Sådan fungerer gaskompressionsantændelsesmotorer

Mazdas SKYACTIV-X-motor er verdens første kommercielle benzinmotor, der bruger kompressionstænding. Mazda

I sommeren 2017 afgav Mazda en meddelelse: Autoselskabet fandt en måde at lave benzinmotorer til kompressionstænding til personbiler på. Mazda hævdede, at den nye motor kunne forbedre brændstoføkonomien med 20 til 30 procent, hvilket er en betydelig præstation for en benzinmotor.

Før du tager et dyb ned i denne teknologi, er det værd at bemærke, at kompressionstændingsmotoren ikke er et nyt koncept. Formel 1-biler bruger kompressionstændingsmotorer, og flere andre bilproducenter har forsøgt at udvikle en kommercielt levedygtig version til personbiler. Men Mazdas motor, kaldet Skyactiv-X, vil være den første masseproducerede og kommercielt tilgængelige motor af denne type. Takket være Jay Chen, en drivkraftingeniør hos Mazda, kunne vi lære, hvordan dette gennembrud blev opnået. Først skal vi dog se på en motors grundlæggende funktioner.

En motor fungerer ved at antænde brændstof på to måder: varme og kompression. Der findes tændtændingsmotorer i de fleste benzinbiler. I disse typer motorer tændes tændrørene for at antænde brændstof i forbrændingskammeret, mens brændstof- og luftblandingen også komprimeres. Dette er en meget forenklet version af processen, selvfølgelig bare for at illustrere den største forskel mellem de to motortyper. Gnistantændingsmotorer følger en cyklus og kræver præcis timing for at arbejde, men er generelt pålidelige under forskellige betingelser [kilde: Knight].

Kompressionstændingsmotorer fungerer mere som dieselmotorer. Diesel er designet til meget højere komprimering (hvilket kræver tungere komponenter og stærkere konstruktion) og bruger glødeprop som en varmekilde i stedet for tændrør. Glødepropper opvarmer komprimeringskammeret, hvilket igen øger kompressionen i kammeret. Når brændstof tilføjes til kammeret, sprøjtes det over spidsen af ​​glødestikket, men processen er afhængig af komprimeringen mere end kontakten mellem brændstof og stikket. Manglen på "gnist" hjælper dieselmotorer med at opnå højere EPA-klassifikationer end benzinmotorer med ellers lignende specifikationer [kilde: Stewart].

Hvis vi fokuserer på gas, undrer du dig måske, hvad er poenget med at forklare, hvordan en dieselmotor fungerer? For at illustrere betydningen af ​​komprimering. Den bedste måde at forbedre gasmotoren på er at finde ud af, hvordan man øger kompressionen, hvilket gør det muligt for motoren at bruge dens brændstofforsyning mere effektivt.

En benzinmotor med kompressionstænding kombinerer de bedste dele af disse processer. Motoren er programmeret til at fange luft (typisk motorudstødning) i motorcylinderen ved at justere timingen af ​​udstødnings- og indsugningsventilerne. Brændstofinjektorerne tilføjer brændstof til denne fangede udstødning, og da den indfangede blanding er under meget høj kompression, er den relativt lille mængde brændstof i stand til at antænde.

Motorer med kompressionstænding kan endda opdeles i to forskellige typer [kilde: Lindberg].

• Homogen ladningskomprimeringsantændelse (HCCI): Denne motor blander luft og brændstof og komprimerer derefter blandingen, indtil den antændes. Mazdas motor vil være den første motor, der er HCCI-type, der masseproduceres.
• Benzin Direct Compression Ignition (GDCI): Denne motor sprænger benzin i en blanding af luft og udstødning, der allerede er komprimeret.

Den største forskel mellem disse to motorer er det punkt i processen, hvor brændstoffet tilføjes, opnået gennem justeringer af motorernes cykler og timing. Ellers fungerer motorerne på samme måde; komprimering er den vigtigste faktor.

