Κινητήρες βενζίνης από το μέλλον με 14:1 σχέση συμπίεσης

2,7Χιλ.

Μια νέα γενιά βενζινοκινητήρων με σχέση  συμπίεσης 12:1, 13:1 και 14:1 είναι ήδη στην παραγωγή από την Mazda.
Kαι όμως, κάτι που φαίνεται ακατόρθωτο, μια σχέση συμπίεσης 14:1 σε βενζινοκινητήρα, κατάφεραν οι μηχανικοί της Mazda να το κάνουν πραγματικότητα. O κινητήρας Skyactiv-G στις ΗΠΑ κατασκευάστηκε με σχέση συμπίεσης 12:1. Η επόμενη έκδοση CX-5 crossover θα ακολουθήσει με σχέση συμπίεσης 13:1. Και στη συνέχεια ο ίδιος με σχέση συμπίεσης 14:1 θα απευθυνθεί στις αγορές της Ευρώπης και της Ιαπωνίας.

 

Η νέα γενιά “SKYACTIV”

Ο όρος “SKYACTIV” της Mazda αφορά τεχνολογίες που έχουν σχεδιαστεί και εφαρμοστεί για να βελτιώσουν την αποτελεσματικότητα και τη βιωσιμότητα της νέας γενιάς αυτοκινήτων της εταιρείας. Αφορούν τους κινητήρες βενζίνης (SKYACTIV-G, gasoline) και πετρελαίου (SKYACTIV-D, diesel), τα συστήματα μετάδοσης της κίνησης με μηχανικό κιβώτιο ταχυτήτων (SKYACTIV-MT, manual transmission), με αυτόματο κιβώτιο ταχυτήτων (SKYACTIV-Drive, automatic transmission) και την δομή του πλαισίου (SKYACTIV-Body & SKYACTIV- Chassis), με περαιτέρω ενίσχυση της ασφάλειας καθώς και την βελτίωση της οδηγικής απόλαυσης. Πολλοί κατασκευαστές αυτοκινήτων σχεδιάζουν να επικεντρωθούν στην υβριδική τεχνολογία μεσοπρόθεσμα και σε μακροπρόθεσμη βάση αποκλειστικά στην ηλεκτρική Τεχνολογία.

Η Mazda δεν φαίνεται να έχει διαφορετική άποψη από αυτή μιας και ήδη διαθέτει περισσότερα από 20 χρόνια εμπειρία σε υβριδικά και πλήρως ηλεκτρικά οχήματα. Μάλιστα μια ηλεκτρική έκδοση του Mazda2 θα προσφέρεται σε περιορισμένο αριθμό το 2012 στην Ιαπωνία ως μέρος ενός προγράμματος αυτοκινήτων χρηματοδοτικής μίσθωσης.

Αν δεν είστε συνδρομητής ή η συνδρομή σας έχει λήξει
παρακαλούμε εγγραφείτε ή ανανεώστε την συνδρομή σας.

[/um_loggedin]

{!guest}

Ποιοι κινητήρες θα υπάρχουν μετά από 10 χρόνια

Η Mazda σχεδιάζει να συνδυάσει το υβριδικό σύστημα με την επόμενη γενιά των κινητήρων SKYACTIV για την ανάπτυξη και την κατασκευή ενός υβριδικού αυτοκινήτου στην Ιαπωνία. Παρόλα αυτά όμως προβληματισμό προκαλεί μια μελέτη του 2010 της Eurotax, στην οποία φαίνεται ότι οι ετήσιες πωλήσεις των αμιγώς ηλεκτρικών αυτοκινήτων στη Γερμανία θα ανέρχεται μεταξύ 250.000 και 375.000 μονάδων μέχρι το 2020. Αυτό είναι ένα μερίδιο αγοράς που αντιστοιχεί μόνο στο 10% του στόλου των οχημάτων. Προσθέτοντας 200.000 υβριδικά οχήματα που θα κινούνται με βενζίνη ή Diesel, η μελέτη καταλήγει στο συμπέρασμα ότι τα οχήματα που θα κινούνται αποκλειστικά και μόνο με βενζίνη ή ντίζελ θα εξακολουθούν να αντιπροσωπεύουν περισσότερο από το 80% της αγοράς σε βάθος 10 χρόνων από σήμερα. Επίσης οι εκπομπές CO2 των κινητήρων εσωτερικής καύσης θα παραμείνουν χαμηλότερες από αυτές των ηλεκτροκίνητων οχημάτων εφόσον η απαιτούμενη ηλεκτρική ενέργεια προέρχεται από μη ανανεώσιμες πηγές ενέργειας.

