Silnik Mazdy pracujący z zapłonem iskrowym i samoczynnym – JAK TO DZIAŁA?

Nowy silnik Mazdy – Skyactiv-X o pojemności 2,0 litra – jest pierwszym na świecie produkcyjnym silnikiem benzynowym, który wykorzystuje zalety zapłonu samoczynnego, takiego jak stosowany w silnikach Diesla.
Istotą jego działania jest użycie bardzo ubogiej mieszanki powietrzno-paliwowej, wydajnej w zakresie oszczędności paliwa i czystości emisji. Jest ona 2-3 razy uboższa od mieszanek stosowanych do napędu współczesnych silników konwencjonalnych. Mieszanka ta zawiera tak mało benzyny rozpylonej w powietrzu, że normalny silnik nie jest w stanie zapalić jej iskrą świecy zapłonowej.
Mazda w ramach swojego dążenia do obniżenia zużycia paliwa już obecnie stosuje niespotykanie wysokie stopnie sprężania w swoich produkowanych dziś silnikach benzynowych serii Skyactiv. Z użycia tych rozwiązań narodził się pomysł, by stopień sprężania podwyższyć jeszcze bardziej, a mieszankę zapalać po prostu metodą jej bardzo wysokiego sprężenia – podobnie, jak jest to przyjęte w nowoczesnych silnikach Diesla.
Realizacje takiego pomysłu testowali wcześniej również inni producenci, stosując technologię HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition, czyli jednorodnego zapłonu sprężonego ładunku), ale żaden z nich nie rozwiązał problemu gładkiego i niezawodnego przejścia pomiędzy spalaniem z zapłonem wysokoprężnym a spalaniem z zapłonem iskrowym.
Mazda rozwiązała ten problem dzięki opracowaniu unikalnej technologii SPCCI (Spark Controlled Compression Ignition, czyli zapłonu samoczynnego sterowanego świecą zapłonową). Technika ta umożliwia gładkie przełączanie silnika pomiędzy trybem pracy z konwencjonalnym zapłonem iskrowym a trybem z zapłonem samoczynnym pod wpływem wysokiego sprężania. Osiąga to, wykorzystując do obu trybów świecę zapłonową, pracującą na różne sposoby.

Działanie świecy można w skrócie wyjaśnić następująco: proces wtrysku podzielony jest na dwie fazy, dzięki czemu w chwili przejścia na tryb zapłonu samoczynnego w komorach spalania tworzą się dwie strefy mieszanki powietrzno-paliwowej.

W pierwszej kolejności podczas suwu ssania seria wtryśnięć wypełnia komorę spalania ubogą mieszanką paliwa i powietrza (ubogą, czyli o bardzo dużej proporcji powietrza w stosunku do benzyny). W drugiej kolejności w precyzyjnie wytyczonej strefie w bezpośrednim otoczeniu świecy następuje wtrysk bogatszej mieszanki. Można ją porównać do wisienki na torcie – oczywiście przyjmując, że tortem jest mieszanka uboga, a owocem – bogatsza.

Ze względu na zastosowany w silnikach benzynowych Skyactiv bardzo wysoki stopień sprężania 16,3:1, ten pierwszy ładunek i tak oscyluje na krawędzi zapłonu samoczynnego. Aby zapalić mieszankę dokładnie we właściwej chwili, do strefy wokół świecy wtryskuje się małą ilość zatomizowanego paliwa, które tworzy jakby wzbogacony trzon. Gdy świeca daje iskrę, wywołuje zapłon w tej lokalnej strefie bogatszej mieszanki, czego efektem jest dalszy wzrost ciśnienia w komorze spalania – do punktu zapłonu uboższej mieszanki.

Technika SPCCI funkcjonuje tylko w warunkach częściowego obciążenia silnika – podczas jazdy spokojnej i równomiernej, gdy użycie ubogiej mieszanki, czyli znacznie większych ilości powietrza w stosunku do paliwa niż w konwencjonalnych silnikach benzynowych, pozwala obniżyć zużycie paliwa. Natomiast gdy kierowca potrzebuje więcej mocy, silnik gładko przechodzi w tryb normalnej pracy, w której zapaleniu ulega mieszanka stechiometryczna o proporcji powietrza do paliwa 14,7:1. Jednak spalanie konwencjonalne wykorzystywane jest tylko w chwilach znacznego obciążenia silnika oraz rozruchów w bardzo niskich temperaturach.

Odpowiednie sterowanie pracą świecy pozwala uniknąć problemów spalania detonacyjnego i niestabilnego oraz gładkie przechodzenie pomiędzy trybami zapłonu samoczynnego oraz inicjowanego iskrą. Gdy silnik pracuje w trybie zapłonu samoczynnego, zużywa mniej paliwa i emituje mniej CO₂.

Ponadto, dzięki dużej stabilności procesu SPCCI w porównaniu z nie dość stabilnym procesem HCCI, możliwe jest stosowanie go częściej, czyli w większym zakresie w ramach całego spektrum operacyjnego silnika. W praktyce oznacza to, że silnik może pracować przez nawet ponad 80% czasu w trybie bardzo oszczędnym.

Efektem tego jest zużycie paliwa niższe o 20% niż w silnikach Skyactiv-G, a ponadto moment obrotowy wyższy o 10-30%, zależnie od chwilowej prędkości obrotowej silnika. Poprawa jest szczególnie wyraźna wtedy, gdy silnik pracuje przy niskich obciążeniach, ale ogólnie technika Skyactiv-X umożliwia uzyskanie znacznych oszczędności paliwa oraz obniżenia emisji CO₂ i NOx, czym podważa słuszność rozpowszechnionej opinii, że silniki benzynowe średniej wielkości cechują się słabą wydajnością w ruchu miejskim.

Dzięki łączeniu zalet silników benzynowych i Diesla, jednostki napędowe wykorzystujące proces SPCCI oferują dobre osiągi w zakresie mocy i przyśpieszeń, a jednocześnie dobre wyniki emisyjne. W efekcie silniki Skyactiv-X stają się atrakcyjną alternatywą dla nabywców, którzy wolą silniki benzynowe, ale świadomi są też pewnych korzyści silników Diesla. W Mazdzie CX-30 silnik benzynowy 2.0 Skyactiv-X jest dostępny z sześciobiegową manualną skrzynią biegów Skyactiv-MT lub sześciobiegową automatyczną skrzynią biegów Skyactiv-Drive i może być dopasowany do układów z napędem na przednie lub na wszystkie koła. Wykorzystując technologię Mazda M Hybrid, rozwija on 180 KM przy 6000 obr/min i maksymalny moment obrotowy 224 Nm przy 3000 obr/min. Łączy średnie zużycie paliwa 5,9-7,0 l/100 km (WLTP) z emisją CO₂ 133-160 g/km (WLTP)1.

1 Zużycie paliwa wg NEDC: 4,6-5,6 l/100 km; emisja CO2: 105-128 g/km.

Tags:

Facebook

Zaloguj się używając swojego loginu i hasła

Nie pamiętasz hasła ?