SKYACTIV-G 2.0-liter har en 2,5-liters motor og effektiviteten af ​​en 1,5-liters dieselmotor. Mazda

Kompressionstændingsmotorer har et par fordele og mindst lige så mange ulemper. Blandt dens fordele er:

• Den bruger mindre brændstof end en tændtændingsmotor
• Det bruger brændstoffet mere effektivt (med andre ord, mindre strøm går tabt til den faktiske antændelse og overskydende varme)
• Da der bruges mindre brændstof, forurener bilen mindre

"Som en grov analogi er gnistantændelse beslægtet med at starte en brand ved kun at tænde en kant af avisantændingen og lade flammen gradvist klatre over papiret," forklarer Mazda drivkraftingeniør Jay Chen, via e-mail. "[Kompressionstænding] ligner mere spontan forbrænding, hvor brændstof og luft har nået kritisk tryk og temperatur, og hele ladningen skifter fase på samme tid og frigiver således all energi på én gang. Ved at frigive al energien næsten på én gang, [ komprimeringstænding] kan udtrække mere strøm (da det sker godt inden ekspansionsforholdet er opbrugt) fra den samme mængde luft, mens der bruges to til tre gange mindre brændstof og ved meget køligere forbrændingstemperaturer, hvilket yderligere reducerer spildt varmeenergi og emissioner ."

Lyder godt, ikke? Problemet er, at disse motorer er rigtig fin - hvis de var lette at designe og bruge, ville vi køre dem nu. Selv hvis du ikke kender dieselmotorer, har du måske hørt, at de kan være upraktiske under suboptimale forhold. En del af dette skyldes selve dieselbrændstoffet, som har en tendens til "gel" i meget kolde temperaturer. Vi har ikke det problem med benzin, som forbliver flydende selv under fryseforhold. Men kompressionstænding kan stadig påvirkes af vejret og andre omgivelsesforhold samt andre faktorer som kvaliteten af ​​brændstoffet.

"Indtil nu eksisterede forbrændingsmotorer med kompressionstænding kun under stabile laboratoriebetingelser eller rå køretøjsprototyper, der var for ru til at kunne anvendes i produktionen," siger Chen.

Med andre ord, hvis trykket og temperaturen i cylindrene ikke opretholdes omhyggeligt, fungerer processen ikke. For kolde temperaturer kan skade motorens følsomme komponenter. Hvis motoren bliver for varm, kan den begynde at banke - en tilstand, der opstår, når brændstof-luftblandingen bliver for varm og detonerer på det forkerte tidspunkt, hvilket spilder brændstof og resulterer i en dårlig kørende motor. En gnisttændingsmotor kan også blive for kold eller for varm, men har en meget højere fejlmargin.

At få en kompressionstændingsmotor til at fungere pålideligt afhænger af en nøjagtig kombination af luft, brændstof og udstødningsgasser blandet i det perfekte forhold, ved den perfekte kompression, med lige den rigtige mængde varme, der påføres på det rigtige tidspunkt. Som vi ved, har ingen været i stand til at bygge en bil med en kompressionstændingsgasmotor endnu, så denne proces skulle videreudvikles.

En bil drevet af en gaskomprimeringsantændelsesmotor kan være mindst lige så effektiv som en elbil, og muligvis endnu mere. Reimar Gaertner / UIG

Kort efter Mazdas meddelelse begyndte eksperter i bilindustrien at spekulere i, om en masse-marked komprimeringstændingsmotor kunne "redde" gasmotorer. Det vil sige, når industrien bevæger sig mere mod hybrid- og elektroteknologi, kan denne gasmotor være effektiv nok til at være en levedygtig konkurrent?

Chen siger Mazda er motiveret af troen på, at "ved at skubbe enhver effektivitet ud af forbrændingsmotoren (sammen med elektrificering, når forbrændingsmotoren er perfekt), kan vi levere en metode til at drive bilen langt ind i dette århundrede der har potentiale til at generere den samme eller mindre 'godt til hjul' CO2-emission som rene batterielektriske køretøjer drevet fra fossile brændstofbaserede kraftværker af forskellige former. "

Med andre ord mener Mazda, at med en fortsat innovation kan en bil, der drives af en gasmotor, være mindst lige så effektiv som en elbil, og muligvis endnu mere. Lad os se på, hvordan dette gennembrud inden for komprimeringstændingsteknologi er anderledes end dem, der kom før det.

I 2007 kørte Motor Trend en Saturn Aura drevet af en kompressionstændingsmotor, som opnåede en 15 procent reduktion i brændstofforbruget i forhold til en almindelig Aura [kilde: Markus]. På det tidspunkt forventede GM at frigive et køretøj med en kompressionstændingsmotor i 2015, men Saturn-mærket blev lukket et par år senere, og GM flyttede gradvist sit fokus til elektriske og plug-in hybridbiler som f.eks. Chevrolet Volt.

