problem, men också ger mycket erfarenhet.

Det var i djupet av den roterande motorn som de första prototyperna av maskiner med homogen blandning och självantändning hittades. Wankel-motorn fungerar också som en plattform för utveckling av olika turbo-relaterade teknologier - det här är RX-7, som introducerar elementära VNT-turboladdare, dubbeljetturbiner och kaskadtankning i en bensinmotor som endast användes av Porsche.

The X-Files

Den direkta basen för nuvarande Skyactiv X är dock den redan beprövade nya generationen av bensinmaskiner Skyactiv G och Skyactiv D. Om du tittar på lösningarna som presenteras i dessa enheter kommer du oundvikligen att upptäcka att de till viss del är "förverkligade". "I den nya SPCCI-anläggningen, från erfarenheter från att analysera förbränningskammare till flödesturbulens.

Enligt denna hypotes är Skyactiv X effektivare än bensinmotorn 2ZR-FXE som drivs av Toyota Prius (använder Atkinson-cykeln) med 39 procent, men Mazda är själv medveten om att denna höjdpunkt inte är den viktigaste. För det mesta går motorn med halvlast och den genomsnittliga verkningsgraden för en bensinmotor sjunker dramatiskt. På grund av att Skyactiv X i de flesta fall arbetar med en vidöppen fjärilsventil, minskar pumpförlusterna avsevärt och genomsnittlig verkningsgrad. Detta, i kombination med det höga kompressionsförhållandet, resulterar i en gemensam effektivitetsökning.

En stor prestation för Mazda-ingenjörer är det faktum att deras Skyactiv X arbetar i ett homogent och självantändande läge över ett mycket brett spektrum av hastigheter och laster. I praktiken kombinerar den de processer som inte bara används i diesel- och bensinmotorer utan också liknar dem i bensinmotorer och bensinmotorer med magert brännskada. Det senare producerar också normala och dåliga områden, men till skillnad från dem, där processen helt sker med blixtens främre del, i fallet med Mazda, tänds den dåliga blandningen spontant med hjälp av en tändstift.

Vad händer i Skyactiv X? Alla experimentella motorer som arbetar på basis av det hittills skapade HCCI-läget är baserade på mycket komplex självantändningskontroll (baserat på värme och tryck under kompression och preliminära kemiska reaktioner mellan bränsle, gaser och luft) med instabila driftsparametrar som uppstår i ett antal lägen. till normal motordrift. En Mazda-motor använder alltid en tändstift som förbränningsinitiator. Skillnaden från den normala driften av en bensinmotor ligger emellertid i de efterföljande händelserna. Detta gör övergången till olika lägen mycket mer balanserad och detta sätt att kontrollera i HCCI-läge resulterar i en stabil och stabil process.

Saker i teorin

Skyactiv X är baserat på den naturligt sugade, fyrcylindriga Skyactiv G 0,5-litern, som i sig är en bra bas med hög effektivitet. Dessutom har den en förskjutning på 16,3 liter per cylinder, vilket är optimalt med avseende på förbränningsprocessernas hastighet. För att skapa förhållanden för HCCI-drift ökades det geometriska kompressionsförhållandet till 1: 95. Således tjocknar blandningen till en temperatur nära autoignitionstemperaturen för de flesta fraktioner i bensin med ett genomsnittligt oktantal på XNUMXH och normal motorens driftstemperatur.

Baserat på data från flera sensorer, bland vilka fyra trycksensorer på varje cylinder är nyckeln, bestämmer datorn vilket driftsätt som ska väljas. Den senare bestäms på basis av flera funktionella zoner, beroende på hastigheten och belastningen (med andra ord, graden av nedtryckning av gaspedalen) på motorn. Med hjälp av en speciell virvelmodul kallad SCV (inklusive en speciell luftregleringsventil i en av insugsportarna) skapas ett intensivt turbulent flöde runt cylinderaxeln. Beroende på förhållandena och baserat på jämförelsen av uppbyggnadskurvan för kompression och förbränningstryck och många andra parametrar i de förinställda "kartorna", insprutar multiportinjektorn bränsle vid tryck som närmar sig de för de första generationernas common rail. dieselsystem. - från 300 till 1200 bar - i flera portioner. Detta görs från en lång puls (i en normal flammande process) till flera pulser under insugnings- och kompressionsslaget (i självantändningsdrift). Uppenbarligen är det rekordhöga insprutningstrycket för en bensinmotor också ett nyckelelement i blandningen. Men en logisk fråga uppstår - hur kommer hela uppsättningen parametrar att förändras om och när man ska byta till lägre motoreffekt och turboladdning, med ett ökat tryck i cylindern, såväl som med behovet av att öka portionerna av bränsle ...

