Hvordan motorer av gasskompresjon-tenning fungerer

Mazdas SKYACTIV-X-motor er verdens første kommersielle bensinmotor som bruker kompresjonsantennelse. Mazda

Sommeren 2017 kunngjorde Mazda: Autoselskapet fant en måte å lage bensinmotorer med kompresjonsantenn til personbiler. Mazda hevdet at den nye motoren kunne forbedre drivstofføkonomien med 20 til 30 prosent, noe som er en betydelig prestasjon for en bensinmotor.

Før du tar et dykk i denne teknologien, er det verdt å merke seg at kompresjonsantennmotoren ikke er et nytt konsept. Formel 1-biler bruker kompresjonsantennmotorer, og flere andre bilprodusenter har forsøkt å utvikle en kommersielt levedyktig versjon for personbiler. Men Mazdas motor, kalt Skyactiv-X, vil være den første masseproduserte og kommersielt tilgjengelige motoren av denne typen. Takket være Jay Chen, en maskinfører med Mazda, kunne vi lære hvordan dette gjennombruddet ble oppnådd. Men først må vi se på de grunnleggende funksjonene til en motor.

En motor fungerer ved å tenne drivstoff på to måter: varme og komprimering. Gnistantennmotorer finnes i de fleste bensinbiler. I denne typen motorer tennes tennpluggene for å tenne drivstoff i forbrenningskammeret, mens også drivstoff- og luftblandingen komprimeres. Dette er en veldig forenklet versjon av prosessen, selvfølgelig, bare for å illustrere hovedforskjellen mellom de to motortypene. Gnistantenningsmotorer følger en syklus og krever presis timing for å fungere, men er generelt pålitelige under en rekke forhold [kilde: Knight].

Kompresjonsantennmotorer fungerer mer som dieselmotorer. Dieseler er designet for mye høyere kompresjon (som krever tyngre komponenter og sterkere konstruksjon) og bruker glødeplugger som varmekilde i stedet for tennplugger. Glødeplugger varme opp kompresjonskammeret, noe som igjen øker kompresjonen i kammeret. Når drivstoffet tilsettes kammeret, sprayes det over spissen av glødepluggen, men prosessen er avhengig av komprimering mer enn kontakten til drivstoffet og pluggen. Mangelen på "gnist" hjelper dieselmotorer med å oppnå høyere EPA-karakter enn bensinmotorer med ellers lignende spesifikasjoner [kilde: Stewart].

Hvis vi fokuserer på gass, lurer du kanskje på, hva er poenget med å forklare hvordan en dieselmotor fungerer? Bare for å illustrere viktigheten av kompresjon. Den beste måten å forbedre bensinmotoren på er å finne ut hvordan man kan øke kompresjonen, noe som gjør det mulig for motoren å bruke drivstofftilførselen mer effektivt.

En bensinmotor med kompresjonsantenn kombinerer de beste delene av disse prosessene. Motoren er programmert til å fange luft (typisk motoreksos) i motorsylinderen ved å justere tidspunktet for eksos- og inntaksventilene. Drivstoffinjektorene tilfører drivstoff til denne fangede eksosen, og siden den fangede blandingen er under veldig høy kompresjon, er den relativt små mengden drivstoff i stand til å antenne.

Motorer med kompresjonsantenn kan til og med brytes ned i to forskjellige typer [kilde: Lindberg].

• Homogen ladningskompressjonstennelse (HCCI): Denne motoren blander luft og drivstoff, og komprimerer deretter blandingen til den antenner. Mazdas motor vil være den første motoren fra HCCI-typen som blir masseprodusert.
• Bensin direkte kompresjonsantennelse (GDCI): Denne motoren spruter bensinen til en blanding av luft og eksos som allerede er komprimert.

Hovedforskjellen mellom disse to motorene er poenget i prosessen der drivstoffet tilsettes, oppnådd gjennom justeringer av motorenes sykluser og timing. Ellers fungerer motorene på samme måte; kompresjonen er den viktigste faktoren.

