A Mazda forradalmi Skyactiv-X öngyulladásos benzinmotor-technológiája
A Mazda, mint az egyik utolsó független autógyártó, folyamatosan arra törekszik, hogy újdonságokkal tűnjön ki a sokmárkás nagy konszernek árnyékában. Mivel a hagyományos benzinmotorok lassan elérnek teljesítőképességük határára, új technológiákat kell bevezetni, hogy a jövő kihívásainak is megfeleljenek. A vállalat tudatosan követ más utat, elutasítva a méretcsökkentést (downsizing), ha az csak a szabványos ciklusban mért fogyasztás leszorítására szolgál. Stratégiája szerint a jövő közlekedése nem kizárólag az akkumulátoros elektromos járműveké lesz, hanem különböző technológiák együttműködésén alapul.
A Mazda kifejlesztett egy vadonatúj, Skyactiv-X jelű benzines motort, amelynek egyik különlegessége, hogy biztosan nem kell neki háromjegyű oktánszám. Sőt, 91-est tankolva hamarabb leadná a maximális nyomatékát, mint az Európában elérhető 95-ös benzinre hangolva. Ez a Mazda találmánya, a sűrítéses gyújtással is üzemelő motor, ami a benzinesek előnyeit (sima járás, pörgethetőség) a dízelekéivel (kis fogyasztás, alul nagy nyomaték) egyesíti.
A belső égésű motorok fejlődése és a kompressziógyújtás kihívásai
Azt régóta tudjuk, hogy az erősen komprimált levegőbe adagolt üzemanyag meggyullad a levegő magas sűrítésével elért hőmérséklet-növekedéstől, így működnek a dízelmotorok, az Otto-motoroknál jóval magasabb hatásfokkal. A motorfejlesztők régi vágya öngyulladással takarékosabbá tenni a benzines motorokat is, amivel több autógyár is kísérletezett. Futott DiesOtto néven is, ami jól kifejezte, hogy dízel-elven működő Otto-motorról van szó.
Egy dízelmotorban nincs gyertya, az üzemanyag-levegő keverék magától gyullad be a sűrítés hatására, ezért nevezik a dízeleket a szakzsargonban öngyulladós motoroknak. Sűrítéses gyújtással üzemelnek, ami gázolajjal tökéletesen működik, de benzinnel az égés rendszerint instabillá, kontrollálhatatlanná válik, vagyis fellép az úgynevezett kopogás jelenség. Ez a fő oka annak, hogy ilyen motort még senki sem gyártott sorozatban.
A fő gond az átmenet megoldása a szikragyújtásos üzemből a homogén töltetű kompressziógyújtású motorokban csak nagyon szűk tartományban életképes öngyulladós üzembe. Már a Daimler és a General Motors is évek óta kísérletezik ilyen erőforrásokkal, mégsem ők, hanem a kis Mazda lesz az a gyártó, aki elsőként fogja sorozatgyártásba vinni a forradalmi technológiát.
Youngtimer Mazda Xedos 6 restaurálása
A Skyactiv-X: Spark Controlled Compression Ignition (SPCCI)
A Mazda azonban kitartott az elv mellett és elsőként elviszi a sorozatgyártásig a saját konstrukcióját. Náluk nincs átállás egyik üzemmódról a másikra, a gyújtógyertya folyamatosan aktív. A Mazda nagy ötlete az volt, hogy - ha már úgyis ott van - a gyertyát fogja használni a sűrítéses égés beindítására és szabályozására, ha a motorvezérlés arra következtet, hogy most átállhat a szupertakarékos, szegénykeverékes üzemmódra.
Az SPCCI mechanizmus végső soron egy olyan rendszer, amelyben a gyújtógyertya által beindított, helyi égés sűrítési hatását kiaknázva érik el a kompressziógyújtás megvalósításához szükséges nyomást és hőmérsékletet. A Mazda megoldása úgy néz ki, hogy az öngyulladás határáig sűrítik össze a részben a szívási ütemben, részben a sűrítési ütemben befecskendezett benzin és a levegő keverékét, majd a gyújtógyertyával beindítják az égést.