Allt händer snabbare

Mazdas SPCCI-patent är 44 sidor långt och visar att bilen körs i tändstiftsautotändningsläge (SPCCI) under en betydande del av tiden. Styrningen är baserad på flera typer av SPCCI-självantändningslägen under dess drift - en med en mestadels dålig blandning, en mestadels normal blandning och en något rik blandning. I samtliga fall skapar insprutnings- och virvelkonfigurationen lager med olika sammansättning (stratifiering) koncentriskt runt axeln, med en rikare inre zon (luft:bränsleförhållande ca 14,7-20:1) och en smalare yttre zon (35). -50:1). Den inre har tillräcklig "antändlighet", och den yttre har nått nästan den kritiska temperaturen för självantändning nära kolvens övre dödpunkt under kompression. Tändstiftets gnista sätter igång antändningen av den inre zonen, vilket gör att temperaturen och trycket stiger kraftigt, och detta gör att de andra spontant tänder samtidigt. Eftersom det inte finns någon flashfront uppstår det vid temperaturer under tröskeln för bildning av kväveoxider, vilket drastiskt minskar närvaron av kväveoxider, och en svag homogen blandning ger en mer fullständig förbränning och mycket låga halter av partiklar, kolmonoxid och kolväten.

Beroende på driftsförhållanden – såsom medelhastighet och hög belastning, och i alla fall vid hög hastighet – startar den mekaniska kompressorn för att ge mer luft och tömma blandningen ytterligare. Även om syftet inte är att öka kraften, bidrar det till bilens goda dynamiska egenskaper. Patentet nämner också att bilen kan vara turboladdad, och logiskt sett kan den lägre avgastemperaturen tillåta användningen av en turbin med variabel geometri. För nu har dock styrningen med en mer känslig mekanisk kompressor blivit enklare (förutsatt att en sådan definition är kompatibel med Skyactiv X). Enligt Mazdas ingenjörer kan användningen av en turboladdare komma i ett senare skede.

Det är viktigt att notera att de lyckats skapa något som ingen annan har kunnat göra – åtminstone inte i serieform. Många sensorparametrar jämförs med förinställda beteenden för lägesval, men faktum är att "SPCCI Mode"-tecknet i praktiken visas på Mazdas display för det mesta, även vid mycket låga och mycket höga varvtalsintervall - även vid mycket låga rpm Mazda3 går smidigt i sjätte växeln.

Hur händer detta i verkliga livet?

Efter en så lång teoretisk del är det äntligen dags att svara på frågan – vad leder allt detta till i praktiken i slutändan. Precis som bensinmotsvararen tar bilen upp fart lätt och reagerar snabbt. Under tester, inklusive klättringar och svängar i Iskar Gorge, normalt intercity- och motorvägsläge, bibehåller Mazda 3 Skyactiv X sin förbrukning i intervallet cirka 5,2 l/100 km. Den genomsnittliga testförbrukningen som uppnåddes av kollegor i Tyskland är 6,6 l/100 km, men detta inkluderar även höghastighetskörning. I ett ekonomiskt körprov uppnår de 5,4 l/100 km, vilket är 124 g/100 km CO2, vilket är i nivå med Audi A3 2.0 TDI, BMW 118d och Mercedes A 200d. Det bör dock noteras att trots den komplexa driftprocessen behöver denna maskin inte komplex gasbehandlingsteknik, men å andra sidan ökar det mycket högtrycksinsprutningssystemet dess kostnad. Å andra sidan är en liten mekanisk kompressor billigare än en turboladdare, så den bör placeras som ett pris mellan diesel- och bensinmotorer.

Motorn är i harmoni med Mazda 3:s dynamiska karaktär och dess goda inställningar för trevlig kurvtagning. Styrningen är exakt upplagd och bilen håller ett neutralt uppträdande, som visar en tendens att vrida på bakhjulen endast vid skarpa provokationer. Till detta kommer en bra blandning av assistanssystem och utrustning, som hos Mazda är en del av utrustningen på olika nivåer. Vi har redan pratat tillräckligt om den nya ergonomiska sammansättningen av kontrollen. Funktionerna styrs inte av monitorn och är enkla och bekväma att använda. Sammantaget har interiören en subtil känsla av lätthet och kvalitet som bara fanns i lyxmodeller för många år sedan. Kort sagt – Skyactiv X fungerar – och det tänder dig verkligen.