SKYACTIV-G 2,0-liters kraft har en 2,5-liters motor og effektiviteten til en 1,5-liters dieselmotor. Mazda

Kompresjonsantennmotorer har noen fordeler og minst like mange ulemper. Blant fordelene er:

• Den bruker mindre drivstoff enn en gnistantenningsmotor
• Den bruker drivstoffet mer effektivt (med andre ord, mindre strøm går tapt til selve tenningen og for overflødig varme)
• Siden mindre drivstoff brukes, forurenser bilen mindre

"Som en grov analogi, er gnisttenning lik det å starte en brann ved å tenne bare en kant på avis-tenningen og la flammen gradvis klatre over papiret," forklarer Mazda drivlinjeingeniør Jay Chen, via e-post. "[Kompresjonstennelse] ligner mer på spontan forbrenning der drivstoffet og luften har nådd kritisk trykk og temperatur, og hele ladningen endrer fase samtidig og frigjør all energi samtidig. Ved å frigjøre all energi nesten på en gang, [ kompresjonstennelse] kan trekke ut mer kraft (siden det skjer i god tid før utvidelsesforholdet er brukt opp) fra den samme mengden luft mens du bruker to til tre ganger mindre drivstoff og ved mye kjøligere forbrenningstemperaturer, noe som reduserer bortkastet varmeenergi og utslippsdannelse ytterligere ."

Høres bra ut, ikke sant? Problemet er at disse motorene er veldig staselige - hvis de var enkle å utforme og bruke, ville vi kjørt dem nå. Selv om du ikke er kjent med dieselmotorer, har du kanskje hørt at de kan være upraktiske under suboptimale forhold. En del av dette skyldes selve dieselbrennstoffet, som har en tendens til "gel" i veldig kalde temperaturer. Vi har ikke det problemet med bensin, som forblir flytende selv under fryseforhold. Men kompresjonsantennelse kan fremdeles påvirkes av været og andre omgivelsesforhold, så vel som andre faktorer som kvaliteten på drivstoffet.

"Til nå eksisterte forbrenningsmotorer med kompresjonsantenn bare i stabile laboratorieforhold eller rå kjøretøyprototyper for grove til å kunne brukes i produksjonen," sier Chen.

Med andre ord, hvis trykket og temperaturen i sylindrene ikke holdes nøye, vil ikke prosessen fungere. For kalde temperaturer kan skade motorens følsomme komponenter. Hvis motoren blir for varm, kan den begynne å banke - en tilstand som oppstår når drivstoff-luftblandingen blir for varm og detonerer til feil tid, noe som sløser bort drivstoff og resulterer i en motor som går dårlig. En gnistantenningsmotor kan også bli for kald eller for varm, men har mye høyere feilmargin.

For at en motor med kompresjonsantenn skal fungere pålitelig, avhenger av en presis kombinasjon av luft, drivstoff og avgasser som er blandet i det perfekte forholdet, ved den perfekte kompresjonen, med akkurat den rette mengden varme tilført til riktig tid. Som vi vet, har ingen klart å bygge en bil med en kompresjonsantennende gassmotor ennå, så denne prosessen måtte videreutvikles.

En bil drevet av en gasskompresjon-tenningsmotor kan være minst like effektiv som en elbil, og muligens enda mer. Reimar Gaertner / UIG

Rett etter Mazdas kunngjøring begynte eksperter i bilindustrien å spekulere i om en masse-markedet kompresjonsantenningsmotor kunne "redde" bensinmotorer. Det vil si at når industrien beveger seg mer mot hybrid- og elektroteknologi, kan denne bensinmotoren være effektiv nok til å være en levedyktig utfordrer?

Chen sier Mazda er motivert av troen på at "ved å presse hver effektivitet ut av forbrenningsmotoren (i forbindelse med elektrifisering når forbrenningsmotoren er fullført), kan vi levere en metode for å drive bilen godt inn i dette århundre som har potensial til å generere de samme eller mindre CO2-utslippene som er godt hjulet som rene batterielektriske kjøretøyer drevet fra fossilt drivstoffbaserte kraftverk av forskjellige former. "

Mazda mener med andre ord at med fortsatt innovasjon kan en bil drevet av en bensinmotor være minst like effektiv som en elbil, og muligens enda mer. La oss se på hvordan dette gjennombruddet innen kompresjon-tenningsteknologi er forskjellig fra de som kom før den.

