Jak fungují vznětové motory na plyn

Motor SKYACTIV-X společnosti Mazda je první komerční benzínový motor na světě, který používá kompresní zapalování. Mazda

V létě roku 2017 společnost Mazda oznámila: Automobilka našla způsob, jak vyrobit vznětové benzínové motory pro osobní automobily. Společnost Mazda prohlásila, že její nový motor může zlepšit spotřebu paliva o 20 až 30 procent, což je pro benzinový motor značný úspěch.

Před provedením ponoru do této technologie je třeba poznamenat, že vznětový motor není nový koncept. Auta Formule 1 používají vznětové motory a několik dalších automobilek se pokusilo vyvinout komerčně životaschopnou verzi pro osobní automobily. Ale motor Mazdy, nazvaný Skyactiv-X, bude prvním sériově vyráběným a komerčně dostupným motorem tohoto typu. Díky Jay Chenovi, techniku ​​hnacího ústrojí s Mazdou, se dozvěděl, jak tohoto průlomu bylo dosaženo. Nejprve se však musíme podívat na základní funkce motoru.

Motor pracuje zapalováním paliva dvěma způsoby: teplem a kompresí. Ve většině benzínových automobilů se nacházejí zážehové motory. U těchto typů motorů zapalovací svíčky zapálí oheň, čímž se zapálí palivo ve spalovací komoře, zatímco směs paliva a vzduchu se také stlačuje. Jedná se o velmi zjednodušenou verzi procesu, která má samozřejmě ilustrovat hlavní rozdíl mezi těmito dvěma typy motorů. Zážehové motory sledují cyklus a vyžadují přesné načasování práce, ale jsou obecně spolehlivé za různých podmínek [zdroj: Knight].

Vznětové motory pracují spíš jako dieselové motory. Diesely jsou navrženy pro mnohem vyšší kompresi (což vyžaduje těžší komponenty a silnější konstrukci) a používají žhavicí svíčky jako zdroj tepla spíše než zapalovací svíčky. Žhavicí svíčky zahřívají kompresní komoru, což zase zvyšuje kompresi v komoře. Když je palivo přidáno do komory, je stříkáno přes špičku žhavicí svíčky, ale proces se spoléhá na stlačení více než na kontakt paliva a svíčky. Nedostatek „jisker“ pomáhá dieselovým motorům dosáhnout vyššího hodnocení EPA než benzínových motorů s jinak podobnými specifikacemi [zdroj: Stewart].

Pokud se zaměřujeme na plyn, možná by vás zajímalo, co má smysl vysvětlit, jak funguje dieselový motor? Jednoduše pro ilustraci důležitosti komprese. Nejlepší způsob, jak vylepšit plynový motor, je zjistit, jak zvýšit kompresi, což umožňuje motoru efektivněji využívat přívod paliva.

Vznětové benzínové motory kombinují ty nejlepší části těchto procesů. Motor je naprogramován tak, aby zachycoval vzduch (obvykle výfuk motoru) ve válci motoru úpravou načasování výfukových a sacích ventilů. Vstřikovače paliva přidávají palivo do tohoto zachyceného výfukového plynu a protože zachycená směs je pod velmi vysokým tlakem, relativně malé množství paliva je schopno vznítit..

Vznětové motory lze dokonce rozdělit na dva různé typy [zdroj: Lindberg].

• Zapalování homogenní nábojové komprese (HCCI): Tento motor míchá vzduch a palivo a poté tuto směs stlačuje, dokud se nezapálí. Motor Mazdy bude prvním sériovým motorem HCCI.
• Přímé zapalování benzínu (GDCI): Tento motor stříká benzín do směsi vzduchu a výfuku, která již byla stlačena.

Hlavním rozdílem mezi těmito dvěma motory je bod v procesu, ve kterém se přidává palivo, dosažený úpravou cyklů a načasování motorů. Jinak fungují motory podobně; komprese je nejdůležitějším faktorem.

