Летом 2017 года Mazda объявила: автомобильная компания нашла способ производить бензиновые двигатели с воспламенением от сжатия для легковых автомобилей. Mazda заявила, что ее новый двигатель может улучшить экономию топлива на 20-30 процентов, что является значительным достижением для бензинового двигателя.

Прежде чем погрузиться в эту технологию, стоит отметить, что двигатель с воспламенением от сжатия не является новой концепцией. В автомобилях Формулы-1 используются двигатели с воспламенением от сжатия, и несколько других автопроизводителей попытались разработать коммерчески жизнеспособную версию для легковых автомобилей. Но двигатель Mazda, получивший название Skyactiv-X, станет первым серийно выпускаемым и коммерчески доступным двигателем такого типа. Благодаря Джею Чену, инженеру по силовым агрегатам Mazda, HowStuffWorks удалось узнать, как был достигнут этот прорыв. Однако сначала мы должны взглянуть на основные функции двигателя.

Двигатель работает за счет воспламенения топлива двумя способами: теплом и сжатием. Двигатели с искровым зажиганием используются в большинстве бензиновых автомобилей. В этих типах двигателей свечи зажигания воспламеняют топливо в камере сгорания, в то время как топливно-воздушная смесь также сжимается. Конечно, это очень упрощенная версия процесса, просто чтобы проиллюстрировать основное различие между двумя типами двигателей. Двигатели с искровым зажиганием следуют циклу и требуют точной синхронизации для работы, но, как правило, надежны в различных условиях [источник: Knight].

Двигатели с воспламенением от сжатия работают как дизельные двигатели. Дизели рассчитаны на гораздо более высокое сжатие (что требует более тяжелых компонентов и более прочной конструкции) и используют свечи накаливания в качестве источника тепла, а не свечи зажигания. Свечи накаливания нагревают камеру сжатия, что, в свою очередь, увеличивает компрессию внутри камеры. Когда топливо добавляется в камеру, оно распыляется на кончик свечи накаливания, но процесс больше зависит от сжатия, чем от контакта топлива и свечи. Отсутствие «искры» помогает дизельным двигателям достигать более высоких рейтингов EPA, чем бензиновые двигатели с аналогичными характеристиками [источник: Стюарт].

Если мы сосредоточимся на газе, вам может быть интересно, какой смысл объяснять, как работает дизельный двигатель? Просто, чтобы проиллюстрировать важность сжатия. Лучший способ улучшить газовый двигатель — выяснить, как повысить степень сжатия, что позволит двигателю более эффективно использовать запасы топлива.

Бензиновый двигатель с воспламенением от сжатия сочетает в себе лучшие стороны этих процессов. Двигатель запрограммирован на захват воздуха (как правило, выхлопных газов) в цилиндре двигателя путем регулировки синхронизации выпускных и впускных клапанов. Топливные форсунки добавляют топливо к этим захваченным выхлопным газам, и, поскольку захваченная смесь находится под очень высоким сжатием, относительно небольшое количество топлива может воспламениться.

Двигатели с воспламенением от сжатия можно даже разделить на два разных типа [источник: Линдберг].

Основное различие между этими двумя двигателями заключается в точке процесса добавления топлива, достигаемой за счет корректировки циклов двигателей и времени. В остальном двигатели работают аналогично; сжатие является наиболее важным фактором.

Двигатели с воспламенением от сжатия имеют несколько преимуществ и, по крайней мере, столько же недостатков. Среди его преимуществ:

«Грубая аналогия: искровое зажигание похоже на разжигание огня путем поджигания только одного края газеты и постепенного распространения пламени по бумаге», — объясняет Джей Чен, инженер по силовым агрегатам Mazda, по электронной почте. «[Воспламенение от сжатия] больше похоже на самовозгорание, когда топливо и воздух достигают критического давления и температуры, и весь заряд одновременно меняет фазу, таким образом высвобождая всю энергию сразу. Высвобождая всю энергию почти сразу, [ воспламенение от сжатия] может извлекать больше энергии (поскольку это происходит задолго до того, как степень расширения будет исчерпана) из того же количества воздуха, используя в два-три раза меньше топлива и при гораздо более низких температурах сгорания, что еще больше снижает потери тепловой энергии и образование выбросов. .»

