Zapłon iskrowy i samoczynny w jednym silniku, czyli... zaprzeczanie teorii

Jednostka benzynowa proces spalania rozpoczyna od przeskoku iskry, inicjującej zapalenie mieszanki paliwowej. W silniku Diesla, proces spalania jest inicjowany wtryśnięciem paliwa do, sprężonego nad tłokiem, gorącego powietrza. Są to zatem dwa różne procesy. A jednak udało się je połączyć...

Jeszcze niedawno wydawało się to niemożliwe. Przecież w obu silnikach jest różny stopień sprężania, czyli różne ciśnienie nad tłokiem. Dodatkowo silnik diesla i benzynowy pracują zasilane różnymi paliwami. Nic więc dziwnego, że na pytanie czy jest możliwa zamienna inicjacja procesu spalania, każdy odpowiedziałby NIE!!!

Zobacz wideo Mazda CX30 - sprawdzamy jak wypada nowy japoński crossover

Mercedes F 700 – pierwsze zaskoczenie...

Proszę zatem wyobrazić sobie szok, gdy podczas Targów Samochodowych we Frankfurcie jesienią 2007, zaprezentowano model który przewracał dotychczasową wiedzę. Modelem tym był F 700 - pojazd koncepcyjny marki Mercedes-Benz. Pomimo swoich rozmiarów i masy (długość 5180 mm, szerokość 1940 mm, masa własna 1700 kg), pojazd spalał na dystansie 100 kilometrów zaledwie 5,3 litra. Dodatkowo, F 700 przyspieszał od 0 do 100 km/h w 7,6 sekundy, a maksymalna prędkość została ograniczona do 200 km/h.

Za te osiągi odpowiadał przede wszystkim nowo opracowany silnik Diesotto. Ten czterocylindrowy silnik o pojemności 1,8 litra, mocy 238 KM i momencie obrotowym około 400 Nm, posiadał bezpośredni wtrysk, dwie turbosprężarki i... zmienną kompresję.

To właśnie spalanie było najważniejszą częścią nowej technologii DiesOtto. Już sama nazwa wskazuje, że połączono systemy opracowane przez Rudolfa Diesla i Nikolausa Otto.

Wysoce wydajny proces spalania podobny był do tego w silniku Diesla, gdyż mieszanka paliwowo-powietrzna zapala się sama. F 700 uruchamiał się jak konwencjonalny silnik benzynowy ze świecą zapłonową. W czasie niskich i średnich prędkości obrotowych, gdy nie potrzeba pokonywać dużych oporów jazdy, silnik pracował jak model samoczynny. Przy dużych obciążeniach, znowu jechał zaś jak klasyczna wersja benzynowa.

Wszystko to było jednak tylko w informacjach przekazanych przez inżynierów Mercedesa. Na pytanie o dokładniejsze dane usłyszałem „tajemnica produktowa".

Przyjąłem to jako ciekawostkę technologiczną i nie zawracałem sobie nią głowy. Tak było do roku 2016.

Mazda 3 Skyactiv-XMazda Skyactiv-X. Nasze wrażenia po ponad 700 km z benzyną, która działa jak diesel

Wtedy to zaprezentowano silnik INFINITI VC-Turbo (Variable Compression Turbo)

To pierwszy na świecie seryjny silnik o zmiennym stopniu sprężania, którego technologia VC-Turbo pozwoliła połączyć moc wyczynowego silnika benzynowego 2.0 turbo z momentem obrotowym i ekonomiką nowoczesnego silnika wysokoprężnego. Dodatkowo, wszystko odbywa się bez emisji spalin, jakie znamy z wersji Diesel.

Komentując przełomowy debiut, Roland Krueger, Prezydent INFINITI Motor Company powiedział wówczas: „Pionierska technologia silnikowa VC-Turbo to wielki skok naprzód w dziedzinie konstrukcji silników. Inżynierowie motoryzacyjni uważają, że prawdziwym przełomem w technologii spalania wewnętrznego będzie opanowanie zmiennego stopnia sprężania. Infiniti jako pierwsze wprowadzi tę technologię na rynek masowy już w 2018 r."

