Hur motorer med kompressionständning fungerar

Mazdas SKYACTIV-X-motor är världens första kommersiella bensinmotor som använder kompressionständning. Mazda

Sommaren 2017 meddelade Mazda: Bilföretaget hittade ett sätt att göra bensinmotorer med kompressionständning för personbilar. Mazda hävdade att den nya motorn skulle kunna förbättra bränsleekonomin med 20 till 30 procent, vilket är en betydande prestation för en bensinmotor.

Innan du tar ett dyk i denna teknik är det värt att notera att kompressionständningsmotorn inte är ett nytt koncept. Formel 1-bilar använder kompressionständningsmotorer, och flera andra biltillverkare har försökt utveckla en kommersiellt genomförbar version för personbilar. Men Mazdas motor, kallad Skyactiv-X, kommer att vara den första massproducerade och kommersiellt tillgängliga motoren av denna typ. Tack vare Jay Chen, en drivkraftingenjör med Mazda, kunde han lära sig hur detta genombrott uppnåddes. Men först måste vi ta en titt på en motors grundläggande funktioner.

En motor fungerar genom att antända bränsle på två sätt: värme och kompression. Gnisttändningsmotorer finns i de flesta bensinbilar. I dessa typer av motorer tänds tändstiften för att antända bränsle i förbränningskammaren, medan bränsle- och luftblandningen också komprimeras. Detta är en mycket förenklad version av processen, naturligtvis, bara för att illustrera den största skillnaden mellan de två motortyperna. Gnisttändningsmotorer följer en cykel och kräver exakt tidsinställning för att fungera, men är generellt pålitliga under olika förhållanden [källa: Knight].

Motorer med kompressionständning fungerar mer som dieselmotorer. Dieslar är designade för mycket högre komprimering (vilket kräver tyngre komponenter och starkare konstruktion) och använder glödproppar som värmekälla snarare än tändstift. Glödproppar värmer upp kompressionskammaren, vilket i sin tur ökar kompressionen i kammaren. När bränslet läggs till i kammaren, sprutas det över glödpluggens spets, men processen förlitar sig på kompressionen mer än kontakten mellan bränslet och kontakten. Bristen på "gnista" hjälper dieselmotorer att uppnå högre EPA-betyg än bensinmotorer med annars liknande specifikationer [källa: Stewart].

Om vi ​​fokuserar på gas, undrar du kanske, vad är poängen med att förklara hur en dieselmotor fungerar? För att illustrera vikten av komprimering. Det bästa sättet att förbättra gasmotorn är att ta reda på hur man kan öka kompressionen, vilket gör det möjligt för motorn att använda sin bränsletillförsel mer effektivt.

En bensinmotor med kompressionständning kombinerar de bästa delarna av dessa processer. Motorn är programmerad att fånga luft (vanligtvis motoravgas) i motorcylindern genom att justera tidpunkten för avgas- och insugningsventilerna. Bränsleinsprutarna lägger till bränsle till detta instängda avgaser, och eftersom den instängda blandningen är under mycket hög komprimering kan den relativt lilla mängden bränsle tända.

Motorer med kompressionständning kan till och med delas upp i två olika typer [källa: Lindberg].

• Homogen laddningskompressionständning (HCCI): Denna motor blandar luft och bränsle och komprimerar sedan blandningen tills den antänds. Mazdas motor kommer att vara den första motorn av HCCI-typ som massproduceras.
• Bensin Direct Compression Ignition (GDCI): Denna motor sprutar bensinen till en blandning av luft och avgas som redan har komprimerats.

Den största skillnaden mellan dessa två motorer är punkten i processen där bränslet tillförs, uppnås genom justeringar av motorernas cykler och tidtagning. Annars fungerar motorerna på samma sätt; komprimering är den viktigaste faktorn.

