ДВС еще не все сказал

А вы знаете, каким будет автомобильный мир лет через пять? Думаете, люди по всему миру пересядут на электромобили, а топливные АЗС станут архаизмом? Как бы не так! Эксперты автомобильной индустрии считают, что к 2020 году 90% новых (не говоря уже о парке старых машин) автомобилей по-прежнему будут комплектоваться ДВС. Несомненно, все эти машины будут оснащены системами Start-Stop, системой рекуперации энергии и конечно гибридными силовыми агрегатами. В сущности, в ближайшее время мало что изменится. Но что-то изменить нужно и можно!

Компания Mazda собрала журналистов в своем научно-исследовательском центре, расположенном в Германии, под Франкфуртом-на-Майне. Здесь инженеры, занимающиеся разработкой силовых агрегатов, поведали нам о планах компании на будущее. Основной мотив звучит так: КПД современных бензиновых моторов находится на уровне 30%, а их максимально возможный теоретический КПД составляет 48%. За эту прибавку в 18% и намерены бороться японские и немецкие инженеры.

За последние 15 лет экономичность автомобилей улучшилась на 30%. Сегодня автопроизводители прибегают к самым различным мерам по уменьшению расхода. Наиболее популярный – «даунсайзинг», то есть уменьшение рабочего объема двигателя. Однако уменьшая рабочий объем, нельзя получить большей отдачи. Поэтому такие моторы не обходятся без турбонаддува, позволяющего достичь необходимой мощности и крутящего момента. Mazda же видит развитие двигателей в направлении «райтсайзинга» – от англ. Rightsizing – «правильный объем».

Сразу скажу, что во главу угла компания Mazda ставит экономичность и экологичность. Все-таки, практически по всему миру перед автопроизводителями не перестают устанавливать «зеленые» рамки и барьеры, а цены на топливо будут только расти. Конечно, о мощности и удовольствии от вождения они тоже не забыли.

Двигатели Skyactiv-G сегодня

Все бензиновые моторы семейства Skyactiv-G построены по единой схеме. Никаких хитростей, все просто и взаимосвязано. Прежде всего, эти моторы значительно облегчены. Например, по сравнению с традиционными атмосферными моторами Mazda MZR поршни и поршневые пальцы облегчены на 20%, шатуны стали легче на 15%, а сам мотор сбавил 10% общей массы. Значительно снизилось внутреннее трение в двигателе: в целом на 30% и в частности на 50% в клапанном механизме.

Реклама

У моторов Skyactiv-G фазовращатели на обоих распредвалах

При частичных нагрузках моторы Skyactiv-G работают по циклу Миллера с реальной степенью сжатия как у обычных моторов. При открытом дросселе моторы работают по циклу Отто со степенью сжатия 14:1. Давление конца такта сжатия (компрессия) меняется соответствующим образом

Моторы Skyactiv-G имеют степень сжатия 14:1. Единственное исключение из правил – мотор объемом 2.5 л, имеющий степень сжатия 13:1. Причем моторы Mazda работают на обычном 95-м бензине (даже белорусского производства) без детонации. К каким же хитростям прибегли разработчики?

Прежде всего нужно учесть, что газораспределительный механизм моторов Skyactiv-G по-разному работает на при малых-средних нагрузках и при больших.

При небольших нагрузках (условно говоря, пока дроссель не открыт полностью) двигатели работают по циклу Миллера, используя подход «укороченного сжатия» (согласно другим теориям, этот подход соответствует циклу Аткинсона или комбинированному циклу Отто-Аткинсона). Это значит, что на такте сжатия впускной клапан открыт некоторое время и поршень выталкивает во впускной коллектор часть воздуха из цилиндра. Таким образом, реальная степень сжатия в моторах Skyactiv-G при частичных нагрузках такая же, как в любом другом бензиновом моторе. Однако благодаря циклу Миллера снижаются насосные потери: во впускном коллекторе поддерживается повышенное давление, следовательно, на такте впуска воздух охотнее проникает в цилиндры. Кроме того, двигатель, работающий по циклу Миллера, обладает лучшей тепловой эффективностью: рабочий ход у него длиннее относительно такта сжатия. Поэтому поршень толкает вниз не только энергия детонации рабочей смеси, но еще и тепловое расширение газов.