Először is a sűrítéses gyújtáshoz optimalizált, szegény levegő-üzemanyag keverék eloszlik az égéstérben. Ezt követően precíziós üzemanyag-befecskendezést és örvénylést alkalmazva a rendszer létrehoz egy dúsabb levegő-üzemanyag keverékű zónát a gyújtógyertya környezetében. Ilyenkor a gyertya begyújtja az égéstér tetejében lévő, több benzint tartalmazó, dúsabb keveréket (a henger többi részében található szegény keveréket nem is tudná), ettől apró lánggömbök képződnek. Ezek annyira megemelik a nyomást és a hőmérsékletet az egész égéstérben, hogy a már korábban is az égés határáig besűrített benzin-levegő keverék magától lángra kap.
A gyújtógyertya tehát mindig aktív szerepet játszik, nemcsak akkor, amikor a nagy terhelés, a mélyre nyomott gáz és a magas fordulatszám vagy a hidegindítás miatt a motor egyébként is visszaállna szikragyújtásra, ahogy más kísérleti motorok is működtek. Az SPCCI alkalmazásával immár a teljes üzemi tartományban elérhetők a sűrítéses gyújtáshoz elengedhetetlen fordulatszám- és motorterhelési viszonyok. Ezzel a sűrítéses gyújtás csaknem tetszőleges üzemi körülmények között alkalmazható.
How does the Mazda Skyactiv-X engine work?
Technológiai újítások és előnyök
Mindennek az alapja a magas sűrítés, amivel több munkát végeztethetünk a motorral, tehát jobb lesz a hatásfoka, kevesebb energia megy veszendőbe. A sűrítési viszony a benzines motoroknál megszokott, körülbelül 1:9 és 1:12,5 között szóró aránynál sokkal magasabb: 1:16 arányú. Csakhogy a magas sűrítés kontrollálatlan öngyulladáshoz, kopogásos égéshez vezethet, ami károsítja a motort és ezt mindenképp el kell kerülni.
Mazda 6 kormánykapcsoló típusok
Szériaautóval ennyire a kopogásos égés határán egyensúlyozni rendkívül nehéz feladat, amihez gigantikus számítógépes kapacitás kell. A motor megvalósítását nem kis részben az tette lehetővé, hogy mára elérhetővé vált a szükséges computeres háttér. Végtelennek tűnő adatmennyiséggel dolgozik a motorvezérlés, mert az égést befolyásolja a levegő hőmérséklete, páratartalma, sűrűsége, így a tengerszint feletti magasság is.
A hengerekben arányaiban nagyon kevés benzint nagyon sok levegővel égetnek el, minél tökéletesebben és lehetőleg csekély hőmérsékleten, hogy minél kevesebb mérgező nitrogén-oxid képződjék az égés során. A közvetlen befecskendezéses motor nyersemissziója jónak ígérkezik, ennek ellenére részecskeszűrőt kap, mint egyre több benzines az Euro 6 norma szigorításának lépcsőfokaival. Mivel a benzinszegény keveréket nehéz volna begyújtani, a gyújtógyertya körül van egy kicsit dúsabb keverék. A szegénykeverékes égéshez szükséges bőséges levegőellátást mechanikus feltöltő is biztosítja. A szíjhajtású kompresszor igen csekély töltőnyomással dolgozik, mert nem a teljesítménynövelést szolgálja.
A Mazda Skyactiv-X motor a hatékonyság maximalizálása érdekében mikrohibrid rendszerrel is kiegészül, amelyben egy önindító-generátor vesz részt a mozgási energia átalakításában, ami áramként tárolható.
