Skyactiv-D - A Mazda új dízelmotorja

Susumu Niinai a Skyactiv G & D program programmenedzsere a Mazda Motor Corporation hajtáslánc-fejlesztési részlegénél

Technikai koncepció

Amennyiben a mechanikus és a termodinamikus veszteségeket csökkentjük, a belső égésű motor hatásfoka javul. Ebben a főbb meghatározó tényezők a kompresszióviszony, a politrópikus kitevő értéke, az égéstartam, a gyulladási időpont, a fojtási veszteségek.
Ezen tényezők közül a Skyactiv-D motorok fejlesztésénél a gyulladási időpontra és a mechanikus veszteségek csökkentésére koncentráltak. Fejlesztési cél volt, hogy a motor teljesítse az Euro 6-os normát NO_x-redukciós utókezelés nélkül, illetve feloldják az NO_x égésfolyamati képződésének és a jó motorhatásfok közötti ellentmondást. A dízelmotor előnyeit még jobban kihasználva törekedtek a FHP környezetében létrejövő égésre, és így a nagyobb expanziós viszony által a maximális munka elérésére. A FHP közelében létrejövő égésnél a tüzelőanyag-levegő keverék fokozottan inhomogén, ez nagy korom és NO_x-képződéssel jár. Hatásos ellenintézkedésként szolgál a lehetőség, hogy az égéskezdetet részterhelésnél késleltessék, mely egy lassabb égéslefolyáshoz vezet.
A Skyactiv-D a dízelmotor korlátait az alábbi technikai koncepcióval tudta legyőzni.
- A kompresszióviszony csökkentése, mely a tüzelőanyag-levegő keverék homogén elkeveredéséhez ad lehetőséget, így mérsékli a korom és az NO_x-képződést a FHP közeli égés ellenére.
- Optimalizált égéstérforma a tüzelőanyag-levegő átkeveredésének javítása érdekében.
- Növelt frisslevegő töltésfok, a nem elhanyagolható kipufogógáz-visszavezetés mellett is.
Azért, hogy a tüzelőanyag-fogyasztást, a károsanyag-kibocsátást és a teljesítményt egyaránt javítsák célszerű volt a motor kompresszióviszonyát a hagyományos értékű ε = 16,3-ról 14-re csökkenteni. Mint ahogy az 1. ábrán is látszik, a javított keverékképzés a korom- és az NO_x-keletkezést leszorítja.

1. ábra
 

Azért, hogy a keverékképzést a dugattyúkamrában tökéletesítsék, a kamra geometriáját és a tüzelőanyagsugár-áramlás környezetében a léghasznosítást kellett módosítani.
Az égéstér megváltoztatásával az alábbi célokra törekedtek:
- vertikális falforma, mely meggátolja, hogy a keverék a kinetikus energiáját elveszítse, mikor az vele szemben visszaverődik.
- sugárterelés, mely kiegyensúlyozott elkeveredést, ugyanakkor a keverék nagy részében kinetikus energiát ad, amikor a falak mentén függőleges örvényléssel áramlik.
- domború középrész, amely révén az áramlás a homogenizált keveréket felemeli, de egyúttal az erős örvénylését megtartja és terelt tüzelőanyagsugár-áramlással az egész égéstérben elosztja.
Ezekkel a javításokkal úgynevezett tojásformájú égésteret alakítottak ki, mely egy többfuratos befecskendező használatával a koromképződést csökkenti (2. ábra).

2. a ábra
 

2 b. ábra
 

A hatékony feltöltés eléréséhez kétfokozatú turbótöltőt alkalmaznak (3. ábra), hogy a koromképződést elkerüljék az Euro 6-os szigorú határérték teljesítéséhez szükséges, kifejezetten nagymennyiségű kipufogógáz-visszavezetés mellett. A kipufogógázvisszavezető-rendszer ún. nagynyomású, tehát a kipufogógázt a turbótöltő turbina előtti csatornából veszik el.

