محرك Mazda SkyActiv G - بنزين و SkyActiv D - ديزل
تهدف شركات صناعة السيارات إلى تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون2 بشكل مختلف. في بعض الأحيان ، على سبيل المثال ، تكون الحلول الوسط هي التي تحول متعة القيادة إلى الخطوط الجانبية. ومع ذلك ، قررت Mazda السير في اتجاه مختلف وخفض الانبعاثات من خلال حل جديد متعدد الإمكانات لا يسلب متعة القيادة. بالإضافة إلى التصميم الجديد لمحركات البنزين والديزل ، يشتمل الحل أيضًا على هيكل وجسم وعلبة تروس جديدة. يسير تقليل وزن السيارة بالكامل جنبًا إلى جنب مع التكنولوجيا الجديدة.
تظهر الدراسات الحديثة أن محركات الاحتراق التقليدية ستستمر في الهيمنة على عالم السيارات على مدار الخمسة عشر عامًا القادمة ، لذا فإن الأمر يستحق مواصلة بذل الكثير من الجهد في تطويرها. كما تعلم ، لا يتم تحويل معظم الطاقة الكيميائية الموجودة في الوقود إلى عمل ميكانيكي أثناء الاحتراق ، ولكنها تتبخر حرفيًا على شكل حرارة مهدرة من خلال أنابيب العادم ، والمبرد ، وما إلى ذلك ، كما أنها تفسر الخسائر الناجمة عن احتكاك الأجزاء الميكانيكية للمحرك. في تطوير الجيل الجديد من محركات البنزين والديزل SkyActiv ، ركز المهندسون من هيروشيما ، اليابان ، على ستة عوامل رئيسية تؤثر على الاستهلاك الناتج والانبعاثات:
- نسبة الضغط،
- نسبة الوقود إلى الهواء ،
- مدة مرحلة احتراق الخليط ،
- وقت مرحلة احتراق الخليط ،
- خسائر الضخ ،
- احتكاك الأجزاء الميكانيكية للمحرك.
في حالة محركات البنزين والديزل ، أثبتت نسبة الضغط وتقليل فقد الاحتكاك أنها أهم العوامل في تقليل الانبعاثات واستهلاك الوقود.
محرك SkyActiv D.
تم تجهيز المحرك الذي تبلغ مساحته 2191،14,0 سم مكعب بنظام حقن عالي الضغط مع حاقنات كهرضغطية. تتميز بنسبة ضغط منخفضة بشكل غير عادي تبلغ 1: 16 فقط للديزل. يتم إعادة الشحن بواسطة زوج من الشاحن التوربيني بأحجام مختلفة ، مما له تأثير إيجابي على تقليل التأخير في استجابة المحرك للضغط على دواسة الوقود. يشتمل قطار الصمام على حركة متغيرة للصمام ، والتي ترتفع درجة حرارتها بشكل أسرع عندما يكون المحرك باردًا ، حيث تعود بعض غازات العادم إلى الأسطوانات. نظرًا لبدء التشغيل البارد الموثوق به والاحتراق المستقر أثناء مرحلة الإحماء ، تتطلب محركات الديزل التقليدية نسبة ضغط عالية ، والتي تتراوح عادةً بين 1: 18 إلى 1: 14,0. معدل الضغط المنخفض 1: 2 بالنسبة إلى SkyActiv -محرك D يسمح بتحسين وقت عملية الاحتراق. مع انخفاض نسبة الضغط ، تنخفض درجة حرارة الأسطوانة وضغطها أيضًا في أعلى مركز ميت. في هذه الحالة ، يحترق الخليط لفترة أطول حتى إذا تم حقن الوقود في الأسطوانة قبل الوصول إلى أعلى مركز ميت. نتيجة للاحتراق المطول ، لا تتشكل المناطق التي تعاني من نقص الأكسجين في الخليط القابل للاحتراق ، وتظل درجة الحرارة موحدة ، بحيث يتم استبعاد تكوين أكاسيد النيتروجين والسخام بشكل كبير. مع حقن الوقود والاحتراق بالقرب من أعلى مركز ميت ، يكون المحرك أكثر كفاءة. وهذا يعني استخدامًا أكثر كفاءة للطاقة الكيميائية الموجودة في الوقود بالإضافة إلى المزيد من العمل الميكانيكي لكل وحدة من الوقود مقارنةً بمحرك ديزل بنسبة ضغط عالية. والنتيجة هي تقليل استهلاك الديزل وانبعاثات ثاني أكسيد الكربون المنطقية بأكثر من 20٪ مقارنة بمحرك 2,2 MZR-CD يعمل بنسبة انضغاط 16: 1. كربون. وبالتالي ، حتى بدون نظام إزالة أكاسيد النيتروجين الإضافي ، يفي المحرك بمعيار الانبعاث Euro 6 المقرر أن يدخل حيز التنفيذ في عام 2015. وبالتالي ، فإن المحرك لا يحتاج إلى تقليل تحفيزي انتقائي أو محفز يزيل أكاسيد النيتروجين.