I 2007 kjørte Motor Trend en Saturn Aura drevet av en motor med kompresjonsantennelse, som oppnådde 15 prosent reduksjon i drivstofforbruket over en vanlig Aura [kilde: Markus]. På det tidspunktet ventet GM å slippe et kjøretøy med kompresjonsantennmotor i 2015, men Saturn-merket ble lagt ned bare noen år senere, og GM flyttet gradvis fokuset til elektriske og plug-in hybridbiler som Chevrolet Volt.

Omtrent på samme tid jobbet Mercedes-Benz med et kompresjonsantenningssystem kalt DiesOtto, og Ford hadde også et prosjekt i utvikling [kilde: Estrada]. Imidlertid oppnådde ingen av disse motorene grønt lys for produksjon, og Hyundais erfaring kan være med på å forklare hvorfor [kilde: Markus].

Bortsett fra Mazda, har Hyundai sannsynligvis gjort mest fremgang, med innsats som først kom fram rundt 2013 [kilde: Markus]. Selskapet designet sin versjon av en kompresjonsantennelsesmotor uten tennplugger eller glødeplugger, med en målutgivelsesdato 2023.

Til tross for lovende fremgang, avslørte Hyundai i 2016 at motorkomponentene bare ikke var sterke nok til å takle kompresjonen som kreves for at prosessen skal fungere. Sterkere motorkomponenter, nemlig blokka, veiv og lager, kan selvfølgelig utformes; det er slik dieselmotorer fungerer. Det er bare veldig dyrt, og de sterkere komponentene legger vekten til bilen og reduserer den generelle effektiviteten. Hyundai hadde planlagt hele tiden å bruke en turbolader for å øke kraften og opprettholde den nødvendige kompresjonen, men de oppdaget at de også ville trenge en supercharger, noe som ytterligere bust budsjettet. Og til slutt var Hyundai ikke fornøyd med mengden forurensning produsert av disse drivlinjene. Til slutt var prosjektet mye dyrere og ikke på langt nær så rent og effektivt som planlagt [kilde: Markus].

Mazdas utviklingsinnsats har pågått nesten like lenge som konkurrentene.

"Skyactiv-X var alltid med i planene allerede før den første generasjonen Skyactiv ble lansert," forklarer Mazda-ingeniør Chen. "Det første trinnet i dette veikartet var Mazda's Skyactiv Technology [som ble introdusert i 2009. Den viktigste forbedringen på det tidspunktet var anvendelsen av ukonvensjonelt høyt motorkomprimeringsforhold for å øke den totale motoreffektiviteten og drivkraftytelsen. Dette ble oppnådd gjennom en synergistisk kombinasjon av eksisterende teknikker som ble brukt sammen for å oppnå det som til da var antatt umulig for produksjonsmotorer. "

I lekmannsbetingelser: "Skyactiv" er betegnelsen på Mazdas strategi for å øke komprimering for å øke effektiviteten, og Mazda måtte tulle litt rundt for å få den kommende Skyactiv-X til å fungere. Som et resultat av den tippingen, la Mazda en tennplugg inn i blandingen, slik at motoren kan veksle mellom kompresjon og gnisttenning avhengig av hva som er den mest effektive den gangen. Dette kan høres ut som om det er i strid med det grunnleggende ved høykompresjon motorteknologi, men Chen sier at det fungerer.

"Dette gjennombruddet, som vi kaller gnistkontrollert kompresjonsantennelse (SPCCI), utvidet det brukbare området for kompresjon-tenning-drift og -kontroll i stor grad, og ga løsningen for en sømløs overgang mellom CI [kompresjonsantennelse] og SI [gnisttenning] forbrenningsmetoder som brukes ved høye motorhastigheter (i tilfelle Skyactiv-X), "sier Chen.

Enklere er tennpluggen den magiske ingrediensen som gjør at motoren kan gå jevnt og justere for forskjellige forhold, og den vil bare brukes når det er absolutt nødvendig. Mazdas motor er designet for å overvåke seg selv og justere driften basert på faktorer som gjeldende miljøforhold, måten bilen kjøres på, og førerens preferanser og innstillinger [kilde: Estrada].

Etter at Mazda kom med denne ideen, tok det ytterligere to år å utvikle motoren, i løpet av hvilken tid en annen viktig beslutning ble tatt. Kjøretøyer utstyrt med Skyactiv-X-motorer vil ha superladere for å øke hestekrefter-spesifikasjonene, noe som vil forbedre kjøredynamikken og hjelpe overbevise potensielle kjøpere om å ta en sjanse på denne nye teknologien [kilde: Estrada].