SKYACTIV-G 2,0-litrový má výkon 2,5-litrového motoru a účinnost 1,5-litrového dieselového motoru. Mazda

Vznětové motory mají několik výhod a přinejmenším tolik nedostatků. Mezi jeho výhody patří:

• Používá méně paliva než zážehový motor
• Využívá palivo efektivněji (jinými slovy, méně energie se ztrácí na skutečné zapálení a na přebytek tepla)
• Protože se spotřebuje méně paliva, znečišťuje auto méně

„Jako hrubá analogie se zapálení zapalováním podobá zapálení ohně osvětlením pouze jedné okraje noviny a necháním plamene postupně stoupat přes papír,“ vysvětluje prostřednictvím e-mailu technik Mazda Jay Chen. „[Kompresní zapalování] je spíš spontánní spalování, kdy palivo a vzduch dosáhly kritického tlaku a teploty a celá fáze nabíjení se mění současně, čímž se uvolní veškerá energie najednou. Tím, že se veškerá energie uvolní téměř najednou, [ kompresní zapalování] může odebírat více energie (protože k tomu dochází před vyčerpáním expanzního poměru) ze stejného množství vzduchu při použití dvakrát až třikrát méně paliva a při mnohem nižších teplotách spalování, což dále snižuje spotřebu tepelné energie a tvorbu emisí . “

Zní to skvěle, že? Problém je v tom, že tyto motory jsou opravdu okouzlující - pokud by se daly snadno navrhnout a používat, řídili bychom je nyní. I když nejste obeznámeni s dieselovými motory, možná jste slyšeli, že mohou být nepohodlné za méně optimálních podmínek. Část toho je způsobena samotnou motorovou naftou, která má tendenci „gelovat“ při velmi nízkých teplotách. Nemáme problém s benzínem, který zůstává kapalný i v podmínkách mrazu. Kompresní zapalování však může být stále ovlivněno počasím a dalšími okolními podmínkami, jakož i dalšími faktory, jako je kvalita paliva.

"Až dosud existovaly vznětové motory s vnitřním spalováním pouze ve stabilních laboratorních podmínkách nebo prototypy surových vozidel příliš drsné, aby mohly být použity ve výrobě," říká Chen..

Jinými slovy, pokud tlak a teplota ve válcích nejsou pečlivě udržovány, proces nebude fungovat. Příliš nízké teploty mohou poškodit citlivé součásti motoru. Pokud je motor příliš horký, může začít klepat - stav, ke kterému dochází, když se směs paliva a vzduchu příliš zahřeje a vybuchne ve špatnou dobu, což plýtvá palivem a má za následek špatně běžící motor. Také zážehový motor může být příliš chladný nebo příliš horký, ale má mnohem větší chybu.

Spolehlivé fungování vznětového motoru závisí na přesné kombinaci vzduchu, paliva a výfukových plynů smíchaných v perfektním poměru, při perfektním stlačení, se správným množstvím tepla aplikovaného ve správný čas. Jak víme, nikdo ještě nebyl schopen vyrobit auto se vznětovým plynovým motorem, takže tento proces musel být dále upřesněn.

Auto poháněné zážehovým motorem s plynem může být přinejmenším stejně účinné jako elektrické auto, a možná ještě více. Reimar Gaertner / UIG

Krátce po oznámení společnosti Mazda začali odborníci v automobilovém průmyslu spekulovat o tom, zda by komprimační motor na velkém trhu mohl „zachránit“ plynové motory. To znamená, že jak se průmysl posune více směrem k hybridní a elektrické technologii, mohl by být tento plynový motor dostatečně účinný, aby byl životaschopným uchazečem?

Chen říká, že Mazda je motivována vírou, že „vytlačením každého kousku účinnosti z motoru s vnitřním spalováním (ve spojení s elektrifikací, jakmile je motor s vnitřním spalováním zdokonalen), můžeme do tohoto století dodat metodu dobrého pohonu automobilu která má potenciál generovat stejné nebo menší emise CO2 z „dobře na kolo“ jako čistá bateriová elektrická vozidla poháněná různými formami elektráren na fosilní paliva. “

Jinými slovy, Mazda si myslí, že s pokračující inovací může být automobil poháněný plynovým motorem přinejmenším stejně účinný jako elektrický vůz, a možná ještě více. Pojďme se podívat, jak se tento průlom v technologii kompresního zapalování liší od těch, které se objevily před ním.

V roce 2007 řídil Motor Trend Saturn Aura poháněný vznětovým motorem, který dosáhl 15% snížení spotřeby paliva oproti běžné Auře [zdroj: Markus]. V té době společnost GM očekávala, že v roce 2015 uvolní vozidlo se vznětovým motorem, ale značka Saturn byla vypnuta jen o několik let později a GM se postupně zaměřila na elektrická a plug-in hybridní vozidla, jako je Chevrolet Volt.