Teljesítmény és hatékonyság
190 lóerő és 230 Nm nyomaték a cél az SPCCI-motor szériaváltozatával. Méréseik szerint 20 százalékkal mérsékelhető a fogyasztás az új motorral, helyesebben ez a minimumérték, amennyivel a szikraszabályozású kompressziógyújtású benzines takarékosabb a jelenlegi Skyactiv-motorcsalád 165 lóerős tagjánál. Ha nem a kétliteres hengerűrtartalmat, hanem a megcélzott teljesítményt vesszük alapul, a mostani 2,5 literes, 194 lóerős motorhoz képest a 20-30 százaléknál is nagyobb lehet a különbség.
A belső súrlódási veszteségek csökkentése szintén hozzájárul a SKYACTIV erőforrás gazdaságosabb működéséhez. Ez vonatkozik a dugattyúkra, hajtókarokra, a kizárólag kovácsolással készülő főtengelyekre, és a görgős szelepemelőkre.
Tapasztalatok a Mazda hátsó ülés szerelésével kapcsolatban
| Motor típus | Kompressziós arány | Jellemzők |
|---|---|---|
| Hagyományos benzines | ~1:9 - 1:12,5 | Általános szikragyújtásos benzinmotorok |
| Mazda Skyactiv-G | 1:14 | Magas kompressziójú szívó benzinmotor |
| Mazda Skyactiv-D | 1:14 | Alacsony kompressziójú dízelmotor |
| Mazda Skyactiv-X (SPCCI) | 1:16 | Gyertya által vezérelt kompressziógyújtásos benzinmotor |
A tágabb Skyactiv filozófia: Skyactiv-G és Skyactiv-D
Világszerte sokat küzdenek az autógyártók a szigorodó károsanyag-kibocsátási normák teljesítésével. Ennek eredményeképpen születtek meg a SKYACTIV program keretében a Mazda SKY-G benzines, illetve a SKY-D dízel négyhengeres erőforrások is. A kompresszió növelése az egyik klasszikus eszköze, hogy több hasznos munkát hozzunk ki a dugattyúk egy-egy munkaüteméből.
Skyactiv-G benzinmotor
A SKY-G esetében mintegy 30%-kal nagyobb a kompressziós viszony, mint a korábbi 2,0i motor esetében, konkrétan 11:1-ről 14:1-re emelték az arányt. Persze mindez felveti a kopogásos égés, tehát a benzin-levegő keverék kontrollálhatatlan öngyulladásának esélyét, hiszen a benzin-levegő keverék sűrítés közben nagyon megnő a hőmérséklet a hengerekben. A hőmérséklet kordában tartása érdekében a Mazda meglepő hosszúságú 4:2:1 kipufogó kiömlőt alkalmaz. Ezzel meg tudják akadályozni, hogy a forró kipufogógázok hatással legyenek a sűrítési fázisokra, hiszen a kiömlőben így csökken a gáznyomás, máshogy "alakulnak" a lökéshullámok.
További fogyasztáscsökkenést eredményez a közvetlen benzin befecskendezés alkalmazása. A Mazda SKY-G motorokban 0w-20-as jelzésű motorolajat használnak, mely hidegen és melegen is kis áramlási ellenállással bír. A SKY motor variálható szelepvezérléssel is rendelkezik, mely a szívó oldalon elektronikusan vezérelt, így a gyors működés még hidegindítás után is garantált. Jelenlegi állapotában 163 lóerőt teljesít 6000-es fordulaton a 2,0 Mazda SKY-G, és 210 Nm-t 4000 percenkénti főtengely fordulaton. A Mazda igen büszke a szívó benzinesekre nem annyira jellemző jó nyomatékgörbére, mely kiváló vezethetőséget biztosít a mindennapi közlekedésben.
