Selbstzündungsmotoren sind ein großer Durchbruch – wir müssen es versuchen

Das sieht aus wie ein Mazda 3, ist aber eigentlich eine Million Dollar Prototyp der neuen Skyactiv-Chassis-Architektur des Unternehmens und seine neue Skyactiv-X Engine. Mazda

Mazda-Ingenieur Jay Chen erklärt, wie funkengesteuerte Komprimierung funktioniert Die Zündung funktioniert und warum es so ein Durchbruch ist. Jonathan Gitlin

Der Skyactiv-X-Motor. Jonathan Gitlin

Skyactiv-X aus einem anderen Blickwinkel. Jonathan Gitlin

Und noch eine zum Glück. Jonathan Gitlin

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Mazda sagt, es hat einen lang erwarteten Durchbruch im Motor gemacht technologyIRVINE, Calif. – Trotz gegenteiliger Gerüchte ist die Verbrennungsmotor ist noch lange nicht tot. Kürzlich haben wir gesehen mehrere technologische Fortschritte, die die Wirkungsgrad von Benzinmotoren. Eines davon zuerst Bereits im August 2017 berichtet, ist Mazdas Durchbruch mit Kompressionszündung. On Tuesday, Mazda invited us to its R&DEinrichtung in Kalifornien, um mehr über diese clevere neue zu erfahren Skyactiv-X-Motor, aber was noch wichtiger ist, wir müssen ihn fahren unterwegs.

Was ist denn das Besondere an diesem Motor?

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Die Idee hinter Skyactiv-X ist, den Motor damit laufen zu lassen so mager wie möglich ein Kraftstoff-Luft-Gemisch (bekannt als λ). Weil sehr Magere Verbrennung ist kühler als eine stöchiometrische Reaktion (mit λ = 1 und es gibt genau genug Luft, um jedes Molekül vollständig zu verbrennen Brennstoff, aber nicht mehr), weniger Energie wird als Wärme verschwendet. Was mehr ist, die Abgase enthalten weniger böse Stickoxide und die ungenutzten Luft wird zur Arbeit gebracht. Es nimmt die Verbrennungswärme auf und anschließend dehnt sich aus und drückt auf den Kolben. Das Ergebnis ist ein sauberer, effizienter und leistungsstärkerer Motor. Und Skyactiv-X verwendet a sehr magerer Mix: a λ bis zu 2,5.

Das klingt wie ein automobiler Gral, so könnte es sein Ich frage mich, warum es nicht jeder tut. Wie so oft ist die Die reale Welt ist nicht ganz so einfach. Das Problem mit sehr mager Luft / Kraftstoff-Gemische ist, dass ihre Verbrennung nicht besonders ist stabil; weil die Brennstoffmoleküle so viel weniger konzentriert sind, Es ist leicht, dass das Verbrennungsereignis ausfällt. Das Lösung ist also, die Dinge viel stärker zu komprimieren als normal. Und wenn Sie den Kraftstoff und die Luft ausreichend komprimieren, a wunderbare Sache passiert: es zündet ohne die Notwendigkeit für eine Funke.

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Der Weg in die Zukunft: Wie wir bis 2025 auf 54,5 mpg kommen homogene Ladungskompressionszündung oder HCCI, eine Idee, die Kyle Niemeyer hat uns bereits 2012 ausführlich behandelt. HCCI hat einige andere auch vorteile. Auf brennendem Kühler und mit weniger Schadstoffe, passiert das Verbrennungsereignis schneller, mit einem höheren Druckspitze, so dass Sie mehr Arbeit aus der gleichen Energie erhalten. Alle das klingt ziemlich wundervoll, also fragst du dich wahrscheinlich warum jeder Benzinmotor auf der Straße nicht nur HCCI verwendet.

Leider war es eine dieser Ideen, die im Internet funktioniert haben Labor, aber konnte nie ganz in eine Produktionsmaschine übersetzt werden. Das größte Problem war immer, wann genau zu kontrollieren der Motorzyklus Kompressionszündung aufgetreten, etwas, das Sie möglichst nahe am oberen Totpunkt sein.

HCCI, aber mit einer Zündkerze?

Mazdas Durchbruch war die Erkenntnis, dass die Zündkerze es könnte habe noch eine rolle. Das Skyactiv-X-Triebwerk wurde entwickelt, um zu haben ein sehr hohes Kompressionsverhältnis – 16: 1 in der Tat – und eine sehr schlanke zu verwenden Luft: Kraftstoff-Verhältnis, aber beide liegen knapp unter dem Schwellenwert für das Auftreten von HCCI erforderlich. Stattdessen nutzt Mazdas Motor einen Funken um lasst die Feier beginnen; Der resultierende Feuerball fügt dann mehr Wärme hinzu und Druck auf die Brennkammer, et voila! Kompression Zündung wurde ausgelöst. Mazda nennt das funkengesteuert Kompressionszündung oder SPCCI.