Přibližně ve stejné době pracoval Mercedes-Benz na systému vznícení s názvem DiesOtto a Ford měl také projekt ve vývoji [zdroj: Estrada]. Avšak žádný z těchto motorů nedosáhl zeleného světla pro výrobu a zkušenosti Hyundai mohou pomoci vysvětlit, proč [zdroj: Markus].

Kromě Mazdy dosáhl Hyundai pravděpodobně největšího pokroku, se snahami, které se poprvé objevily kolem roku 2013 [zdroj: Markus]. Společnost navrhla svou verzi vznětového motoru bez zapalovacích svíček nebo žhavicích svíček, s plánovaným datem vydání 2023.

Navzdory slibnému pokroku společnost Hyundai v roce 2016 odhalila, že součásti motoru prostě nebyly dostatečně silné, aby zvládly kompresi potřebnou pro proces. Samozřejmě lze navrhnout i silnější součásti motoru, konkrétně blok, kliku a ložiska; takto fungují dieselové motory. Je to jen velmi drahé a tyto silnější komponenty dodávají vozu váhu a snižují jeho celkovou účinnost. Hyundai po celou dobu plánoval použití turbodmychadla ke zvýšení výkonu a udržení nezbytné komprese, ale zjistili, že budou potřebovat také kompresor, který dále rozpočet rozbil. A konečně Hyundai nebyl spokojen s množstvím znečištění, které tyto hnací ústrojí produkovalo. Nakonec byl projekt mnohem dražší a ne zdaleka tak čistý a efektivní, jak bylo plánováno [zdroj: Markus].

Vývojové úsilí společnosti Mazda pokračuje téměř stejně dlouho jako její konkurenti.

„Skyactiv-X byl vždy v plánu ještě před spuštěním první generace Skyactiv,“ vysvětluje inženýr Mazda Chen. „Prvním krokem v této cestovní mapě byla technologie Skydiv Mazdy, která byla představena v roce 2009. Klíčovým zlepšením v té době bylo použití nekonvenčně vysokého kompresního poměru motoru ke zvýšení celkové účinnosti motoru a výkonu pohonné jednotky. Toho bylo dosaženo prostřednictvím synergická kombinace existujících technik používaných společně k dosažení toho, co bylo (do té doby) považováno za nemožné pro produkční motory. “

Laicky řečeno: „Skyactiv“ je termín pro strategii Mazdy pro zvýšení komprese, aby se zvýšila účinnost, a Mazda se musel trochu pohýbat, aby nadcházející Skyactiv-X fungoval. V důsledku tohoto šťourání přidala společnost Mazda do směsi zapalovací svíčku, takže motor může přepínat mezi kompresí a zapalováním v závislosti na tom, co je v té době nejúčinnější. Může to znít, jako by to bylo v rozporu se základy technologie motorů s vysokým kompresí, ale Chen říká, že to funguje.

„Tento průlom, který nazýváme zážehově řízeným kompresním zapalováním (SPCCI), výrazně rozšířil použitelný rozsah provozu a řízení kompresního zapalování a poskytl řešení pro plynulý přechod mezi CI [kompresní zapalování] a SI [zážehové zapalování] spalovací režimy používané při vysokých otáčkách motoru (v případě Skyactiv-X), “říká Chen.

Zjednodušeně řečeno, zapalovací svíčka je magická složka, která umožňuje motoru běžet hladce a přizpůsobovat se různým podmínkám, a bude použita pouze v nezbytných případech. Motor Mazdy je navržen tak, aby sám monitoroval a upravoval jeho provoz na základě faktorů, jako jsou aktuální podmínky prostředí, způsob jízdy automobilu a preference a nastavení řidiče [zdroj: Estrada].

Poté, co Mazda přišel s touto myšlenkou, trvalo vývoj dvou motorů další dva roky, během nichž bylo učiněno další důležité rozhodnutí. Vozidla vybavená motory Skyactiv-X budou obsahovat kompresory pro zvýšení výkonu koňských sil, což zlepší jízdní dynamiku a pomůže přesvědčit potenciální kupující, aby využili této nové technologie [zdroj: Estrada].