Skyactiv-D dízelmotor
Dízeles oldalon hasonló érdekességeket ismertünk meg a SKYACTIV programban. A 2,2 literes Mazda SKY-D 20%-kal kevesebb gázolajat éget el, mint a nemrég megjelent 2,2 literes MZR-CD dízelmotor, és már most teljesíti az EURO6 normát. Mindezt úgy valósítja meg, hogy nem alkalmaznak a nitrogén-oxidok mennyiségének csökkentéséhez utókezelést, például karbamid (Ad-Blue) befecskendezést.
A dízelek esetében a benzines SKY-G esetében megismertnek éppen az ellenkezőjét teszi a Mazda, azaz a jelenlegi 16:3-ról, 14:1-re csökkenti a kompressziót. A Mazda szerint jelenleg ez a legalacsonyabb érték a dízel kategóriában. Az alacsonyabb kompresszió csökkenti a hengernyomást, azaz a hőmérsékletet. Ez kedvez a kevesebb nitrogén-oxid képződésnek és az üzemanyag is jobban el tud keveredni a levegővel, mely a koromképződés szempontjából előnytelen üzemanyagban dúsabb gócpontok elkerüléséért fontos. A kisebb hengernyomás következményeként csökkenő súrlódási veszteségek önmagában 4-5%-os üzemanyag megtakarítást jelentenek a Mazda mérései szerint.
A kisebb alkatrész terhelések lehetővé tették olyan alkatrészek, mint a hajtókarok és a dugattyúk tömegének további redukálását. Azért hátulütői is vannak a kompressziós viszony csökkentésének a dízelmotorok esetében, ilyen például a bemelegedés közbeni túl alacsony motorhőmérséklet, mely hátráltatja a tökéletes égést, és kontrollálhatatlan gyulladást okozhat. Ezt kiküszöbölendő a Mazda kétfázisú szelepvezérlést tervezett a kipufogó szelepekhez. A jövőben szekvenciális iker turbófeltöltőket alkalmaznak, és újak a 12 lyukú piezo befecskendező fúvókák, melyek 2-8 darab külön üzemanyag befecskendezésre képesek egy-egy munkaütemen belül. A Mazda 2,2 SKY-D teljesítménye 173LE/4500 frsz., míg a maximális forgatónyomaték 420 Nm 2000-res percenkénti főtengely fordulatszámon. Dízelekhez képest igen magasan húzodik a piros tartomány, melyet pontosan 5200-nál érhetünk el, a korábbi 4500-tel szemben.
Mazda stratégiája és jövőbeli kilátások
A Mazda nem követi a legújabb trendet, miszerint a motorgyártók a kis hengerűrtartalmú, turbófeltöltős motorok tervezése felé fordultak. A legtöbb gyártó a kisméretű turbófeltöltősek mellett tette le a voksát, amelyek a hivatalos, laborban végzett fogyasztásméréseken tényleg brillíroznak, nyomatékosságuk miatt jó vezetési élményt adnak, de a valóságban közel sem olyan takarékosak, mint ahogy állítják róluk, a tartósságról nem is beszélve. A Mazda szerint a Skyactiv-X rendszer sikeresebb lesz, mint a kicsi turbós motorok.
Mazdáék szerint a benzinmotor még évtizedekig a legnépszerűbb hajtásmód lesz a személyautók számára, még akkor is, ha egyre szigorodnak az emissziós előírások, és az enyhe, valamint a full hibrid rendszerekkel történő kiegészítésük elkerülhetetlennek látszik. A SKY hajtásláncok a technológiai újításaik mellett egy nagyon fontos üzenetet is közvetítenek, hiszen a Mazda bebizonyította velük, igenis vannak még lehetőségek a belső égésű motorok fejlesztését illetően.
A következő Mazda3 bemutatásakor többet tudunk majd erről, az autó 2019 első felében debütálhat. A Skyactiv II motortechnológiát, amely a következő generációs 3-asban debütál várhatóan 2019-ben. Az öngyulladós benzineseket később természetesen a márka többi tagja is megkapja.
tags: #mazda #ongyullados #benzinmotor #technológia