Cum funcționează motoarele cu aprindere prin compresie de gaze

Motorul SKYACTIV-X de la Mazda este primul motor comercial pe benzină din lume care folosește aprinderea prin compresie. Mazda

În vara lui 2017, Mazda a făcut un anunț: Compania auto a găsit o modalitate de a produce motoare pe benzină cu aprindere prin compresie pentru autoturisme. Mazda a afirmat că noul său motor ar putea îmbunătăți economia de combustibil cu 20 până la 30 la sută, ceea ce reprezintă o realizare considerabilă pentru un motor pe benzină.

Înainte de a face o scufundare în această tehnologie, merită menționat faptul că motorul cu aprindere prin compresie nu este un concept nou. Mașinile de Formula 1 folosesc motoare cu aprindere prin compresiune, iar alți câțiva producători auto au încercat să dezvolte o versiune viabilă comercial pentru autoturisme. Dar motorul Mazda, supranumit Skyactiv-X, va fi primul motor de masă produs și disponibil comercial de acest tip. Datorită lui Jay Chen, un inginer cu motor cu Mazda, a putut afla cum a fost realizată această descoperire. În primul rând, însă, trebuie să aruncăm o privire asupra funcțiilor de bază ale unui motor.

Un motor funcționează prin aprinderea combustibilului în două moduri: căldură și compresie. Motoarele cu aprindere prin scânteie se găsesc în majoritatea automobilelor pe benzină. În aceste tipuri de motoare, bujii se aprind pentru a aprinde combustibil în camera de ardere, în timp ce amestecul de combustibil și aer este de asemenea comprimat. Aceasta este o versiune foarte simplificată a procesului, desigur, doar pentru a ilustra diferența principală dintre cele două tipuri de motor. Motoarele cu aprindere prin scânteie urmează un ciclu și necesită o sincronizare precisă pentru a funcționa, dar sunt, în general, fiabile în diverse condiții [sursa: Knight].

Motoarele cu aprindere prin compresiune funcționează mai mult ca și motoarele diesel. Dieselele sunt proiectate pentru o compresie mult mai mare (ceea ce necesită componente mai grele și o construcție mai puternică) și utilizează dopuri strălucitoare ca sursă de căldură și nu bujii. Ștecherele de încărcare încălzesc camera de compresie, care la rândul său mărește compresia în interiorul camerei. Atunci când se adaugă combustibil în cameră, acesta este pulverizat pe vârful dopului de strălucire, dar procesul se bazează pe compresie mai mult decât pe contactul combustibilului și al dopului. Lipsa de „scânteie” ajută motoarele diesel să obțină ratinguri EPA mai mari decât motoarele pe benzină, cu specificații altfel similare [sursa: Stewart].

Dacă ne concentrăm pe gaz, s-ar putea să vă întrebați, ce rost are să explicați cum funcționează un motor diesel? Pur și simplu, pentru a ilustra importanța compresiei. Cel mai bun mod de a îmbunătăți motorul cu gaz este de a descoperi modul de creștere a compresiei, ceea ce permite motorului să-și folosească mai eficient alimentarea cu combustibil.

Un motor pe benzină cu aprindere prin comprimare combină cele mai bune părți ale acestor procese. Motorul este programat pentru a prinde aerul (de obicei, evacuarea motorului) din cilindrul motorului prin reglarea sincronizării ventilelor de evacuare și admisie. Injectoarele de combustibil adaugă combustibil la această evacuare prinse și, deoarece amestecul prins este sub o compresie foarte mare, cantitatea relativ mică de combustibil este capabilă să se aprindă.

Motoarele cu aprindere prin compresie pot fi chiar defalcate în două tipuri diferite [sursa: Lindberg].

• Aprindere cu compresie omogenă (HCCI): Acest motor amestecă aer și combustibil, apoi comprimă acel amestec până când se aprinde. Motorul Mazda va fi primul motor de tip HCCI care a fost produs în masă.
• Aprindere cu compresie directă pe benzină (GDCI): Acest motor gâdilă benzina într-un amestec de aer și evacuare deja comprimat.

Principala diferență între aceste două motoare este punctul în procesul în care se adaugă combustibilul, obținut prin reglarea ciclurilor motoarelor și a temporizării. În caz contrar, motoarele funcționează similar; compresia este factorul cel mai important.