SKYACTIV-G 2.0-litern har en 2,5-litersmotor och en 1,5-liters dieselmotor. Mazda

Motorer med kompressionständning har några fördelar och minst lika många nackdelar. Bland dess fördelar är:

• Den använder mindre bränsle än en gnisttändningsmotor
• Det använder bränslet mer effektivt (med andra ord förloras mindre kraft till själva antändningen och överskottsvärme)
• Eftersom mindre bränsle används förorenar bilen mindre

"Som en grov analogi liknar gnisttändning att starta en eld genom att tända bara en kant av tidningen tändning och låta lågan gradvis klättra över papperet," förklarar Mazda drivkraftsingenjör Jay Chen, via e-post. "[Kompressionständning] är mer som spontan förbränning där bränslet och luften har nått kritiskt tryck och temperatur, och hela laddningen ändrar fas samtidigt som frigörs all energi på en gång. Genom att släppa all energi nästan samtidigt, [ kompressionständning] kan ta ut mer kraft (eftersom det händer långt innan expansionsförhållandet används) från samma luftmängd medan du använder två till tre gånger mindre bränsle och vid mycket svalare förbränningstemperaturer, vilket ytterligare minskar bortkastad värmeenergi och utsläppsbildning ".

Låter bra, eller hur? Problemet är att dessa motorer är riktigt finare - om de var enkla att konstruera och använda, skulle vi köra dem nu. Även om du inte känner till dieselmotorer kanske du har hört att de kan vara besvärliga under suboptimala förhållanden. En del av detta beror på själva dieselbränslet, som har en tendens att "gel" i mycket kalla temperaturer. Vi har inte det problemet med bensin, som förblir flytande även under frysning. Men kompressionständning kan fortfarande påverkas av vädret och andra omgivningsförhållanden, liksom andra faktorer som kvaliteten på bränslet.

"Hittills existerade förbränningsmotorer med kompressionständning endast under stabila laboratorieförhållanden eller råa fordonsprototyper för grova för att kunna användas i produktionen," säger Chen.

Med andra ord, om trycket och temperaturen i cylindrarna inte upprätthålls noggrant, fungerar inte processen. För kalla temperaturer kan skada motorns känsliga komponenter. Om motorn blir för varm kan den börja slå - ett tillstånd som uppstår när bränsle-luftblandningen blir för varm och detonerar vid fel tid, vilket slösar bort bränsle och resulterar i en dålig motor. En gnisttändningsmotor kan också bli för kall eller för varm, men har en mycket högre felmarginal.

Att göra en motor med kompressionständning fungerar pålitligt beror på en exakt kombination av luft, bränsle och avgaser blandade i det perfekta förhållandet, vid den perfekta kompressionen, med precis rätt mängd värme som appliceras vid rätt tidpunkt. Som vi vet har ingen kunnat bygga en bil med en gasmotor med kompressionständning ännu, så denna process behövde förfinas ytterligare.

En bil som drivs med en gasmotor med kompressionständning kan vara minst lika effektiv som en elbil, och kanske ännu mer. Reimar Gaertner / UIG

Strax efter Mazdas tillkännagivande började experter inom bilindustrin att spekulera i om en massmarknadsmotor med kompressionständning kunde "spara" bensinmotorer. Det vill säga, när industrin rör sig mer mot hybrid- och elektroteknik, kan denna gasmotor vara tillräckligt effektiv för att vara en livskraftig utmanare?

Chen säger Mazda är motiverad av tron ​​att "genom att pressa ut varje effektivitet ur förbränningsmotorn (i samband med elektrifiering när förbränningsmotorn är perfekt), kan vi leverera en metod för att driva bilen långt in i detta århundrade som har potential att generera samma eller mindre koldioxidutsläpp som "väl till hjul" som rena batterielektriska fordon drivna från fossila bränslebaserade kraftverk av olika former. "

Med andra ord anser Mazda att med fortsatt innovation kan en bil som drivs med en bensinmotor vara minst lika effektiv som en elbil, och kanske ännu mer. Låt oss ta en titt på hur detta genombrott inom teknik för kompressionständning skiljer sig från de som kom före den.