Τεχνολογίες βενζινο-κινητήρα SKYACTIV-G

Γενικά

O κινητήρας Skyactiv-G κατασκευάστηκε αρχικά για τις ΗΠΑ με σχέση συμπίεσης 12:1. Η επόμενη έκδοση CX-5 crossover θα ακολουθήσει με σχέση συμπίεσης 13:1, και στη συνέχεια οι κινητήρες με σχέση συμπίεσης 14:1 θα απευθυνθούν στις αγορές της Ευρώπης και της Ιαπωνίας. Ο κινητήρας SKYACTIV-G είναι ένας κινητήρας υψηλής σχέσης συμπίεσης, μετά την επίλυση από τους μηχανικούς της Mazda με μοναδικό τρόπο όλων των προβλημάτων που μέχρι σήμερα εμπόδιζαν αυτή την προσέγγιση, υψηλής απόδοσης με άμεσο ψεκασμό, και χαμηλό βάρος.

Αξιοπρόσεκτο είναι ότι οι κινητήρες που έχουν σχέση συμπίεσης 12:1 και 13:1λειτουργούν με βενζίνη απλή (χαμηλών οκτανίων) ενώ οι κινητήρες με σχέση συμπίεσης 14:1 λειτουργούν με σουπερ βενζίνη (υψηλών οκτανίων) χωρίς προβλήματα προανάφλεξης.

Ιδιαίτερα χαρακτηριστικά

• Εξαιρετικά υψηλή σχέση συμπίεσης 14: 1

• Ιδιαίτερο σύστημα εξάτμισης 4-2-1, νέα σχεδίαση εμβόλων, νέα μπεκ ψεκασμού με αλλαγή της στρατηγικής ψεκασμού και άλλες καινοτομίες για να αποφευχθεί η προανάφλεξη του καυσίμου (πειράκια).

• Μείωση εσωτερικών τριβών του κινητήρα κατά 30%.

• Συνεχώς μεταβλητό χρονισμό βαλβίδων (dual S-VT), για την πρόληψη και ελαχιστοποίηση των απωλειών άντλησης των καυσαερίων κατά την φάση εξαγωγής.

• Ελαφρύς σχεδιασμός, 10% συνολικά ελαφρύτερη κατασκευή.

• Περίπου 15% χαμηλότερη κατανάλωση καυσίμου και εκπομπές CO₂ από ό,τι ο Mazda 2.0 λίτρων MZR κινητήρας βενζίνης.

• Περίπου 15% περισσότερη ροπή στις χαμηλότερες και μεσαίες στροφές.

Πως η αύξηση της θερμοκρασίας του κινητήρα επηρεάζει την αυτανάφλεξη;

Η αύξηση της σχέσης συμπίεσης βελτιώνει σημαντικά την θερμική απόδοση του κινητήρα. Θεωρητικά, αν η σχέση συμπίεσης αυξηθεί από 10:1 έως 15:1, η θερμική απόδοση θα βελτιωθεί περίπου κατά 9%. Ωστόσο, ένας από τους λόγους που δεν εφαρμόζεται η τεχνολογία της υψηλής σχέσης συμπίεσης είναι ο κίνδυνος αυτανάφλεξης του κινητήρα (χτύπημα) και η μείωση της ροπής του, Σχήμα 3.