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Offensichtlich war dies nicht ohne Herausforderungen. Die Mischung aus Kraftstoff und Luft muss in der Nähe des Funkens etwas reicher sein, damit er sich entzündet als Sie möchten, dass es sich über den gesamten Rest des Zylinders erstreckt. Diese brauchen unterschiedliche Regionen sein, um zu vermeiden, dass λ auf 2 oder darunter abfällt (welche macht keine Selbstzündung durch). Das wird durch Verwirbeln erreicht die Luft im Zylinder und erzeugt einen Wirbeleffekt, wo Das ruhige Zentrum ist von einem ausreichend niedrigen λ umgeben, um sich durch Funken zu entzünden durch einen Bereich mit hohem λ, der dann einer Kompressionszündung unterzogen wird.

Mazdas nächste Herausforderung bestand darin, ein Vorzünden oder Klopfen zu verhindern. Höhere Kompressionsverhältnisse erhöhen das Klopfpotential Deshalb benötigen Motoren mit höherem Verdichtungsverhältnis in der Regel auch mehr teurer Kraftstoff mit höherer Oktanzahl, der stoßfest ist. Jetzt, technisch gesehen ist kompressionszündung klopfen, aber wenn es vorher auftritt Sie wollen, dass es – am oberen Totpunkt – schlimme Dinge passieren können, weil a Das Verbrennungsereignis übt einen Druck nach unten auf den Kolben aus auf einem Kompressionshub nach oben bewegen.

Die Lösung bestand darin, weniger Zeit zum Erhitzen des Kraftstoff-Luft-Gemisches zu verwenden. Zuerst wird ein wenig Kraftstoff eingespritzt, dann der größte Teil der Kraftstoff wird so spät wie möglich in den Zylinder eingeführt während des Kompressionshubs. Dies geschieht mit mehreren Öffnungen Injektoren zur Erhöhung der Zerstäubung und Vermischung von Kraftstoff und Luft.

Wenn das alles nicht genug ist, gibt es das zusätzliche Problem des Haltens Spur der Selbstzündung. In der Vergangenheit war dies einer von die schwierigsten Probleme für HCCI-Motoren zu lösen. Idealerweise möchten Sie Die Verbrennung muss jeweils zum gleichen Zeitpunkt im Motorzyklus erfolgen Zeit – etwa vier Grad nach dem oberen Totpunkt. Aber als Ambient Die Bedingungen ändern sich – ein kalter Tag in Denver gegen einen heißen in Houston – die Zeit, die der Feuerball benötigt, um ausreichend zu erreichen Druck ändert sich auch. Der Motor sollte also wechseln können Zündzeitpunkt, um den Spitzendruck an der richtigen Stelle zu halten.

Skyactiv-X überwacht dazu aktiv den Druck in jedem Zylinder, so dass er die Druckanstiegsspur jeder Verbrennung kennt Veranstaltung. Wenn es abweicht, wird der Zündzeitpunkt angepasst, um dies zu kompensieren. Jay Chen, einer von Mazdas Antriebsstrangingenieuren, erklärte dies war etwas, woran die Firma schon eine Weile gedacht hatte, aber es war Möglich wurde erst kürzlich diese Motorsteuerung Prozessoren sind schnell genug, um die Dinge Ereignis für Ereignis zu steuern.

Skyactiv-X unterscheidet sich durch einige andere Funktionen Die aktuelle Skyactiv-G-Motorenfamilie von Mazda. Es hat einen höheren Druck Kraftstoffsystem mit Direkteinspritzung zur Förderung der laufenden Zerstäubung irgendwo zwischen einem aktuellen Benzin-Direkteinspritzsystem und einem Diesel DI-System, obwohl ich keinen bestimmten Kraftstoff bekommen konnte Druckfigur. Es gibt Zylinderdrucksensoren, die sind notwendig, um das digitale Gehirn des Motors mit den Daten zu versorgen, die es benötigt Steuerzeitpunkt. Es gibt einen Roots-Kompressor mit niedrigem Ladedruck von Arten – Mazda nennt dies eine Luftversorgung mit hoher Resonanz, da dies nicht seine Aufgabe ist Leistung hinzuzufügen, und es trägt wirklich nur unter hohen Belastungen. Es gibt auch einen Luft-Wasser-Ladeluftkühler, ein Abgas Umwälzkühler (AGR), der eine vorzeitige Verbrennung verhindert, Elektrische Stellantriebe mit variabler Ventilsteuerung (die Schrittmotoren verwenden) für eine schnellere Ventilsteuerung und schließlich einen 48-V-Mild-Hybrid-Start-Stopp System.

Listing Bild von Jonathan Gitlin

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