SKYACTIV-G 2,0 litri are puterea unui motor de 2,5 litri și eficiența unui motor diesel de 1,5 litri. Mazda

Motoarele cu aprindere prin compresie au câteva avantaje și cel puțin la fel de multe neajunsuri. Printre beneficiile sale se numără:

• Utilizează mai puțin combustibil decât un motor cu aprindere prin scânteie
• Folosește combustibilul mai eficient (cu alte cuvinte, se pierde mai puțină energie la aprinderea efectivă și la excesul de căldură)
• Deoarece se utilizează mai puțin combustibil, mașina poluează mai puțin

„Ca o analogie aspră, aprinderea prin scânteie este asemănătoare cu pornirea unui incendiu, aprindând doar o margine de aprindere a ziarelor și lăsând flacăra să urce treptat peste hârtie”, explică inginerul de propulsie Mazda, Jay Chen, prin e-mail. "[Aprinderea prin compresie] seamănă mai degrabă cu o combustie spontană, când combustibilul și aerul au atins presiunea și temperatura critică, iar întreaga încărcare schimbă faza în același timp, eliberând astfel toată energia simultan. Eliberând toată energia aproape simultan, [ aprinderea prin compresie] poate extrage mai multă putere (deoarece se întâmplă cu mult înainte ca raportul de expansiune să fie utilizat) din aceeași cantitate de aer, folosind de două sau trei ori mai puțin combustibil și la temperaturi de combustie mult mai reci, ceea ce reduce și mai mult energia termică irosită și formarea emisiilor .“

Pare grozav, nu? Problema este că aceste motoare sunt într-adevăr ticăloase - dacă ar fi ușor de proiectat și folosit, le-am conduce până acum. Chiar dacă nu sunteți familiarizat cu motoarele diesel, este posibil să fi auzit că acestea pot fi incomode în condiții sub-optime. O parte din aceasta se datorează combustibilului diesel în sine, care are tendința de a „gel” la temperaturi foarte reci. Nu avem această problemă cu benzina, care rămâne lichidă chiar și în condiții de sub-îngheț. Dar aprinderea prin compresie poate fi încă afectată de condițiile meteorologice și de alte condiții de mediu, precum și de alți factori precum calitatea combustibilului.

„Până în prezent, motoarele cu ardere internă cu aprindere prin compresie existau doar în condiții stabile de laborator sau prototipuri de vehicule brute prea grosiere pentru a fi aplicate în producție”, spune Chen.

Cu alte cuvinte, dacă presiunea și temperatura din butelii nu sunt menținute cu atenție, procesul nu va funcționa. Temperaturile prea reci pot deteriora componentele sensibile ale motorului. Dacă motorul devine prea cald, poate începe să bată - o condiție care apare atunci când amestecul combustibil-aer devine prea cald și se detonează la momentul nepotrivit, care risipește combustibil și are ca rezultat un motor cu funcționare slabă. Un motor cu aprindere prin scânteie poate deveni prea rece sau prea cald, dar are o marjă de eroare mult mai mare.

Efectuarea unui motor cu aprindere prin compresie funcționează în mod fiabil de o combinație precisă de aer, combustibil și gaze de evacuare amestecate în raportul perfect, la compresiunea perfectă, doar cu cantitatea potrivită de căldură aplicată la momentul corect. După cum știm, nimeni nu a reușit să construiască încă o mașină cu un motor cu gaz cu aprindere prin compresie, așa că acest proces a trebuit să fie perfecționat în continuare.

O mașină alimentată de un motor cu aprindere prin compresie de gaz poate fi cel puțin la fel de eficientă ca o mașină electrică și, eventual, chiar mai mult. Reimar Gaertner / UIG

La scurt timp după anunțul lui Mazda, experții din industria auto au început să speculeze dacă un motor cu aprindere prin compresie pe piața de masă ar putea „salva” motoarele pe gaz. Adică, pe măsură ce industria se orientează mai mult spre tehnologia hibridă și electrică, acest motor pe gaz ar putea fi suficient de eficient pentru a fi un concurent viabil?

Chen spune că Mazda este motivată de convingerea că, „prin eliminarea fiecărui rand de eficiență din motorul cu ardere internă (în combinație cu electrificarea odată ce motorul cu ardere internă este perfecționat), putem livra o metodă de alimentare a automobilului în acest secol. care are potențialul de a genera aceleași sau mai puțin emisii de CO2 „bine pentru a roți” ca și vehiculele electrice cu baterii pure alimentate de la centrale electrice bazate pe combustibili fosili, de diferite forme. "

Cu alte cuvinte, Mazda consideră că, odată cu inovația continuă, o mașină alimentată de un motor pe gaz poate fi cel puțin la fel de eficientă ca o mașină electrică și, poate, chiar mai mult. Să aruncăm o privire la modul în care această descoperire în tehnologia de aprindere a compresiei este diferită de cele care au apărut înainte.