Poslední velká otázka - kdy mohou řidiči očekávat, že ji uvidí? Mluvčí společnosti Mazda říká, že společnost zatím nemůže sdělit, která vozidla budou jako první vybavena motorem Skyactiv-X nebo kdy budou k dispozici. Také nevíme, zda vozidla poháněná vznětovými motory budou stát dražší než srovnatelná vozidla se zážehovými motory. Je však bezpečné spekulovat, že zatímco Mazda bude první na trhu s touto technologií, ostatní výrobci si téměř jistí, že ji budou následovat.

Poznámka autora: Jak fungují plynové vznětové motory

Na rozdíl od mnoha mých kolegů se zvlášť nestarám o „úsporu plynových motorů“, i když by to pravděpodobně pomohlo s jistotou zaměstnání. Možná bych o tom měl být trochu sobecký, ale rozhodl jsem se napsat o vznětovém motoru jednoduše proto, že mě zajímá jakákoli inovace, která může pomoci zefektivnit auto.

Z tohoto důvodu - obecně udržitelnost - dychtivě vyzkouším jízdu vozidla se vznětovým motorem, jakmile budou k dispozici. Stejně jako hybridy a elektrika si myslím, že se bude hodně bavit o tom, zda jsou tato vozidla dostatečně výkonná. Upřímně, mám podezření, že průměrný člověk nebude schopen rozeznat rozdíl. Existuje spousta způsobů, jak učinit auto zajímavým, aby se řídilo, kromě toho, aby bylo co nejsilnější, a to je oblast, v níž Mazda vyniká..

Související články

• Měla auta někdy spalovací motory?
• Nafta není vždy horší znečištění než benzín
• Jak funguje Atkinsonův cyklus motoru
• Kolik znečištění ovzduší pochází z automobilů?

Další skvělé odkazy

• Jak funguje zapalovací systém automobilu
• Mazda by mohl mít techniku ​​pro záchranu spalovacího motoru
• Hrubý nový motor Mazdy dělá více mil z méně paliva
• Jak funguje turbína Tesla

Prameny

• Brown, Jacobe. Specialista, produktová komunikace, Mazda. Osobní korespondence. 1. září 2017.
• Chen, Jay. Powertrain Engineer, Mazda. Osobní korespondence prostřednictvím Jacoba Browna. 1. září 2017.
• Estrada, Zac. "Mazda by mohl mít techniku ​​pro záchranu spalovacího motoru." The Verge. 8. srpna 2017. (30. srpna 2017) https://www.theverge.com/2017/8/8/16099536/mazda-compression-ignition-engine-technology
• Rytíř, Cheryl. "Jak funguje systém zapalování auta." YourMechanic. 19. listopadu 2015. (29. srpna 2017) https://www.yourmechanic.com/article/how-a-car-ignition-system-works
• Lindberg, Austin. "Hyundai vyvíjí benzínový spalovací motor." Auto a řidič. 18. listopadu 2013. (30. srpna 2017) http://blog.caranddriver.com/hyundai-developing-gasoline-burning-compression-ignition-engine/
• Markus, Frank. "Technologue: Love Child - Řízení Ultimate Bastard Engine." Trend motoru. 19. listopadu 2007. (30. srpna 2017) http://www.motortrend.com/news/technologue-41/
• Markus, Frank. "Co se stalo s motorem HCCI Hyundai?" Trend motoru. 14. prosince 2016. (30. srpna 2017) http://www.motortrend.com/news/whatever-happened-hyundais-hcci-engine/
• Mazda. „Společnost Mazda oznamuje dlouhodobou vizi pro technologický rozvoj,„ Udržitelný zoom-zoom 2030. ““ 8. srpna 2017. (20. srpna 2017) http://www2.mazda.com/cs/publicity/release/2017 /201708/170808a.html
• Stewart, Jacku. „Mazda's Crafty New Engine vydělá více mil z méně paliva.“ Kabelové. 9. srpna 2017. (30. srpna 2017) https://www.wired.com/story/mazda-injection-compression-skyactivx-engine/
• Szymkowski, Sean. "Jak vlastně funguje Mazda SkyActiv-X engine, založený na HCCI (video)." Zelené auto zprávy. 21. srpna 2017. (30. srpna 2017) http://www.greencarreports.com/news/1112222_how-mazdas-skyactiv-x-engine-based-on-hcci-actually-works-video