Η αυτανάφλεξη του κινητήρα είναι μία κακή καύση στην οποία το μίγμα αέρα-καυσίμου αναφλέγεται πρόωρα λόγω της έκθεσης του σε υψηλή θερμοκρασία και πίεση, δημιουργώντας έναν ανεπιθύμητο υψηλής συχνότητας θόρυβο, ο οποίος είναι γνωστός και σαν «πειράκια». Όταν η σχέση συμπίεσης αυξάνεται, αυξάνεται επίσης η θερμοκρασία κατά την συμπίεση στο άνω νεκρό σημείο (ΑΝΣ), αυξάνοντας έτσι την πιθανότητα αυτανάφλεξης. Μειώνοντας την ποσότητα των θερμών καυσαερίων που έχουν παραμείνει στο εσωτερικό του θαλάμου καύσης, μειώνεται αποτελεσματικά η θερμοκρασία του μίγματος κατά την συμπίεση του στο άνω νεκρό σημείο (ΑΝΣ).

• Παράδειγμα

Για παράδειγμα, με μια σχέση συμπίεσης κινητήρα 10:1, με θερμοκρασία καυσαερίων 750 οC και θερμοκρασία αέρα εισαγωγής 25 οC, εάν το 10% των καυσαερίων παραμένει στον θάλαμο καύσης, η θερμοκρασία στο εσωτερικό του κυλίνδρου πριν από την συμπίεση θα είναι περίπου 70 οC. Κάτω από αυτές τις συνθήκες η θερμοκρασία του μίγματος κατά την φάση της συμπίεσης στο Άνω Νεκρό Σημείο (ΑΝΣ) υπολογίζεται ότι θα αυξηθεί περίπου κατά 160 οC. Ως εκ τούτου, υπάρχουν αυξημένες πιθανότητες «χτυπήματος» του κινητήρα. Οι υπολογισμοί αυτοί απεικονίζονται στο Σχήμα 4, και όπως φαίνεται, εάν το ποσοστό του υπόλοιπου των καυσαερίων είναι κατά το ήμισυ (δηλ. από 8% σε 4%), η θερμοκρασία στο (ΑΝΣ) κατά την συμπίεση υπολογίζεται να παραμείνει η ίδια ακόμη και όταν η σχέση συμπίεσης αυξάνεται από 11:1 σε 14:1.

Η μείωση αυτή του υπολοίπου των καυσαερίων, με αποτέλεσμα την μείωση της θερμοκρασίας στο (ΑΝΣ) του μίγματος κατά την φάση της συμπίεσης εφαρμόστηκε μέσα από διάφορες τεχνολογίες από τους μηχανικούς της MAZDA για τους κινητήρες της σειράς SKYACTIV-G, καθιστώντας δυνατή την υλοποίηση ενός υψηλού βαθμού σχέσης συμπίεσης, 14:1, για βενζινοκινητήρα.

 

Νέα στρατηγική ψεκασμού

Όλοι οι Skyactiv-G κινητήρες διαθέτουν αντλία υψηλής πίεσης (200 bar) και μπεκ άμεσου ψεκασμού με έξι οπές ψεκασμού τα οποία ενεργοποιούνται δύο φορές ανά κύκλο λειτουργίας. Τα μπεκ ψεκάζουν μια φορά όταν το έμβολο βρίσκεται στο κάτω νεκρό σημείο κατά την φάση της εισαγωγής και μια φορά όταν το έμβολο βρίσκεται στο άνω νεκρό σημείο κατά τη διάρκεια της συμπίεσης. Ο πρώτος ψεκασμός συμβάλει στην περαιτέρω ψύξη του μίγματος, αέρα – καυσίμου, λόγω της εξάτμισης του καυσίμου στον κύλινδρο.