بسبب الضغط المنخفض ، لا يمكن للمحرك توليد درجة حرارة عالية بما يكفي لإشعال الخليط أثناء التشغيل البارد ، مما قد يؤدي إلى مشاكل كبيرة في بدء التشغيل وتشغيل المحرك بشكل متقطع ، خاصة في فصل الشتاء. لهذا السبب ، تم تجهيز SkyActiv-D بشمعات توهج من السيراميك وصمام عادم VVL متغير الشوط. يسمح ذلك بإعادة تدوير غازات العادم الساخنة داخليًا في غرفة الاحتراق. يتم الإشعال الأول بمساعدة قابس توهج ، وهو ما يكفي لغازات العادم للوصول إلى درجة الحرارة المطلوبة. بعد بدء تشغيل المحرك ، لن يغلق صمام العادم مثل محرك السحب العادي. بدلاً من ذلك ، يظل مفتوحًا وتعود غازات العادم الساخنة إلى غرفة الاحتراق. هذا يرفع درجة الحرارة فيه وبالتالي يسهل الاشتعال اللاحق للخليط. وبالتالي ، فإن المحرك يعمل بسلاسة ودون انقطاع منذ اللحظة الأولى.
مقارنة بمحرك الديزل 2,2 MZR-CD ، تم تقليل الاحتكاك الداخلي أيضًا بنسبة 25٪. وينعكس هذا ليس فقط في المزيد من الانخفاض في الخسائر الإجمالية ، ولكن أيضًا في الاستجابة الأسرع والأداء المحسن. ومن المزايا الأخرى لنسبة الضغط المنخفضة انخفاض ضغط الأسطوانة الأقصى وبالتالي تقليل الضغط على مكونات المحرك الفردية. لهذا السبب ، ليست هناك حاجة لمثل هذا التصميم القوي للمحرك ، مما يؤدي إلى توفير المزيد من الوزن. يحتوي رأس الأسطوانة مع المشعب المتكامل على جدران أرق ويزن ثلاثة كيلوغرامات أقل من ذي قبل. كتلة الأسطوانة المصنوعة من الألومنيوم أخف وزنًا بمقدار 25 كجم. تم تقليل وزن المكابس والعمود المرفقي بنسبة 25 بالمائة أخرى. نتيجة لذلك ، فإن الوزن الإجمالي لمحرك SkyActiv-D أقل بنسبة 20٪ من وزن محرك 2,2 MZR-CD المستخدم حتى الآن.
يستخدم محرك SkyActiv-D الشحن الفائق على مرحلتين. هذا يعني أنها مزودة بشاحن توربيني صغير وآخر كبير ، يعمل كل منهما بنطاق سرعة مختلف. يتم استخدام الأصغر في الدورات المنخفضة والمتوسطة. بسبب القصور الذاتي المنخفض للأجزاء الدوارة ، فإنه يحسن منحنى عزم الدوران ويزيل ما يسمى بتأثير التوربو ، أي التأخير في استجابة المحرك لقفزة مسرع مفاجئة بسرعة منخفضة عندما لا يكون هناك ضغط كافٍ في العادم . أنبوب فرعي للدوران السريع لتوربينات الشاحن التوربيني. في المقابل ، يعمل الشاحن التوربيني الأكبر بشكل كامل في نطاق السرعة المتوسطة. يوفر كلا الشاحنين التوربيني معًا للمحرك منحنى عزم دوران مسطح عند عدد دورات منخفضة في الدقيقة وقوة عالية عند عدد دورات عالية في الدقيقة. بفضل الإمداد الكافي بالهواء من الشواحن التوربينية على مدى سرعة واسع ، يتم تقليل انبعاثات أكاسيد النيتروجين والجسيمات إلى الحد الأدنى.
حتى الآن ، يتم إنتاج نسختين من محرك 2,2 SkyActiv-D لأوروبا. تتمتع الأقوى بقدرة قصوى تبلغ 129 كيلوواط عند 4500 دورة في الدقيقة وعزم أقصى يبلغ 420 نيوتن متر عند 2000 دورة في الدقيقة. الأضعف لديه 110 كيلوواط عند 4500 دورة في الدقيقة وعزم دوران 380 نيوتن متر في النطاق 1800-2600 دورة في الدقيقة ، بحد أقصى. سرعة كلا المحركين هي 5200. من الناحية العملية ، يعمل المحرك بشكل خامل إلى حد ما حتى 1300 دورة في الدقيقة ، ومن هذا الحد يبدأ في زيادة السرعة ، بينما في القيادة العادية يكفي الحفاظ عليه عند حوالي 1700 دورة في الدقيقة أو أكثر حتى لتلبية الاحتياجات من التسارع السلس.
محرك SkyActiv G.
يتمتع محرك البنزين الطبيعي ، المسمى Skyactiv-G ، بنسبة ضغط عالية بشكل غير عادي تبلغ 14,0: 1 ، وهي حاليًا الأعلى في سيارات الركاب ذات الإنتاج الضخم. تؤدي زيادة نسبة الضغط إلى زيادة الكفاءة الحرارية لمحرك البنزين ، مما يعني في النهاية انخفاض قيم ثاني أكسيد الكربون وبالتالي تقليل استهلاك الوقود. الخطر المرتبط بنسبة ضغط عالية في حالة محركات البنزين هو ما يسمى بالاحتراق - التفجير وما ينتج عنه من انخفاض في عزم الدوران والتآكل المفرط للمحرك. لمنع احتراق الخليط بسبب نسبة الضغط العالية ، يستخدم محرك Skyactiv-G تقليلًا في الكمية وكذلك ضغط الغازات الساخنة المتبقية في غرفة الاحتراق. لذلك ، يتم استخدام أنبوب العادم بتكوين 2-4-2. لهذا السبب ، فإن أنبوب العادم طويل نسبيًا وبالتالي يمنع بشكل فعال غازات العادم من العودة إلى غرفة الاحتراق فور خروجها منها. يؤدي الانخفاض الناتج في درجة حرارة الاحتراق بشكل فعال إلى منع حدوث انفجار احتراق - تفجير. كوسيلة أخرى لمنع التفجير ، تم تقليل وقت احتراق الخليط. يعني الاحتراق الأسرع للخليط وقتًا أقصر يتعرض خلاله الخليط غير المحترق من الوقود والهواء لدرجات حرارة عالية ، بحيث لا يكون للتفجير وقت على الإطلاق. كما يتم تزويد الجزء السفلي من المكابس بفترات استراحة خاصة بحيث يمكن أن تتمدد ألسنة اللهب المتكونة من خليط الاحتراق في اتجاهات عديدة دون تقاطع بعضها البعض ، كما تم تجهيز نظام الحقن بحاقنات متعددة الفتحات مطورة حديثًا ، مما يتيح الوقود المراد تفتيته.
من الضروري أيضًا تقليل ما يسمى بخسائر الضخ من أجل زيادة كفاءة المحرك. يحدث هذا عند انخفاض أحمال المحرك عندما يسحب المكبس الهواء أثناء تحركه لأسفل أثناء مرحلة السحب ، وعادةً ما يتم التحكم في كمية الهواء الداخل إلى الأسطوانة بواسطة صمام خانق موجود في قناة السحب. في حالة الأحمال الخفيفة على المحرك ، لا يتطلب الأمر سوى كمية صغيرة من الهواء. صمام الخانق مغلق تقريبًا ، مما يؤدي إلى حقيقة أن الضغط في قناة السحب وفي الأسطوانة أقل من الضغط الجوي. لذلك ، يجب أن يتغلب المكبس على ضغط سلبي كبير - فراغ تقريبًا ، مما يؤثر سلبًا على استهلاك الوقود. استخدم مصممو Mazda توقيتًا متغيرًا بشكل غير محدود لسحب الهواء والعادم (S-VT) لتقليل خسائر المضخة. يسمح لك هذا النظام بالتحكم في كمية الهواء الداخل باستخدام الصمامات بدلاً من الخانق. في حالة الأحمال المنخفضة للمحرك ، لا يتطلب الأمر سوى القليل جدًا من الهواء. وبالتالي ، فإن نظام توقيت الصمام المتغير يبقي صمامات السحب مفتوحة في بداية مرحلة الضغط (عندما يرتفع المكبس) ويغلقها فقط عندما تكون الكمية المطلوبة من الهواء في الأسطوانة. وبالتالي ، فإن نظام S-VT يقلل في النهاية خسائر الضخ بنسبة 20٪ ويحسن كفاءة عملية الاحتراق. تم استخدام حل مماثل بواسطة BMW لفترة طويلة ، وهو استدعاء هذا النظام مزدوج VANOS.
عند استخدام نظام التحكم في حجم الهواء الداخل ، هناك خطر عدم كفاية الاحتراق للخليط بسبب الضغط المنخفض ، حيث تظل صمامات السحب مفتوحة في بداية مرحلة الضغط. في هذا الصدد ، استخدم مهندسو Mazda نسبة ضغط عالية لمحرك Skyactiv G تبلغ 14,0: 1 ، مما يعني ارتفاع درجة الحرارة والضغط في الأسطوانة ، وبالتالي تظل عملية الاحتراق مستقرة ويعمل المحرك بشكل اقتصادي أكثر.
يتم تسهيل كفاءة المحرك المنخفضة أيضًا من خلال تصميمه الخفيف الوزن وتقليل الاحتكاك الميكانيكي للأجزاء المتحركة. مقارنة بمحرك البنزين 2,0 MZR المثبت ، يتميز محرك Skyactiv G بمكابس أخف بنسبة 20٪ ، وقضبان توصيل أخف بنسبة 15٪ ومحامل رئيسية أصغر للعمود المرفقي ، مما يؤدي إلى خفض إجمالي للوزن بنسبة 10٪. عن طريق خفض احتكاك الصمامات واحتكاك حلقات المكبس إلى النصف بنسبة 40٪ تقريبًا ، تم تقليل الاحتكاك الميكانيكي الكلي للمحرك بنسبة 30٪.
أدت جميع التعديلات المذكورة إلى تحسين قدرة المحرك على المناورة عند الدورات المنخفضة إلى المتوسطة وتقليل استهلاك الوقود بنسبة 15٪ مقارنةً بالمحرك الكلاسيكي 2,0 MZR. اليوم ، انبعاثات ثاني أكسيد الكربون المهمة هذه أقل حتى من محرك الديزل 2 MZR-CD المستخدم اليوم. الميزة هي أيضًا استخدام البنزين الكلاسيكي BA 2,2.
سيتم تجهيز جميع محركات SkyActiv التي تعمل بالبنزين والديزل في أوروبا بنظام i-stop ، أي نظام إيقاف التشغيل لإيقاف تشغيل المحرك تلقائيًا عند التوقف. ستتبع الأنظمة الكهربائية الأخرى ، والفرامل المتجددة ، وما إلى ذلك.