Звучит здорово, правда? Проблема в том, что эти двигатели очень привередливы — если бы их было легко проектировать и использовать, мы бы уже ездили на них. Даже если вы не знакомы с дизельными двигателями, вы, возможно, слышали, что они могут быть неудобны в неоптимальных условиях. Частично это связано с самим дизельным топливом, которое имеет тенденцию к «желированию» при очень низких температурах. У нас нет такой проблемы с бензином, который остается жидким даже при минусовых температурах. Но на воспламенение от сжатия по-прежнему могут влиять погодные и другие условия окружающей среды, а также другие факторы, такие как качество топлива.

«До сих пор двигатели внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия существовали только в стабильных лабораторных условиях или в сырых прототипах автомобилей, слишком грубых для применения в производстве», — говорит Чен.

Другими словами, если давление и температура в цилиндрах не поддерживаются тщательно, процесс не будет работать. Слишком низкие температуры могут повредить чувствительные компоненты двигателя. Если двигатель перегреется, он может начать детонировать — состояние, которое возникает, когда топливно-воздушная смесь становится слишком горячей и детонирует в неподходящий момент, что приводит к трате топлива и приводит к плохой работе двигателя. Двигатель с искровым зажиганием также может быть слишком холодным или слишком горячим, но его погрешность гораздо выше.

Надежная работа двигателя с воспламенением от сжатия зависит от точной комбинации воздуха, топлива и выхлопных газов, смешанных в идеальном соотношении, при идеальном сжатии, с правильным количеством тепла, подаваемым в нужное время. Как мы знаем, никто еще не смог построить автомобиль с газовым двигателем с воспламенением от сжатия, поэтому этот процесс нуждался в дальнейшем совершенствовании.

Вскоре после объявления Mazda эксперты автомобильной промышленности начали размышлять, сможет ли массовый двигатель с воспламенением от сжатия «спасти» газовые двигатели. То есть, поскольку отрасль все больше движется к гибридным и электрическим технологиям, может ли этот газовый двигатель быть достаточно эффективным, чтобы быть жизнеспособным соперником?

Чен говорит, что Mazda руководствуется верой в то, что, «выжимая из двигателя внутреннего сгорания все до последней капли эффективности (в сочетании с электрификацией после того, как двигатель внутреннего сгорания будет усовершенствован), мы можем создать метод питания автомобиля в этом столетии». который может генерировать такие же или меньшие выбросы CO2, как и электромобили с чистым аккумулятором, работающие от электростанций, работающих на ископаемом топливе, различных форм».

Другими словами, Mazda считает, что при продолжении инноваций автомобиль с газовым двигателем может быть как минимум таким же эффективным, как электромобиль, а возможно, даже больше. Давайте посмотрим, чем этот прорыв в технологии воспламенения от сжатия отличается от тех, что были до него.

В 2007 году компания Motor Trend управляла автомобилем Saturn Aura с двигателем с воспламенением от сжатия, что позволило снизить расход топлива на 15% по сравнению с обычной Aura [источник: Маркус]. В то время GM планировала выпустить автомобиль с двигателем с воспламенением от сжатия в 2015 году, но бренд Saturn был закрыт всего через несколько лет, и GM постепенно переключила свое внимание на электрические и подключаемые гибридные автомобили, такие как Шевроле Вольт.

Примерно в то же время Mercedes-Benz работал над системой зажигания от сжатия под названием DiesOtto, и у Ford тоже был проект в разработке [источник: Estrada]. Однако ни один из этих двигателей не получил зеленый свет для производства, и опыт Hyundai может помочь объяснить, почему [источник: Маркус].