Νέο σύστημα πολλαπλής εξαγωγής

Μια επιλογή για να μειωθεί σημαντικά το υπόλοιπο των καυσαερίων είναι η υιοθέτηση ενός συστήματος πολλαπλής εξαγωγής μεγάλου μήκους 4-2-1. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 5, όταν η πολλαπλή εξαγωγής είναι κοντή, το υψηλής πίεσης κύμα καυσαερίων αμέσως μετά το άνοιγμα των βαλβίδων εξαγωγής του κυλίνδρου Νο3 κατευθύνεται και φτάνει στο κύλινδρο Νο1, που όπως φαίνεται στο διάγραμμα βρίσκεται στην φάση κατά την οποία τελειώνει ο χρόνος της εξαγωγής και αρχίζει ο χρόνος της εισαγωγής.

Ως αποτέλεσμα, τα καυσαέρια που μόλις βγήκαν από τον κύλινδρο Νο3 υποχρεώνονται να επιστρέψουν μέσα στο θάλαμο καύσης, στο κύλινδρο Νο1, αυξάνοντας την ποσότητα των ζεστών υπολειμματικών καυσαερίων. Με μια κοντή πολλαπλή εξαγωγής, το υψηλό κύμα πίεσης καυσαερίων φτάνει στον επόμενο κύλινδρο μέσα σε σύντομο χρονικό διάστημα, και προκαλεί αυτό το δυσμενές αποτέλεσμα που συνεχίζεται από τις χαμηλές στις υψηλές στροφές του κινητήρα.

Ωστόσο, με μια μακριού μήκους πολλαπλή εξαγωγή τύπου 4-2-1, καθώς χρειάζεται χρόνος για το υψηλής πίεσης κύμα καυσαερίων να φτάσει στον επόμενο κύλινδρο, το αναφερόμενο δυσμενές αποτέλεσμα περιορίζεται σε εξαιρετικά χαμηλές στροφές, με αποτέλεσμα να είναι δυνατή η μείωση των ζεστών υπολειμματικών καυσαερίων σε όλες σχεδόν τις στροφές του κινητήρα.

Γι’ αυτό λοιπόν ένα μήκος σωλήνα εξαγωγής πάνω από 600 χιλιοστά ήταν απαραίτητο για να ανέβει και η πραγματική ροπή του κινητήρα. Το αυξημένο μήκος της πολλαπλής εξαγωγής επιτεύχθηκε με την σχεδίαση μιας νέας πολλαπλής εξαγωγής σε σχήμα βρόχου, Σχήμα 6.

• Το πρόβλημα

Το μεγάλο όμως πρόβλημα με την μακριού μήκους πολλαπλή εξαγωγή τύπου 4-2-1 ήταν, ότι η μεγάλη απόσταση κρύωνε τα καυσαέρια πριν φτάσουν στον καταλύτη, καθυστερώντας την ενεργοποίηση του καταλύτη. Η θερμοκρασία των καυσαερίων μπορεί να αυξηθεί με την καθυστέρηση του χρονισμού της ανάφλεξης, αλλά μεγάλη καθυστέρηση προκαλεί αστάθεια  καύσης.

Νέα σχεδίαση εμβόλων

Στον κινητήρα SKYACTIV-G οι τεχνικοί κατάφεραν όμως η καύση να παραμένει σταθερή ακόμη και όταν ο χρονισμός της ανάφλεξης καθυστερήσει σημαντικά. Αυτό κατέστη δυνατό με την υιοθέτηση μιας ξεχωριστής κοιλότητας στο έμβολο, Σχήμα 7 και τη βελτιστοποίηση της έγχυσης του καυσίμου, προκειμένου να δημιουργηθεί ένα στρωματοποιημένο μίγμα αέρα-καυσίμου γύρω από το μπουζί. Επιπλέον, η κοιλότητα του εμβόλου επιλύει το θέμα της αρχικής φλόγας που έρχεται σε επαφή με όλη την επιφάνεια της κεφαλής του εμβόλου δημιουργώντας μια απώλεια ψύξης.