2007 körde Motor Trend en Saturn Aura som drivs av en kompressionständningsmotor, som uppnådde en 15-procentig minskning av bränsleförbrukningen jämfört med en vanlig Aura [källa: Markus]. Vid den tiden förväntade GM sig att släppa ett fordon med en kompressionständningsmotor 2015, men Saturn-märket stängdes bara några år senare, och GM flyttade gradvis fokus till elektriska och plug-in hybridfordon som t.ex. Chevrolet Volt.

Ungefär samma tid arbetade Mercedes-Benz med ett kompressionständningssystem som heter DiesOtto, och Ford hade också ett projekt under utveckling [källa: Estrada]. Emellertid uppnådde ingen av dessa motorer grönt ljus för produktion, och Hyundais erfarenhet kan hjälpa till att förklara varför [källa: Markus].

Bortsett från Mazda har Hyundai förmodligen gjort mest framsteg, med ansträngningar som först kom fram runt 2013 [källa: Markus]. Företaget designade sin version av en kompressionständningsmotor utan tändstift eller glödproppar, med ett målsläppdatum 2023.

Trots lovande framsteg avslöjade Hyundai 2016 att motorkomponenterna bara inte var tillräckligt starka för att hantera den kompression som krävs för att processen ska fungera. Starkare motorkomponenter, nämligen blocket, vevet och lager, kan naturligtvis utformas; det är så dieselmotorer fungerar. Det är bara väldigt dyrt, och de starkare komponenterna lägger till vikt i bilen och minskar dess totala effektivitet. Hyundai hade planerat hela tiden att använda en turboladdare för att öka kraften och upprätthålla den nödvändiga kompressionen, men de upptäckte att de också skulle behöva en superladdare, vilket ytterligare bustade budgeten. Och slutligen var Hyundai inte nöjd med mängden föroreningar som produceras av dessa drivlinor. I slutändan var projektet mycket dyrare och inte så rent och effektivt som planerat [källa: Markus].

Mazdas utvecklingsinsatser har pågått nästan lika länge som konkurrenterna.

"Skyactiv-X var alltid i planerna redan innan den första generationen Skyactiv lanserades," förklarar Mazda-ingenjör Chen. "Det första steget i denna färdplan var Mazdas Skyactiv Technology [som introducerades] 2009. Den viktigaste förbättringen vid den tiden var tillämpningen av okonventionellt högt motorkompressionsförhållande för att öka den totala motoreffektiviteten samt drivkraftsprestanda. Detta uppnåddes genom en en synergistisk kombination av befintliga tekniker som används tillsammans för att uppnå det som (fram till dess) ansågs omöjligt för produktionsmotorer. "

I lekmannens termer: "Skyactiv" är termen för Mazdas strategi att öka kompressionen för att öka effektiviteten, och Mazda var tvungen att tippa lite för att få den kommande Skyactiv-X att fungera. Som ett resultat av den här tippningen, lägger Mazda till en tändstift i blandningen, så att motorn kan växla mellan kompression och gnisttändning beroende på vad som är den mest effektiva då. Det kan låta som om det strider mot grunderna i högkomprimeringsteknik, men Chen säger att det fungerar.

"Detta genombrott, som vi kallar gnistkontrollerad kompressionständning (SPCCI), utvidgade det användbara utbudet av kompressionständningsdrift och -kontroll kraftigt samt gav lösningen för en sömlös övergång mellan CI [kompressionständning] och SI [gnisttändning] förbränningslägen som används vid höga motorvarvtal (för Skyactiv-X), säger Chen.

Kortare sagt är tändstiftet den magiska ingrediensen som gör att motorn kan köra smidigt och justera för olika förhållanden, och den kommer bara att användas när det är absolut nödvändigt. Mazdas motor är utformad för att övervaka sig själv och justera sin funktion baserad på faktorer som aktuella miljöförhållanden, hur bilen körs och förarens preferenser och inställningar [källa: Estrada].

Efter att Mazda kom med denna idé, tog det ytterligare två år att utveckla motorn, under vilken tid ett annat viktigt beslut fattades. Fordon utrustade med Skyactiv-X-motorer kommer att ha superladdare för att öka specifikationerna för hästkrafter, vilket kommer att förbättra kördynamiken och hjälpa övertyga potentiella köpare att ta en chans på denna nya teknik [källa: Estrada].