În 2007, Motor Trend a condus un Saturn Aura alimentat de un motor cu aprindere prin compresie, care a obținut o reducere de 15% a consumului de combustibil față de un Aura obișnuit [sursa: Markus]. La acel moment, GM se aștepta să elibereze un vehicul cu motor cu aprindere prin compresiune în 2015, dar marca Saturn a fost închisă câțiva ani mai târziu, iar GM și-a schimbat treptat accentul către vehicule hibride electrice și plug-in, cum ar fi Chevrolet Volt.

Cam în același timp, Mercedes-Benz lucra la un sistem de aprindere prin compresie numit DiesOtto, iar Ford avea un proiect în dezvoltare, de asemenea [sursa: Estrada]. Cu toate acestea, niciunul dintre aceste motoare nu a obținut undă verde pentru producție, iar experiența lui Hyundai poate ajuta la explicarea motivului pentru care [sursa: Markus].

În afară de Mazda, Hyundai a făcut cele mai multe progrese, cu eforturi care au apărut pentru prima dată în 2013 [sursa: Markus]. Compania și-a proiectat versiunea de motor cu aprindere prin compresie fără bujii sau buje luminoase, cu data de lansare a țintei din 2023.

În ciuda progreselor promițătoare, Hyundai a dezvăluit în 2016 că componentele motorului nu erau suficient de puternice pentru a face față compresiei necesare pentru ca procesul să funcționeze. Desigur, pot fi proiectate componente ale motorului, și anume blocul, manivela și rulmenții; așa funcționează motoarele diesel. Este doar foarte scump, iar acele componente mai puternice adaugă greutate mașinii și reduc eficiența generală. Hyundai plănuise să folosească un turbocompresor pentru a crește puterea și pentru a menține compresia necesară, dar au descoperit că vor avea nevoie și de un supraalimentator, care a continuat să crească bugetul. Și, în sfârșit, Hyundai nu a fost mulțumit de cantitatea de poluare produsă de aceste pulberi. În final, proiectul a fost mult mai scump și nu a fost la fel de curat și eficient așa cum a fost planificat [sursa: Markus].

Eforturile de dezvoltare ale Mazda au continuat aproape atât timp cât concurenții săi.

"Skyactiv-X a fost întotdeauna în planuri chiar înainte de lansarea primei generații Skyactiv", explică inginerul Mazda Chen. "Primul pas în această foaie de parcurs a fost tehnologia Skyactiv Mazda [care a fost introdusă] în 2009. Îmbunătățirea cheie la acea vreme a fost aplicarea unui raport de compresie neconvențional ridicat pentru a crește eficiența generală a motorului, precum și performanța motorului. Acest lucru a fost obținut printr-un o combinație sinergică de tehnici existente aplicate împreună pentru a realiza ceea ce a fost (până atunci) crezut imposibil pentru motoarele de producție. "

În termenii profanului: „Skyactiv” este termenul pentru strategia lui Mazda de a spori compresia pentru a crește eficiența, iar Mazda a trebuit să se învârtă un pic pentru ca Skyactive-X să funcționeze. Ca urmare a acestui tinkering, Mazda a adăugat o bujie în mix, astfel încât motorul poate trece între compresie și aprindere prin scânteie, în funcție de cel mai eficient la momentul respectiv. Acest lucru ar putea suna că ar merge împotriva elementelor de bază ale tehnologiei motorului cu compresie înaltă, dar Chen spune că funcționează.

"Această descoperire, pe care o numim aprindere prin compresie controlată prin scânteie (SPCCI), a extins foarte mult gama utilizabilă de funcționare și control cu ​​aprindere prin compresie, precum și a oferit soluția pentru o tranziție perfectă între CI [aprindere prin compresie] și SI [aprindere prin scânteie] modurile de ardere utilizate la viteze mari ale motorului (în cazul Skyactiv-X) ", spune Chen.

Mai simplu, bujia este ingredientul magic care permite motorului să funcționeze fără probleme și să se regleze pentru diferite condiții, și va fi folosit doar atunci când este absolut necesar. Motorul Mazda este proiectat să se monitorizeze și să își regleze funcționarea pe baza unor factori precum condițiile actuale de mediu, modul în care este condusă mașina și preferințele și setările șoferului [sursa: Estrada].

După ce Mazda a venit cu această idee, a fost nevoie de încă doi ani pentru a dezvolta motorul, timp în care a fost luată o altă decizie importantă. Vehiculele echipate cu motoare Skyactiv-X vor avea supraalimentatoare pentru a spori specificațiile de cai putere, ceea ce va îmbunătăți dinamica de conducere și va ajuta la convingerea potențialilor cumpărători să aibă o șansă la această nouă tehnologie [sursa: Estrada].