Η σχέση διαμέτρου-διαδρομής από 87.5 x 83.1 mm έγινε 83.5 x 91.2 mm δημιουργώντας μία μακριά διαδρομή εμβόλου με σχέση συμπίεσης 14:1 Η μικρότερη διάμετρος και ο μικρότερος θάλαμο καύσης συμβάλλουν στην ταχύτερη καύση.

Άλλες τεχνολογίες βελτίωσης κινητήρα Skyactiv G

• Μεταβλητός χρονισμός

Ο μεταβλητός χρονισμός των βαλβίδων εισαγωγής και εξαγωγής συμβάλει σημαντικά στη βελτίωση της ροπής. Ο χρονισμός των βαλβίδων αλλάζει σε βραδυπορεία στο τέλος του κλεισίματος των βαλβίδων εισαγωγής, και δεν κλείνει η πεταλούδα του γκαζιού κατά την φάση της επιβράδυνσης, όταν το όχημα κινείται με σχεδόν μηδενικό φορτίο. Αυτό το σύστημα όχι μόνο μειώνει την απώλεια μηχανικού έργου κατά την εισαγωγή, αλλά και αυξάνει την ωφέλιμη ενεργειακά διαδρομή του εμβόλου εκμεταλλευόμενο και την τελευταία σταγόνα απόδοσης από το χρόνο εκτόνωσης (Λειτουργία βασισμένη στον κύκλο Miller/Atkinson). Ωστόσο, επειδή δεν υπάρχει πραγματικό φορτίο στην επιβράδυνση, ο κινητήρας Skyactiv συνεχίζει να λειτουργεί μέχρι ο εκκεντροφόρος να επαναφέρει τον χρονισμό των βαλβίδων στην φάση λειτουργίας με φορτίο.

• Μείωση βάρους εξαρτημάτων

Ο κινητήρας Skyactiv-G υποβλήθηκε σε μια “στρατηγική γραμμαρίου”, μία μελέτη μέχρι και το ποιο μικρό κομμάτι του κινητήρα που μείωσε αισθητά το βάρος των εξαρτημάτων καθώς και το συνολικό βάρος του κινητήρα. Η “στρατηγική γραμμαρίου” έδωσε έναν ελαφρύ σχεδιασμό, περίπου 10% συνολικά ελαφρύτερο κινητήρα.

• Μείωση τριβών κινητήρα

Σχετικά με την μείωση των τριβών και των απωλειών έργου, η Mazda αναφέρει ότι στον νέο κινητήρα έχει επιτευχθεί 74% μείωση από την αντλία λαδιού, 31% μείωση από την αντλία νερού, 25% μείωση από τις παλινδρομικές μάζες (ελαφρύτερα έμβολα και χαμηλότερης έντασης ελατήρια εμβόλου) και 50% μείωση από τους μηχανισμούς κίνησης των βαλβίδων.

 

Συμπέρασμα

Φαίνεται ότι η μηχανικοί της Mazda κατάφεραν κάτι που μέχρι εχθές φάνταζε τεχνολογικά απίθανο, μια σχέση συμπίεσης 14:1 σε βενζινοκινητήρα, να το κάνουν πραγματικότητα. Οι τεχνολογίες που εφαρμόσθηκαν στηρίζονται στην βελτίωση των συνθηκών των χρόνων λειτουργίας του βενζινοκινητήρα. Αντιμετωπίζοντας με απλές τεχνολογικά λύσεις τα διάφορα προβλήματος, όπως το σημαντικό πρόβλημα της αυτανάφλεξης χάραξαν μια νέα γραμμή στην εξέλιξη των κινητήρων εσωτερικής καύσης.

[/um_loggedin]