Cirka på samme tid arbejdede Mercedes-Benz på et kompressionstændingssystem kaldet DiesOtto, og Ford havde også et projekt under udvikling [kilde: Estrada]. Ingen af ​​disse motorer opnåede imidlertid grønt lys til produktion, og Hyundai's erfaring kan hjælpe med at forklare, hvorfor [kilde: Markus].

Bortset fra Mazda har Hyundai sandsynligvis gjort mest fremskridt med bestræbelser, der først blev synliggjort omkring 2013 [kilde: Markus]. Virksomheden designet sin version af en komprimeringsantændelsesmotor uden tændrør eller glødeprop med en udgivelsesdato for 2023.

På trods af lovende fremskridt afslørede Hyundai i 2016, at motorkomponenterne bare ikke var stærke nok til at håndtere den kompression, der kræves for, at processen skal fungere. Stærkere motorkomponenter, nemlig blokken, krumtap og lejer, kan selvfølgelig designes; Sådan fungerer dieselmotorer. Det er bare meget dyrt, og de stærkere komponenter tilføjer bilen vægt og reducerer dens samlede effektivitet. Hyundai havde hele tiden planlagt at bruge en turbolader til at øge strømmen og opretholde den nødvendige komprimering, men de opdagede, at de også ville have brug for en supercharger, som yderligere pressede budgettet. Og endelig var Hyundai ikke tilfreds med mængden af ​​forurening produceret af disse drivværker. I sidste ende var projektet meget dyrere og ikke næsten så rent og effektivt som planlagt [kilde: Markus].

Mazdas udviklingsindsats har pågået næsten lige så længe som sine konkurrenter.

"Skyactiv-X var altid i planerne, allerede før den første generation af Skyactiv blev lanceret," forklarer Mazda-ingeniør Chen. "Det første trin i denne køreplan var Mazdas Skyactiv Technology [som blev] introduceret i 2009. Den vigtigste forbedring på det tidspunkt var anvendelsen af ​​ukonventionelt højt komprimeringsforhold for at øge den samlede motoreffektivitet såvel som drivhjulets ydeevne. Dette blev opnået gennem en en synergistisk kombination af eksisterende teknikker anvendt sammen for at opnå, hvad der (indtil da) blev troet umuligt for produktionsmotorer. "

I lægmandsbetingelser: "Skyactiv" er betegnelsen for Mazdas strategi for at øge kompression for at øge effektiviteten, og Mazda måtte tænke lidt rundt for at få den kommende Skyactiv-X til at fungere. Som et resultat af denne tinkering tilføjede Mazda en tændrør i blandingen, så motoren kan skifte mellem kompression og gnisttænding afhængigt af hvad der er det mest effektive på det tidspunkt. Dette lyder måske som om det går imod det grundlæggende i højkomprimeringsteknologi, men Chen siger, at det fungerer.

"Dette gennembrud, som vi kalder gniststyret kompressionstænding (SPCCI), udvidede det anvendelige interval af komprimeringsantændelsesdrift og -kontrol i høj grad og gav løsningen til en problemfri overgang mellem CI [kompressionstænding] og SI [gnisttænding] forbrændingsmetoder, der bruges ved høje motorhastigheder (i tilfælde af Skyactiv-X), ”siger Chen.

Kort sagt er tændrøret den magiske ingrediens, der gør det muligt for motoren at køre jævnt og justere til forskellige forhold, og den vil kun blive brugt, når det er absolut nødvendigt. Mazdas motor er designet til at overvåge sig selv og justere dens funktion baseret på faktorer som aktuelle miljøforhold, den måde, bilen køres, og førerens præferencer og indstillinger [kilde: Estrada].

Efter at Mazda kom med denne idé, tog det yderligere to år at udvikle motoren, i hvilket tidsrum en anden vigtig beslutning blev taget. Køretøjer, der er udstyret med Skyactiv-X-motorer, vil have superchargers for at øge specifikke hestekræfter, hvilket vil forbedre køredynamikken og hjælpe med at overbevise potentielle købere til at tage en chance for denne nye teknologi [kilde: Estrada].