Стандартный коллектор 4-1. Волна высокого давления отработавших газов, возникающая сразу после открытия выпускных клапанов третьего цилиндра, достигает первого цилиндра, в котором закачивается такт выпуска и начинается впуск. Это явление ухудшает продувку цилиндров

Коллектор 4-2-1 эффективно разделяет потоки газов: благодаря большей длине они не достигают других цилиндров, охлаждаются, что снижается давление в выпускном коллекторе. Кстати, раздельным коллектором оснащены и новые турбированные моторы BMW

А вот когда дроссель открыт полностью, моторам Skyactiv-G больше не нужно компенсировать насосные потери – их нет. Работа по циклу Миллера прекращается, теперь реальная степень сжатия теперь соответствует геометрической (14:1). Такая степень сжатия есть только у одного мотора – у 605-сильного агрегата Ferrari 458 Speciale, но он работает только на 98-м бензине. А двигатели Mazda довольствуются обычным 95-ым и не страдают детонацией. Ее удалось избежать благодаря снижению температуры газов в цилиндре на такте сжатия. Побочным фактором, повышающим температуру в цилиндре, является небольшая доля раскаленных сгоревших газов, которые остаются в цилиндре и разогревают впускаемый воздух. Для решения этой проблемы применен выпускной коллектор «4-2-1» увеличенной до 600 мм длины. Двухканальная конструкция коллектора разделяет и снижает противотоки газов из одного цилиндра в другой. А благодаря своей длине этот коллектор охлаждает попадающие в него выхлопные газы, что также снижает их давление. В результате цилиндры лучше продуваются, снижается доля (примерно с 8 до 4%) остаточных раскаленных газов и в целом понижается температура воздуха перед впрыском топлива. Впрыск топлива в цилиндры происходит как можно позже, многоструйные форсунки распределяют его по более широкой области: смесь однороднее и минимально подвержена детонации.

Технологии Skyactiv-G завтра

Реклама

Компания Mazda работает над вторым поколением моторов Skyactiv-G. Эти моторы будут работать с еще большей степенью сжатия – до 18:1, как у дизелей. Потому смесь в них будет воспламеняться от сжатия. Для защиты от детонации и достижения нового уровня КПД топливно-воздушная смесь будет вдвое беднее обычной. Этот цикл работы называется HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) – однородное воспламенение от сжатия. Есть у него и другое название – «Диз-Отто», нетрудно догадаться почему. Кстати, для работы при высокой нагрузке такой мотор будет нуждаться в искровом зажигании, поэтому соответствующая система и свечи в его конструкции присутствуют. Перспективные моторы Mazda уже проходят испытания, но разработчики говорят, что для создания массового продукта нужно внедрение новых технологий.

Тобиас Альберт, старший инженер по испытаниям ДВС научно-исследовательского центра Mazda — Тобиас, по какой причине Mazda отказалась от турбомоторов? — Мы считаем технологию повышения КПД двигателей через увеличение степени сжатия более эффективной и перспективной. Сегодня наши моторы успешно борются с факторами, снижающими их КПД. Технология турбированных моторов призвана повышать мощность, отдачу, но не КПД. — А что, если кто-нибудь из конкурентов решит пойти вашим путем? — Им придется разработать мотор с нуля и… обойти наши патенты. Или заплатить за них. Одни наши поршни с полостью по центру чего стоят. Реклама — Увеличилась ли нагрузка на детали мотора из-за более высокой степени сжатия? — Совсем нет. Мы даже облегчили детали кривошипно-шатунного механизма и ради снижения трения в цилиндрах уменьшили прилегания поршневых колец к зеркалу. Т.к. при высокой степени сжатия наш мотор работает лишь на высочайших скоростях, это никак не сказывается на компрессии в цилиндрах. — Есть ли какие-то исключения из технологии Skyactiv-G, связанные с рынками сбыта или автомобилями? — У моторов объемом 1,5 и 2,0 литра степень сжатия 14:1, а у двигателя 2,5 л – 13:1. Это связано с тем, что он популярен в США, а там качество бензина оставляет желать лучшего. А у первого 1,3-литрового мотора Skyactiv-G, установленного на Mazda 2, не было нашего особого выпускного коллектора. Он просто не поместился в не предназначенный для него моторный отсек.