Det siste store spørsmålet - når kan sjåførene forvente å se det? En talsperson for Mazda sier at selskapet ennå ikke kan røpe hvilke kjøretøy som vil være de første utstyrt med Skyactiv-X-motoren, eller når de vil være tilgjengelige. Vi vet heller ikke om kjøretøy som er drevet av komprimeringsantennmotorer vil koste mer enn sammenlignbare biler med gnistantenningsmotorer. Det er imidlertid trygt å spekulere i at mens Mazda vil være den første som markedsfører med denne teknologien, er andre produsenter nesten sikre på å følge.

Forfatterens merknad: Hvordan gasskompresjon-antennelsesmotorer fungerer

I motsetning til mange av mine kolleger, er jeg ikke spesielt bekymret for å "spare bensinmotorer", selv om det sannsynligvis vil hjelpe med jobbsikkerhet. Kanskje jeg burde være litt mer egoistisk om det, men jeg bestemte meg for å skrive om kompresjonsantennelsesmotoren rett og slett fordi jeg er fascinert av enhver innovasjon som kan bidra til å gjøre en bil mer effektiv.

Av den grunn - bærekraft generelt - Jeg er ivrig etter å prøvekjøre et kjøretøy med en kompresjonsantennmotor så snart de er tilgjengelige. Som hybrider og elektrikk tror jeg det vil være mye samtale om hvorvidt disse kjøretøyene er kraftige nok eller ikke. Ærlig talt, jeg mistenker at den gjennomsnittlige personen ikke vil kunne fortelle forskjellen. Det er mange måter å gjøre en bil interessant å kjøre bortsett fra å bare gjøre den så kraftig som mulig, og det er et område der Mazda utmerker seg.

relaterte artikler

• Har biler noen gang ekstern forbrenningsmotor?
• Diesel er ikke alltid en verre forurenser enn bensin
• Hvordan en Atkinson Cycle Engine fungerer
• Hvor mye luftforurensning kommer fra biler?

Flere gode lenker

• Hvordan et tenningssystem fungerer
• Mazda kan ha teknologien til å redde forbrenningsmotoren
• Mazdas utformede nye motor skaffer flere kilometer fra mindre drivstoff
• Hvordan Tesla-turbinen fungerer

kilder

• Brown, Jacob. Spesialist, produktkommunikasjon, Mazda. Personlig korrespondanse. 1. september 2017.
• Chen, Jay. Drivmotoringeniør, Mazda. Personlig korrespondanse via Jacob Brown. 1. september 2017.
• Estrada, Zac. "Mazda kan ha teknologien til å redde forbrenningsmotoren." Kanten. 8. august 2017. (30. august 2017) https://www.theverge.com/2017/8/8/16099536/mazda-compression-ignition-engine-technology
• Knight, Cheryl. "Slik fungerer et tenningssystem for biler." YourMechanic. 19. november 2015. (29. august 2017) https://www.yourmechanic.com/article/how-a-car-ignition-system-works
• Lindberg, Austin. "Hyundai Developing Benzin-Burning Compression-Ignition Engine." Bil og sjåfør. 18. nov 2013. (30. aug. 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. "Hva skjedde med Hyundais HCCI-motor?" Motortrend. 14. desember 2016. (30. aug. 2017) http://www.motortrend.com/news/whatever-happened-hyundais-hcci-engine/
• Mazda. "Mazda kunngjør langsiktig visjon for teknologiutvikling, 'Bærekraftig zoom-zoom 2030.'" 8. august 2017. (20. august 2017) http://www2.mazda.com/no/publicity/release/2017 /201708/170808a.html
• Stewart, Jack. "Mazdas utformede nye motor skaffer flere kilometer fra mindre drivstoff." Fast. 9. august 2017. (30. august 2017) https://www.wired.com/story/mazda-injection-compression-skyactivx-engine/
• Szymkowski, Sean. "Hvordan Mazdas SkyActiv-X-motor, basert på HCCI, faktisk fungerer (video)." Grønne bilrapporter. 21. august 2017. (30. aug. 2017) http://www.greencarreports.com/news/1112222_how-mazdas-skyactiv-x-engine-based-on-hcci-actually-works-video