Det sidste store spørgsmål - hvornår kan chauffører forvente at se det? En talsperson for Mazda siger, at virksomheden endnu ikke kan afsløre, hvilke køretøjer der vil være de første udstyret med Skyactiv-X-motoren, eller hvornår de vil være tilgængelige. Vi ved heller ikke, om køretøjer, der er drevet af motorer med kompressionstænding, vil koste mere end sammenlignelige køretøjer med gnisttændingsmotorer. Det er dog sikkert at spekulere i, at selvom Mazda vil være den første, der markedsfører med denne teknologi, er andre producenter næsten sikre på at følge.

Forfatterens note: Sådan fungerer gaskompressionsantændelsesmotorer

I modsætning til mange af mine kolleger er jeg ikke særlig bekymret for "at spare gasmotorer", selvom det sandsynligvis ville hjælpe med jobsikkerheden. Måske skulle jeg være lidt mere egoistisk over det, men jeg besluttede at skrive om kompressionstændingsmotoren, simpelthen fordi jeg er fascineret af enhver innovation, der kan hjælpe med at gøre en bil mere effektiv.

Af den grund - bæredygtighed generelt - Jeg er ivrig efter at prøvekøre et køretøj med en kompressionstændingsmotor, så snart de er tilgængelige. Ligesom hybrider og elektrik, tror jeg, der vil være en masse samtale om, hvorvidt disse køretøjer er kraftige nok eller ej. Helt ærligt, jeg formoder, at den gennemsnitlige person ikke kan fortælle forskellen. Der er mange måder at gøre en bil interessant at køre bort fra blot at gøre den så kraftig som muligt, og det er et område, hvor Mazda udmærker sig.

relaterede artikler

• Har biler nogensinde haft eksterne forbrændingsmotorer?
• Diesel er ikke altid en værre forurening end benzin
• Sådan fungerer en Atkinson Cycle Engine
• Hvor meget luftforurening kommer fra biler?

Flere gode links

• Sådan fungerer et bilantændelsessystem
• Mazda kunne have teknologien til at redde forbrændingsmotoren
• Mazdas kunstige nye motor skaber flere kilometer fra mindre brændstof
• Sådan fungerer Tesla-turbinen

Kilder

• Brown, Jacob. Specialist, produktkommunikation, Mazda. Personlig korrespondance. 1. september 2017.
• Chen, Jay. Drivkraftingeniør, Mazda. Personlig korrespondance via Jacob Brown. 1. september 2017.
• Estrada, Zac. "Mazda kunne have teknologien til at redde forbrændingsmotoren." Randen. 8. august 2017. (30. august 2017) https://www.theverge.com/2017/8/8/16099536/mazda-compression-ignition-engine-technology
• Ridder, Cheryl. "Sådan fungerer et antændelsessystem til biler." YourMechanic. 19. november 2015. (29. aug. 2017) https://www.yourmechanic.com/article/how-a-car-ignition-system-works
• Lindberg, Austin. "Hyundai Developing Benzin-Burning Compression-Ignition Engine." Bil og fører. 18. nov. 2013. (30. august 2017) http://blog.caranddriver.com/hyundai-developing-gasoline-burning-compression-ignition-engine/
• Markus, Frank. "Technologue: Love Child - Driving the Ultimate Bastard Engine." Motortrend. 19. november 2007. (30. august 2017) http://www.motortrend.com/news/technologue-41/
• Markus, Frank. "Hvad skete der med Hyundais HCCI-motor?" Motortrend. 14. december 2016. (30. aug. 2017) http://www.motortrend.com/news/whatever-happened-hyundais-hcci-engine/
• Mazda. "Mazda annoncerer langsigtet vision for teknologiudvikling, 'Bæredygtig zoom-zoom 2030.'" 8. august 2017. (20. august 2017) http://www2.mazda.com/da/publicitet/release/2017 /201708/170808a.html
• Stewart, Jack. "Mazdas kunstige nye motor skaber flere kilometer fra mindre brændstof." Wired. 9. august 2017. (30. august 2017) https://www.wired.com/story/mazda-injection-compression-skyactivx-engine/
• Szymkowski, Sean. "Hvordan Mazdas SkyActiv-X-motor, baseret på HCCI, faktisk fungerer (video)." Grønne bilrapporter. 21. august 2017. (30. august 2017) http://www.greencarreports.com/news/1112222_how-mazdas-skyactiv-x-engine-based-on-hcci-actually-works-video