Jak to działa?

Technologia VC-Turbo Infiniti ma zdolność do ciągłego transformowania, wykorzystuje bowiem zaawansowany układ wielodźwigniowy, by bezstopniowo zwiększać lub zmniejszać wielkość komory spalania. Tym samym natychmiast – w oparciu o wykrywane obciążenie silnika i polecenia kierowcy – wybiera najbardziej odpowiedni stopień sprężania. Silnik jest w stanie zrealizować każdy stopień sprężania w zakresie od 8:1 aż po 14:1.

Silnik VC- Turbo, rozwijający maksymalną moc na poziomie 272 KM oraz moment obrotowy 390 Nm, jest porównywalny pod względem osiągów z benzynowymi silnikami sześciocylindrowymi. Jest jednak zdecydowanie od nich oszczędniejszy.

Czterocylindrowy silnik VC-Turbo pracuje o wiele ciszej i ma o wiele mniejsze wibracje niż konwencjonalne silniki spalania wewnętrznego (szczególnie diesle). Jest też lżejszy i ma bardziej zwartą budowę niż silniki V6 o porównywalnych parametrach mocy.

Technologia Infiniti VC-Turbo to ogromny krok naprzód w dziedzinie konstruowania silników spalania wewnętrznego, porównywalny z innymi największymi innowacjami, takimi jak chłodzenie cieczą, wtrysk paliwa, katalizator czy turbodoładowanie.

Ponieważ naprawdę trudno jest zrozumieć jak można zmienić stopień sprężania w seryjnym silniku, prezentujemy film producenta.

Widać w nim wyraźnie, że w silniku stopa korbowodu nie jest połączona bezpośrednio z walem korowym, ale z dodatkowym eliptycznym elementem który jest na wale. W silniku jest też dodatkowy sztywny wał, który także jest połączony z tym eliptycznym elementem na wale korbowym. To właśnie ruch tego sztywnego wału, powoduje, że element na wale korbowym jest nieco obracany. W efekcie nadal kręci się on zgodnie z ruchem wymuszanym przez wał, ale korbowód jest niżej/wyżej. W efekcie mamy inny stopień sprężania.

Równocześnie w tym samym czasie zmienia się także system wtrysku paliwa.

Rozwiązanie jest fascynujące, ale ogromnie skomplikowane. Zostało ono jednak fantastycznie przyjęte w świecie motoryzacji. Niestety w Polsce, jak i w całej Europie, silnik nie jest znany, gdyż... Infiniti wycofało się z naszego kontynentu. Powodem były rygory emisji spalin. Wprawdzie ten silnik zapewne przeszedłby weryfikację UE, ale inne wersje silnikowe wymagałyby zmian konstrukcyjnych. Europa nie była zaś dla firmy takim rynkiem, aby inwestować miliony dolarów w modernizację. Zamiast inwestować i oczekiwać na zwrot inwestycji, firma Infiniti zrezygnował z Europy i... nie musi oczekiwać na zwrot inwestycji.

 

A tu film bardziej poglądowy:

 

Silnik Mazdy Skyactiv-X – można prościej… jak ma się dobrą bazę

Istotą działania silnika Mazdy jest użycie bardzo ubogiej mieszanki powietrzno-paliwowej. Jest ona 2-3 razy uboższa od mieszanek stosowanych do napędu współczesnych silników konwencjonalnych. Mieszanka ta zawiera tak mało benzyny rozpylonej w powietrzu, że normalny silnik nie jest w stanie zapalić jej iskrą świecy zapłonowej.

Wszystko zaczęło się stąd, że Mazda w ramach swojego dążenia do obniżenia zużycia paliwa, już obecnie stosuje niespotykanie wysokie stopnie sprężania w – produkowanych już dzisiaj – silnikach benzynowych serii Skyactiv.

Z użycia tych rozwiązań narodził się pomysł, by stopień sprężania podwyższyć jeszcze bardziej, a mieszankę zapalać po prostu metodą jej bardzo wysokiego sprężenia – podobnie, jak jest to przyjęte w nowoczesnych silnikach Diesla.