Den sista stora frågan - när kan förarna räkna med att se den? En talesman för Mazda säger att företaget ännu inte kan lämna ut vilka fordon som kommer att vara de första utrustade med Skyactiv-X-motorn eller när de kommer att vara tillgängliga. Vi vet inte heller om fordon som drivs med motorer med kompressionständning kommer att kosta mer än jämförbara fordon med gnisttändningsmotorer. Det är dock säkert att spekulera att även om Mazda kommer att vara den första att marknadsföra med denna teknik, är andra tillverkare nästan säkra att följa.

Författarens anmärkning: Hur gaskomprimeringsantändningsmotorer fungerar

Till skillnad från många av mina kollegor är jag inte särskilt orolig för att "spara bensinmotorer", även om det förmodligen skulle hjälpa till med jobbsäkerhet. Jag kanske borde vara lite mer självisk om det, men jag bestämde mig för att skriva om kompressionständningsmotorn helt enkelt för att jag är fascinerad av alla innovationer som kan hjälpa till att göra en bil mer effektiv.

Av den anledningen - hållbarhet i allmänhet - Jag är angelägen om att provköra ett fordon med en kompressionständningsmotor så snart de är tillgängliga. Liksom hybrider och elektronik tror jag att det kommer att vara mycket samtal om huruvida dessa fordon är tillräckligt kraftfulla eller inte. Ärligt talat misstänker jag att den genomsnittliga personen inte kommer att kunna skilja skillnaden. Det finns många sätt att göra en bil intressant att köra bort från att helt enkelt göra den så kraftfull som möjligt, och det är ett område där Mazda utmärker sig.

relaterade artiklar

• Har bilar någonsin haft förbränningsmotorer?
• Diesel är inte alltid en sämre förorenare än bensin
• Hur en Atkinson Cycle Engine fungerar
• Hur mycket luftföroreningar kommer från bilar?

Fler bra länkar

• Hur ett bilantändningssystem fungerar
• Mazda kan ha tekniken för att rädda förbränningsmotorn
• Mazdas listiga nya motor gör mer mil från mindre bränsle
• Hur Tesla-turbinen fungerar

källor

• Brown, Jacob. Specialist, produktkommunikation, Mazda. Personlig korrespondens. 1 september 2017.
• Chen, Jay. Drivmotoringenjör, Mazda. Personlig korrespondens via Jacob Brown. 1 september 2017.
• Estrada, Zac. "Mazda kan ha tekniken för att rädda förbränningsmotorn." Gränsen. 8 augusti 2017. (30 aug. 2017) https://www.theverge.com/2017/8/8/16099536/mazda-compression-ignition-engine-technology
• Knight, Cheryl. "Hur ett bilantändningssystem fungerar." 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 och förare. 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." Motorisk trend. 19 november 2007. (30 aug. 2017) http://www.motortrend.com/news/technologue-41/
• Markus, Frank. "Vad hände med Hyundais HCCI-motor?" Motorisk trend. 14 december 2016. (30 aug. 2017) http://www.motortrend.com/news/whatever-happened-hyundais-hcci-engine/
• Mazda. "Mazda tillkännager långsiktig vision för teknologiutveckling," Hållbar zoom-zoom 2030. "" 8 augusti 2017. (20 augusti 2017) http://www2.mazda.com/sv/publicitet/release/2017 /201708/170808a.html
• Stewart, Jack. "Mazdas listiga nya motor gör mer mil från mindre bränsle." Trådbunden. 9 augusti 2017. (30 aug. 2017) https://www.wired.com/story/mazda-injection-compression-skyactivx-engine/
• Szymkowski, Sean. "Hur Mazdas SkyActiv-X-motor, baserat på HCCI, faktiskt fungerar (video)." Gröna bilrapporter. 21 augusti 2017. (30 aug. 2017) http://www.greencarreports.com/news/1112222_how-mazdas-skyactiv-x-engine-based-on-hcci-actually-works-video