Реклама

Размышления насчет «даунсайзинга»

Ни для кого не секрет, что автопроизводители сегодня столь же зависимы от различных норм и стандартов индустрии, сколько от мнений и предпочтений своих клиентов. В Европе для определения расхода топлива используется методика NEDC (Новый европейский цикл движения). Однако эта методика далека от реальности. Она совершенно не моделирует нормальный ритм движения автомобиля в городской среде. Например, при определении расхода топлива по методике NEDC автомобиль «движется» по стенду на скорости до 50 км/ч, причем на разгон до этой скорости дается ровно 26 секунд! Из них 5 с на 1-й, 9 с на 2-й и 3 с на 3-ей передаче плюс по две секунды на две смены передач. Отражает ли этот цикл реальность, в которой светофоры и стрелки горят всего по 10 секунд? Нет! К слову, NEDC основан на правиле ЕСЕ R15, которое применяли с 1970-х, когда моторы были слабее, а дороги свободнее.

Поэтому заявленные в буклетах цифры расхода топлива ниже реальных на 10-25%. Зато зная «правила игры в NEDC» автопроизводители могут свободно настраивать свои моторы для демонстрации ими наилучших показателей. И малокубатурные турбомоторы (в паре с АКПП с 7-, 8- и 9-ю передачами) подходят для этого как нельзя лучше. Турбины едва-едва раскручиваются за те 26 секунд, которые отводятся на разгон до 50 км/ч.

Тесты автомобилей на предмет реального потребления топлива показывают, что заявленные цифры занижены. Однако технология бензиновых моторов Mazda Skyactive-G обеспечивает наилучшую экономичность

Нескучная «полторашка» 

Мне доводилось ездить на других моторах семейства Skyactiv-G, а полуторалитровый агрегат попался впервые. Этот двигатель можно найти под капотом Mazda 3. Хотя на бумаге его характеристики не поражают воображение: 120 л.с. при 6000 об/мин и 150 Нм при 4000 об/мин, на практике этот силовой агрегат производит хорошее впечатление. Тяги достаточно с самых низов: хэтчбек трогается и ускоряется уверенно, набирает скорость плавно. Причем тяга очень равномерная с совсем небольшим подхватом на верхах. Ради получения быстрого разгона мотор не приходится раскручивать до высоких оборотов. Правда, для обгонов на шоссе без переключений вниз на две передачи не обойтись. В целом же, мотор Skyactiv-G объемом 1,5-литрва – добротный и тяговитый атмосферник, которого будет достаточно большинству водителей. Про реальный расход топлива ничего не скажу, но бортовой компьютер выдал цифру в 7,2 л после очень активной езды по проселочным дорогам.

Реклама

Позади 1,5-литрового мотора хорошо виден длинный двухканальный выхлопной коллектор

Фирменная гибридная «тройка» продается в Японии (под названием Axela). В перспективе Mazda не рассматривает внедрение гибридных силовых установок на всех рынках: их реальная эффективность сомнительна, да и прогресса на поприще ходовых аккумуляторов пока не предвидится. В планы Mazda входит расширение применения суперконденсатора, способного заряжаться за несколько секунд. Возможно, в будущем пакет суперконденсаторов сможет питать тяговый электромотор новой гибридной Mazda. А пока этот элемент запасания электроэнергии применяется в фирменной системе рекуперации i-Eloop.