Когда двигатель используется на высоких оборотах и под большой нагрузкой, активируется цикл Отто, который обеспечивает строгую последовательность работы выпускных и впускных клапанов.
Особенности работы двигателей Skyactiv
Когда-то менеджеры по маркетингу Mazda представляли двигатель Skyactiv как технологическую революцию. За годы установки агрегатов на автомобили CX-5, Mazda 3, 6, CX-3 и CX-9 клиенты убедились, что технология Skyactiv не сокращает срок службы двигателя и не вызывает серьезных проблем. Но является ли принцип работы чем-то новым в мире проектирования двигателей? Рассмотрим ключевые особенности конструкции и работы двигателей, основанных на цикле Аткинсона-Миллера.
Цикл Миллера ближе к концепции термодинамических процессов, на которой основан принцип работы бензиновых двигателей Skyaktiv: Ральф Миллер предложил объединить преимущества цикла Аткинсона с традиционным поршневым механизмом бензинового двигателя и увеличить геометрическую степень сжатия за счет сокращения фазы впуска. Для достижения этой цели инженер предложил либо закрыть впускной клапан задолго до того, как поршень достигнет верхней мертвой точки во время такта впуска, либо открыть его после такта.
Особенностью двигателей Skyactiv является задержка закрытия впускных клапанов. Это означает, что впускные клапаны все еще открыты, когда поршень уже приближается к TDC на такте сжатия, так что часть нагрузки выталкивается обратно во впускной коллектор. Ограничив фазу впуска, мы можем уменьшить давление в цилиндре, когда поршень приближается к TDC, и увеличить геометрическую степень сжатия двигателя.
Трюк со степенью сжатия
Заявленная степень сжатия для двигателей Mazda Skyactiv составляет 14:1, что довольно высоко, учитывая средние характеристики цикла Отто (9-12:1, в зависимости от степени наддува). Однако в брошюрах часто не указывается, что это геометрическая степень сжатия. Соотношение 14:1 указывает на то, во сколько раз площадь цилиндра при положении поршня в НМТ больше объема камеры сгорания. Однако фактическая степень сжатия является гораздо более важным фактором в работе двигателя. Он показывает, во сколько раз объем поверхности цилиндра больше объема камеры сгорания после закрытия впускных клапанов.
Поскольку впускные клапаны в двигателях Skyactiv закрываются очень медленно, и часть впускного воздуха вытесняется обратно во впуск, фактическая степень сжатия составляет 11-12:1. Эти показатели довольно высоки для бензиновых двигателей, но не являются необычными для современных конструкций двигателей.
Особенности устройства
- При работе по циклу Аткинсона-Миллера во впускном коллекторе создается положительное давление для снижения насосных потерь. Поэтому для нормальной работы усилителя тормозов необходим вакуумный насос.
- Момент закрытия и подъем впускных клапанов контролируются электронной муфтой. Планетарный мотор-редуктор управляется ЭБУ двигателя. За управление выпускным распределительным валом отвечает гидравлическая муфта, работа и конструкция которой описаны в статье «ГРМ».
- Для достижения точного контроля зазора ГРМ в системе клапанов используются гидрокомпенсаторы, что не характерно для японской школы проектирования двигателей.
- Вместо заглушек распределительных валов используются коромысла с игольчатыми подшипниками для снижения потерь на трение.
- Двухфункциональный масляный насос снижает гидравлические потери.
- Для экономии веса блок двигателя состоит из двух частей и изготовлен из алюминия.
- Снизив вес поршней, шатунов, коленчатого вала, подшипников и опор коленчатого вала, конструкторы значительно уменьшили механические потери. Вероятно, именно поэтому двигатель Skyactiv не отличался большим сроком службы и именно поэтому появились первые проблемы. Но было бы неправильно винить инженеров Mazda, потому что подобные решения являются глобальной тенденцией в гонке за более чистый выхлоп, большую мощность и меньший расход топлива.
Преимущества
- Сократите расход топлива на 15%.
- Сокращение выбросов загрязняющих веществ на 15 %.
Основное преимущество модифицированного цикла Аткинсона-Миллера заключается в том, что энергия расширяющихся газов более эффективно преобразуется в цилиндре. Благодаря более высокой геометрической степени сжатия в такте поршень проходит большее расстояние под действием выхлопных газов, что повышает тепловую эффективность двигателя. Проблема бензинового двигателя заключается в том, что увеличение хода поршня увеличивает его перемещение на такте сжатия, что неизбежно приводит к чрезмерному повышению давления и возникновению воспламенения. Фактическая степень сжатия такого двигателя ограничена сопротивлением топлива в детонаторе.
Двигатель Skyactiv-G решает эту проблему, закрывая выпускные клапаны очень медленно. Это дает нам более высокий коэффициент расширения (газам требуется больше времени, чтобы протолкнуть поршень в НМТ) при той же степени сжатия TPVS. Таким образом, достигается более высокая эффективность.
Недостатки
Побочным эффектом такого принципа работы является потеря максимальной выходной мощности. Двигатель Skyactiv-G чрезвычайно экономичен, но из-за уменьшенного заряда цилиндров двигатели имеют меньшую удельную мощность в среднем и низком диапазоне оборотов. По этой причине атмосферные двигатели Mazda с характеристиками мощности, аналогичными турбированным бензиновым двигателям, имеют больший объем, что влияет на размеры и вес блока цилиндров, головки блока цилиндров, шатунов и коленчатого вала. Установка механического нагнетателя — один из способов решения этой проблемы.
Двигатель Skyactiv-G работает по циклу Аткинсона-Миллера только при низких и средних оборотах двигателя и низких нагрузках. Кстати, принцип его работы ничем не отличается от принципа работы обычного двигателя внутреннего сгорания с циклом Отто.
Дизельные двигатели Mazda
В современных дизельных двигателях степень сжатия составляет от 16 до 18:1. В приводах Skyactiv-D производители снизили этот показатель до 14:1. Снижение давления в цилиндре в конце такта сжатия позволяет впрыскивать топливо раньше, чтобы дизельное топливо лучше смешивалось с воздухом, нагретым в результате сжатия. Более ранний впрыск увеличивает степень расширения газа и позволяет более эффективно преобразовывать тепловую энергию в механическую.
Для улучшения характеристик холодного пуска сжатые дизельные двигатели оснащаются усовершенствованными свечами накаливания. В режиме предварительного нагрева гибкая система управления выпускными клапанами позволяет направить определенное количество выхлопных газов во впускной тракт.
Для увеличения мощности и крутящего момента двигатели Skyactiv-D, созданные на базе турбодизеля MZR-CD, оснащаются двумя турбокомпрессорами. Один малый и один большой турбокомпрессоры обеспечивают прирост мощности как на низких, так и на высоких оборотах двигателя. Повышение мощности и снижение расхода топлива достигается также за счет уменьшения механических и гидравлических потерь. Более низкая степень сжатия значительно снижает нагрузку на компоненты двигателя. Благодаря эффективному сгоранию топливной смеси инженеры Mazda нашли время для установки каталитических нейтрализаторов и системы AdBlue.