Если не считать Mazda, Hyundai, вероятно, добился наибольшего прогресса, и его усилия впервые стали известны примерно в 2013 году [источник: Маркус]. Компания разработала свою версию двигателя с воспламенением от сжатия без свечей зажигания или свечей накаливания с целевой датой выпуска в 2023 году.

Несмотря на многообещающий прогресс, в 2016 году Hyundai сообщила, что компоненты двигателя просто недостаточно прочны, чтобы выдерживать сжатие, необходимое для работы процесса. Конечно, можно спроектировать более прочные компоненты двигателя, а именно блок, кривошип и подшипники; так работают дизельные двигатели. Это просто очень дорого, а более прочные компоненты увеличивают вес автомобиля и снижают его общую эффективность. Hyundai с самого начала планировала использовать турбокомпрессор для увеличения мощности и поддержания необходимой степени сжатия, но они обнаружили, что им также понадобится нагнетатель, что еще больше ударило по бюджету. И, наконец, Hyundai не удовлетворил уровень загрязнения, производимого этими силовыми агрегатами. В конце концов, проект оказался намного дороже и далеко не таким чистым и эффективным, как планировалось [источник: Маркус].

Усилия Mazda по развитию продолжаются почти так же долго, как и ее конкуренты.

«Skyactiv-X всегда был в планах еще до того, как было выпущено первое поколение Skyactiv», — объясняет инженер Mazda Чен. «Первым шагом в этой дорожной карте стала технология Mazda Skyactiv, [которая была] представлена в 2009 году. Ключевым улучшением в то время было применение нетрадиционно высокой степени сжатия двигателя для повышения общей эффективности двигателя, а также производительности трансмиссии. Это было достигнуто за счет синергетическая комбинация существующих методов, применяемых вместе для достижения того, что (до этого) считалось невозможным для серийных двигателей».

С точки зрения непрофессионала: «Skyactiv» — это термин для стратегии Mazda по увеличению сжатия для повышения эффективности, и Mazda пришлось немного повозиться, чтобы заставить грядущий Skyactiv-X работать. В результате этой переделки Mazda добавила в смесь свечу зажигания, поэтому двигатель может переключаться между сжатием и искровым зажиганием в зависимости от того, что является наиболее эффективным в данный момент. Может показаться, что это противоречит основам технологии двигателей с высокой степенью сжатия, но Чен говорит, что это работает.

«Этот прорыв, который мы называем искровым воспламенением от сжатия (SPCCI), значительно расширил полезный диапазон работы и управления воспламенением от сжатия, а также предоставил решение для плавного перехода между CI [воспламенение от сжатия] и SI [искровое зажигание]. режимы сгорания, используемые при высоких оборотах двигателя (в случае Skyactiv-X)», — говорит Чен.

Проще говоря, свеча зажигания — это волшебный ингредиент, который позволяет двигателю работать плавно и приспосабливаться к различным условиям, и он будет использоваться только в случае крайней необходимости. Двигатель Mazda спроектирован так, чтобы контролировать себя и регулировать свою работу в зависимости от таких факторов, как текущие условия окружающей среды, манера вождения автомобиля, а также предпочтения и настройки водителя [источник: Estrada].

После того, как Мазде пришла в голову эта идея, на разработку двигателя ушло еще два года, за это время было принято еще одно важное решение. Автомобили, оснащенные двигателями Skyactiv-X, будут оснащены нагнетателями для повышения мощности, что улучшит динамику вождения и поможет убедить потенциальных покупателей рискнуть в этой новой технологии [источник: Estrada].

Последний большой вопрос — когда водители могут ожидать его увидеть? Представитель Mazda говорит, что компания пока не может раскрыть, какие автомобили будут первыми оснащены двигателем Skyactiv-X или когда они будут доступны. Мы также не знаем, будут ли автомобили с двигателями с воспламенением от сжатия стоить дороже, чем сопоставимые автомобили с двигателями с искровым зажиганием. Однако можно с уверенностью предположить, что, хотя Mazda будет первой на рынке с этой технологией, другие производители почти наверняка последуют за ней.