Prototypowa Mazda3 z silnikiem Skyactive-X z samoczynnym zapłonemSilnik benzynowy Mazdy z samoczynnym zapłonem. Wrażenia z jazdy

Zamiana pracy zapłon iskrowy i samoczynny

Problem płynnego i niezawodnego przejścia pomiędzy spalaniem z zapłonem wysokoprężnym, a spalaniem z zapłonem iskrowym, Mazda rozwiązała dzięki opracowaniu unikalnej technologii SPCCI (Spark Controlled Compression Ignition, czyli zapłonu samoczynnego sterowanego świecą zapłonową).

Technika ta umożliwia gładkie przełączanie silnika pomiędzy trybem pracy z konwencjonalnym zapłonem iskrowym, a trybem z zapłonem samoczynnym pod wpływem wysokiego sprężania. Osiąga to, wykorzystując do obu trybów świecę zapłonową, pracującą na różne sposoby.

W Maździe świeca działa zawsze

Działanie świecy w trybie zapłonu samoczynnego, można w skrócie wyjaśnić następująco: proces wtrysku podzielony jest na dwie fazy. Dzięki temu w chwili przejścia na tryb zapłonu samoczynnego w komorach spalania tworzą się dwie strefy mieszanki powietrzno-paliwowej.

W pierwszej kolejności podczas suwu ssania seria wtryśnięć wypełnia komorę spalania ubogą mieszanką paliwa i powietrza (ubogą, czyli o bardzo dużej proporcji powietrza w stosunku do benzyny). W drugiej kolejności w precyzyjnie wytyczonej strefie w bezpośrednim otoczeniu świecy następuje wtrysk bogatszej mieszanki. Można ją porównać do wisienki na torcie – oczywiście przyjmując, że tortem jest mieszanka uboga, a owocem – bogatsza.

Ze względu na zastosowany w silnikach benzynowych Skyactiv bardzo wysoki stopień sprężania 16,3:1, ten pierwszy ładunek i tak oscyluje na krawędzi zapłonu samoczynnego. Aby zapalić mieszankę dokładnie we właściwej chwili, do strefy wokół świecy wtryskuje się małą ilość zatomizowanego paliwa, które tworzy jakby wzbogacony trzon. Gdy świeca daje iskrę, wywołuje zapłon w tej lokalnej strefie bogatszej mieszanki, czego efektem jest dalszy wzrost ciśnienia w komorze spalania – do punktu zapłonu uboższej mieszanki.

Technika SPCCI funkcjonuje tylko w warunkach częściowego obciążenia silnika. Zatem tylko podczas jazdy spokojnej i równomiernej, gdy użycie ubogiej mieszanki (czyli znacznie większych ilości powietrza w stosunku do paliwa niż w konwencjonalnych silnikach benzynowych), pozwala obniżyć zużycie paliwa. Natomiast gdy kierowca potrzebuje więcej mocy, silnik płymmie przechodzi w tryb normalnej pracy, w której zapaleniu ulega mieszanka stechiometryczna o proporcji powietrza do paliwa 14,7:1. Jednak spalanie konwencjonalne wykorzystywane jest tylko w chwilach znacznego obciążenia silnika oraz rozruchów w bardzo niskich temperaturach.

Efektem tego jest zużycie paliwa niższe o 20% niż w silnikach Skyactiv-G, a ponadto moment obrotowy wyższy o 10-30%, zależnie od chwilowej prędkości obrotowej silnika. Poprawa jest szczególnie wyraźna wtedy, gdy silnik pracuje przy niskich obciążeniach, ale ogólnie technika Skyactiv-X umożliwia uzyskanie znacznych oszczędności paliwa oraz obniżenia emisji

Aktualnie silnik benzynowy 2.0 Skyactiv-X jest dostępny z sześciobiegową manualną skrzynią biegów Skyactiv-MT lub sześciobiegową automatyczną skrzynią biegów Skyactiv-Drive. Można go kupić w modelach Mazda 3 i Mazda CX 30.

Tak więc określenie silnik z zapłonem samoczynnym nie oznacza już dokładnie określenia jednostki Diesel.

 
Więcej o: