بیش از شش سال پیش، مزدا فناوری جدیدی را معرفی کرد که نوید انقلابی در احتراق داخلی را می داد. اکنون، ما تعجب می کنیم که آیا آن یک سحر کاذب بوده است.
Skyactiv-X، همانطور که مزدا آن را می نامد، نشان دهنده اوج دهه ها تحقیق و توسعه صنعت خودرو در یک موتور بنزینی با احتراق تراکمی است. سالها، خودروسازان بزرگ و گروههای تحقیقاتی برای ایجاد یک موتور احتراق تراکمی با شارژ همگن (HCCI) کار کردند که نوید مصرف سوخت مشابه دیزل با آلایندگی بسیار کمتر را داشت.
فورد، جنرال موتورز، نیسان، هوندا، مرسدس بنز، و هیوندای همگی نمونه اولیه موتورهای HCCI را توسعه دادند و حتی وزارت انرژی ایالات متحده تحقیقات در مورد این فناوری را تامین مالی کرد. در حالی که به نظر می رسید بیشتر تلاش ها به پایان رسیده است، مزدا احتراق تراکمی با بنزین را به واقعیت تبدیل کرد.
برخی از اصول اولیه: موتورهای بنزینی معمولاً چرخه اتو را اجرا می کنند. در اینجا، موتور از یک شمع برای احتراق یک مخلوط هوا و سوخت استفاده می کند که یا از قبل در ورودی مخلوط شده است یا مانند موتورهای تزریق مستقیم، در خود محفظه احتراق مخلوط شده است. موتورهای دیزلی - درست حدس زدید - چرخه دیزل را اجرا می کنند. فشرده سازی خود گرمای لازم را برای احتراق مخلوط هوا و سوخت ایجاد می کند. هیچ شمع وجود ندارد.
مارگارت وولدریج، استاد برنامه مهندسی مکانیک دانشگاه میشیگان میگوید: «موتور دیزلی کارایی بالاتری نسبت به موتور بنزینی دارد، زیرا میتوانیم آن را با نسبت تراکم بالاتری کار کنیم.» وولدریج میگوید: «اما چرخه اتو ذاتاً کارآمدتر از چرخه دیزل است، بنابراین اگر بتوانیم یک موتور جرقهزنی را با نسبت تراکم بالاتر راهاندازی کنیم، کارایی بیشتری از آن خواهیم داشت». بنابراین، اساساً شبیه این است که «چگونه میتوانید جرقهزنی بنزینی ایجاد کنید - جایی که این ویژگیهای سوخت است که شما را محدود میکند - بیشتر شبیه یک موتور دیزل؟»
نمونه اولیه مزدا 3 مجهز به موتور Skyactiv-X.
یک موتور HCCI از بنزین استفاده میکند، اما تا حدودی مانند دیزل عمل میکند و از فشردهسازی به جای جرقه استفاده میکند تا به سرعت و به طور یکنواخت یک مخلوط هوا-سوخت بسیار نازک را مشتعل کند. این مخلوط هوا و سوخت به همان روشی که یک موتور بنزینی تولید میشود، ایجاد میکند و یک بار همگن و نه ناهمگن مانند موتور دیزل ایجاد میکند. مقاله ای در ژوئن 2001 از ساینتیفیک امریکن آن را به خوبی توضیح می دهد:
از آنجایی که میزان سوخت سوزانده شده در مقایسه با حجم هوای داخل موتور HCCI کم است، دمای احتراق نسبتاً پایین می ماند. این بدان معناست که موتور فقط مقادیر کمی اکسید نیتروژن و دی اکسید (در مجموع NOx) تولید می کند. همچنین، از آنجا که شارژ به خوبی مخلوط شده و حاوی سوخت اضافی نیست، احتراق تنها مقدار کمی ذرات دوده تولید می کند. راندمان موتور بالا است زیرا فرآیند احتراق HCCI امکان استفاده از نسبت تراکم بالا و مشابه دیزل را فراهم می کند (تولید توان بیشتری به ازای هر واحد سوخت سوزانده شده) و به این دلیل که مانند دیزل ها، موتورهای HCCI می توانند نیازهای بار را بدون استفاده از گاز ورودی برآورد کنند. از بین بردن به اصطلاح از دست دادن تنفس.
همه چیز خوب و خوب است، اما احتراق HCCI فرآیندی دشوار برای کنترل است، بنابراین فقط در یک مجموعه بسیار کوچک از پارامترها امکان پذیر است. گزارش نیویورک تایمز در اوت 2007 در مورد نمونه اولیه موتور HCCI جنرال موتورز اشاره می کند که احتراق تراکمی فقط بین 1000 تا 3000 دور در دقیقه در دسترس بود. حتی در آن باند، راننده باید بسیار مراقب پدال گاز باشد. خارج از آن محدوده عملیاتی، موتور به حالت جرقه زنی معمولی بازگشت.
موتور بنزینی چرخه اتو از جرقه برای کنترل زمان احتراق استفاده می کند، در حالی که موتور دیزلی از تزریق سوخت برای همین منظور استفاده می کند. Wooldridge می گوید که هر دو کنترل فوق العاده دقیقی بر عملکرد موتور ارائه می دهند. دستیابی به چنین دقتی با موتور HCCI بدون این اهرم ها بسیار دشوارتر است. بدون جرقه، احتراق تراکمی با مخلوطی از هوا و بنزین غیرقابل پیش بینی است و در برخی مواقع، خودرو باید به هر حال به جرقه تبدیل شود.
نوآوری بزرگ مزدا استفاده از جرقه برای کنترل جرقه زنی تراکمی در فرآیندی به نام جرقه با کنترل تراکم جرقه (SPCCI) بود. همانطور که در مقالهای از بخش روابط عمومی مزدا بریتانیا توضیح داده شده است، یک موتور Skyactiv-X مخلوطی از هوا و سوخت را در طول سکته ورودی ایجاد میکند.
در پایان کورس تراکمی، کمی سوخت بیشتر تزریق می شود. این اساساً دو مخلوط هوا-سوخت را ایجاد می کند، یک مخلوط غنی که درست توسط شمع ایجاد می شود و یک مخلوط کم حجم تر در سراسر محفظه احتراق. شمع، مخلوط غنیتر را مشتعل میکند و گلوله آتش ایجاد شده، مخلوط بدون چربی را مشتعل میکند و فرآیند اشتعال فشردهسازی را آغاز میکند. از آنجایی که شمع همیشه استفاده می شود، سوئیچ بین فشرده سازی و احتراق جرقه به سرعت و یکپارچه اتفاق می افتد.
برای اجرا به سخت افزارهای جدید زیادی نیاز دارد – و یکی فرض می کند گران است. یک سنسور فشار درون سیلندر شرایط را همیشه کنترل میکند، در حالی که یک سیستم تزریق سوخت فوقالعاده پرفشار مانند یک دیزل دقیقاً سوخت را اندازهگیری میکند. مزدا همچنین از یک سوپرشارژر کلاچ شده از نوع Roots استفاده میکند نه برای افزایش توان خروجی، بلکه برای انحراف مخلوط هوا و سوخت تا دو برابر نسبت ایدهآل 14.7:1.
مزدا در راه اندازی خود اعلام کرد که موتور 2.0 لیتری Skyactiv-X در مقایسه با همتای Skyactiv-G خود با جرقه جرقه، مصرف سوخت را بین 20 تا 30 درصد افزایش داده است. موتور Skyactiv-X در نسخه فعلی خود، با نسبت تراکم 15:1 - تکرارهای قبلی 16.3:1 بود - موتور Skyactiv-X 183 اسب بخار قدرت و 177 پوند فوت گشتاور را به 120 اسب بخار و 157 پوند فوت Skyactiv-G ارائه می دهد. با این حال Skyactiv-X در تست WLTP اروپا به طور کلی 43.55 مایل بر گالن برمی گرداند. چرخه، در حالی که Skyactiv-G 41.97 mpg را مدیریت می کند. انتشار گاز C02 نیز از 127 گرم در کیلومتر به 121 گرم در کیلومتر کاهش یافته است.
بنابراین، افزایش قدرت بزرگ، با دست اندازهای خوب در مصرف سوخت و عملکرد آلایندگی نیز. و حداقل در یک مدل برتر، Mazda3 مخصوص بریتانیا، موتور Skyactiv-X فقط حدود 8 درصد بیشتر قیمت دارد. عالیه، درسته؟ خب، به نظر نمی رسد که Skyactiv-X هنوز دنیا را به آتش کشیده باشد.
مزدا از ارائه ترکیبی از فروش Skyactiv-X در مقابل Skyactiv-G به Motor1 خودداری کرد، اما SPCCI فقط در موتور 2.0 لیتری مزدا موجود است. آنچه که بیش از همه نشان می دهد این است که مزدا Skyactiv-X را به هیچ عنوان به ایالات متحده وارد نکرده است. این بزرگترین بازار این خودروساز است که حدود 30 درصد از فروش آن در سال گذشته را به خود اختصاص داده است. در عوض، 2.5 لیتری توربو، پیشرانه هیبریدی پلاگین و 6 سیلندر خطی جدید 3.3 لیتری خود را به کار گرفته است.
مزدا به Motor1 تایید کرد که روی یک موتور شش سیلندر Skyactiv-X کار میکند، اما وقتی از او پرسیده شد که آیا این یا هر موتور SPCCI دیگری به آمریکا میآید، به سادگی گفت: «به تلاش خود برای ارائه به آمریکا ادامه خواهیم داد. مشتریان محصولات/تکنولوژی هایی که نیازهای آنها را برآورده می کند.»
شش سیلندر شاید بهترین امید ما باشد. مهندسان Skyactiv-X در مصاحبهای با Automotive News در اوایل سال 2020 گفتند که موتور 2.0 لیتری فعلی به اندازه کافی برای بازار ایالات متحده قدرتمند نیست. آنها همچنین گفتند که آمریکاییها معمولاً به همان میزانی که خریداران در بازارهای دیگر اولویت را به مصرف سوخت نمیدهند. یک موتور بزرگتر Skyactiv-X می تواند در اینجا کار کند.
وولدریج میگوید در حالی که صنعت خودروسازی همچنان در حال بهبود احتراق داخلی است، کار زیادی با HCCI در حال انجام نیست. «اگر میخواهید فناوری بسیار مهمی را وارد کنید، میتوانید HCCI را کنترل کنید... پیشرفتهای زیادی از طریق زمانبندی متغیر سوپاپها انجام شده است. چند ایده جالب با نسبت فشرده سازی متغیر وجود داشت. "شما می توانید به زور آن را بی رحمانه. شکی نیست که شما میتوانید این کار را بسیار موفق کنید، اما با توجه به آنچه من دیدهام بسیار گران تمام میشود.»
برای مزدا، کارکردن SPCCI به مقدار زیادی از این سخت افزار پرهزینه نیاز دارد. مزدا نیز یک خودروساز بسیار کوچک است. منابع مثلاً جنرال موتورز را در اختیار ندارد، با این حال با همین فشار مواجه است تا منابع عظیمی را برای برق رسانی اختصاص دهد. و آیا Skyactiv-X خود سودآور است؟ آیا هرگز چنین خواهد شد؟
تام دانلی، مدیرعامل مزدا آمریکای شمالی، در مصاحبه اخیر با Yahoo Finance گفت که تمرکز این برند بر روی خودروهای برقی هیبریدی، پلاگین هیبریدی و باتریهای الکتریکی است. SPCCI ممکن است به خوبی برای یک پیشرانه هیبریدی مناسب باشد، جایی که خودرو موتور را در کارآمدترین پنجره عملیاتی خود نگه می دارد و تعامل بین موتورهای احتراق داخلی و الکتریکی را مدیریت می کند. اما چرخههای احتراق اتکینسون و میلر که در خودروهای هیبریدی امروزی استفاده میشوند نیز همینطور است، و هیچکدام به تمام سختافزار فانتزی SPCCI نیاز ندارند.
در نهایت، برای صدور حکم در مورد Skyactiv-X کمی زود است، اما به نظر می رسد که عرشه در مقابل آن قرار گرفته است. با این حال، ما در دنیایی زندگی می کنیم که همیشه در حال تغییر است. مزدا ممکن است هنوز به ما ثابت کند که اشتباه می کنیم. دریافت خبرنامه Motor1 امروز ثبت نام کنید
شیرجه های عمیق مهندسی بیشتر چگونه تعلیق ترفند Lexus GX در مراکز خرید و موآب کار می کند چگونه تنظیم چرخش خودکار رانندگی با گیربکس دستی را روان می کند