Ultima mare întrebare - când se poate aștepta șoferii să o vadă? Un purtător de cuvânt al Mazda spune că compania nu poate dezvălui încă ce vehicule vor fi prima echipate cu motorul Skyactiv-X sau când vor fi disponibile. De asemenea, nu știm dacă vehiculele alimentate cu motoare cu aprindere prin compresie vor costa mai mult decât vehicule comparabile cu motoare cu aprindere prin scânteie. Totuși, este sigur să speculăm că, deși Mazda va fi primul care va comercializa cu această tehnologie, alți producători sunt aproape siguri că vor urma.

Nota autorului: Cum funcționează motoarele cu aprindere prin compresie de gaze

Spre deosebire de mulți dintre colegii mei, nu mă îngrijorează în special „economisirea motoarelor pe gaz”, chiar dacă asta ar ajuta probabil la securitatea locului de muncă. Poate că ar trebui să fiu un pic mai egoist în acest sens, dar am decis să scriu despre motorul cu aprindere prin compresiune, pur și simplu pentru că sunt intrigat de orice inovație care poate ajuta la o mașină mai eficientă.

Din acest motiv - durabilitatea în general - sunt dornică să testez conducerea unui vehicul cu un motor cu aprindere prin compresie, imediat ce acestea vor fi disponibile. La fel ca hibrizii și electricii, cred că vor exista multe conversații cu privire la faptul că aceste vehicule sunt sau nu suficient de puternice. Sincer, cred că persoana obișnuită nu va putea spune diferența. Există o mulțime de moduri de a face o mașină interesantă de condus de la o simplă simplificare a acesteia, și aceasta este o zonă în care Mazda excelează.

Articole similare

• Mașinile au avut vreodată motoare cu ardere externă?
• Dieselul nu este întotdeauna un poluator mai rău decât benzina
• Cum funcționează un motor cu ciclu Atkinson
• Câtă poluare a aerului provine din mașini?

Mai multe legături grozave

• Cum funcționează un sistem de aprindere auto
• Mazda ar putea avea tehnologie pentru a salva motorul cu ardere internă
• Noul motor priceput al lui Mazda produce mai multe mile din combustibil mai puțin
• Cum funcționează turbina Tesla

surse

• Brown, Jacob. Specialist, Comunicare produs, Mazda. Corespondența personală. 1 septembrie 2017.
• Chen, Jay. Inginer Powertrain, Mazda. Corespondență personală prin Jacob Brown. 1 septembrie 2017.
• Estrada, Zac. "Mazda ar putea avea tehnologia pentru a salva motorul cu ardere internă." Verge. 8 august 2017. (30 august 2017) https://www.theverge.com/2017/8/8/16099536/mazda-compression-ignition-engine-technology
• Cavaler, Cheryl. „Cum funcționează un sistem de aprindere auto”. YourMechanic. 19 noiembrie 2015. (29 august 2017) https://www.yourmechanic.com/article/how-a-car-ignition-system-works
• Lindberg, Austin. "Hyundai dezvoltând motorul cu aprindere prin compresie și ardere pe benzină." Mașină și șofer. 18 noiembrie 2013. (30 august 2017) http://blog.caranddriver.com/hyundai-developing-gasoline-burning-compression-ignition-engine/
• Markus, Frank. "Tehnolog: Copilul iubirii - Conducerea motorului ultimul bastard". Tendință motorie. 19 noiembrie 2007. (30 august 2017) http://www.motortrend.com/news/technologue-41/
• Markus, Frank. "Ce s-a întâmplat cu motorul HCCI al lui Hyundai?" Tendință motorie. 14 decembrie 2016. (30 august 2017) http://www.motortrend.com/news/whatever-happened-hyundais-hcci-engine/
• Mazda. „Mazda anunță o viziune pe termen lung pentru dezvoltarea tehnologiei,„ Zoom-Zoom Durabil 2030. ”8 august 2017. (20 august 2017) http://www2.mazda.com/en/publicity/release/2017 /201708/170808a.html
• Stewart, Jack. "Noul motor artizanal al Mazda face mai multe mile din combustibil mai puțin." Wired. 9 august 2017. (30 august 2017) https://www.wired.com/story/mazda-injection-compression-skyactivx-engine/
• Szymkowski, Sean. "Cum funcționează motorul SkyActiv-X Mazda, bazat pe HCCI, (video)." Rapoarte despre mașină verde 21 august 2017. (30 august 2017) http://www.greencarreports.com/news/1112222_how-mazdas-skyactiv-x-engine-based-on-hcci-actually-works-video