3. ábra: kétfokozatú turbófeltöltő

Motorteljesítmény

A 4. ábra mutatja a nyomatékgörbét, az NO_x-kibocsátást és a fajlagos tüzelőanyag-felhasználást. A redukált sűrítési végnyomás ellenére, mely a csökkentett kompresszióviszony következménye, a teljes üzemi tartományon nagyobb nyomatékot értek el, mint az aktuális MRZ-CD Mazda dízelmotoron. A végfordulatszámot 4400 min^-1-ről 5200 min^-1-re emelték, valamint a nyomatékot az alsó fordulatszám-tartományban 40%-kal növelték, így intenzív gyorsulás érhető el a teljes üzemi tartományban.

4. ábra
 

A kisebb kompresszióviszony következtében csökkent a mechanikai súrlódás, és ez lehetővé tette a FHP-i gyulladást és ennek megfelelően a nagy expanzióviszonyt. Mindkettő hozzájárul a tüzelőanyag-felhasználás csökkenéséhez is. A szigorú emissziós előírások ellenére a Skyactiv-D 15-20%-kal kevesebbet fogyaszt, mint az aktuális motor.

Emisszió és tüzelőanyag-felhasználás

Hagyományos dízeleknél a gyulladási időpont késleltetése csökkenti a korom és NO_x-képződést, azonban rontja a termikus hatásfokot. A kicsi kompresszióviszony és a nagy feltöltés miatt az NO_x-képződést a Skyactiv-D csökkenti anélkül, hogy koromképződés lépne fel. Ezenkívül a Mazda az NO_x-értéket az Euro 5-ről Euro 6-ra mérsékelte anélkül, hogy a gyulladási időpontot késleltetné, jóllehet a mérnökök ugyanazt a kipufogógázvisszavezető-rendszert alkalmazták.
Az 5. ábrán látható, hogy az égéskezdet előrébb tolása lehetővé teszi a nagyobb expanziós viszonyt. Az aktuális, nagy kompresszióviszonyú motorral szemben az égéstartam csökkent. Mindkét intézkedés a fajlagos tüzelőanyag-fogyasztás csökkenéshez vezet.

5. ábra
 

Mechanikai súrlódás

Egy dízelmotorban a mechanikai súrlódás közel fele a forgattyús mechanizmusban keletkezik. Ez a súrlódás csökken a kis sűrítési végnyomás miatt. Ezáltal kisebb nyugvócsapot (60 mm helyett 52 mm), könnyebb dugattyút stb. (6. ábra) alkalmaztak, úgyhogy ezeknek az alkatrészeknek a súrlódása 30%-kal csökkent. A dugattyú és a főtengely tömege 25%-kal csökkent, mely hozzájárult a végfordulatszám 5200 min^-1-re történő növeléséhez.

6. ábra
 

Az olajszivattyú, a vízszivattyú és a mellékberendezések súrlódásának csökkentésével a teljes motor súrlódási vesztesége 26%-kal csökkent és így megfelel a jelenlegi benzinmotorénak.
A kisebb igénybevétel következtében a hengertömb anyaga alumínium lett, mely 25 kg-mal könnyebb, mint az öntöttvas hengertömb. A hengerfej is könnyebb lett 3 kg-mal a vékonyabb falak alkalmazásával és az integrált kipufogócsatornákkal.
Csak ezekkel az intézkedésekkel 4-5%-os fogyasztáscsökkenést éretlek el a tesztciklus folyamán az aktuális motorhoz képest.

Indíthatóság és égéskimaradás extrém hidegben történő indításnál

Egy személyautó dízelmotornál a kompresszióviszony alsó határa az ε = 15-nél van. Ez alatt az érték alatt indításkor nagy hidegben égéskimaradás lép fel. A Skyactiv-D motornak ε = 14-es értékkel kell létrehoznia a megfelelő keveréksűrűséget, valamint a nyomást és a hőmérsékletet a hengerben. Ezt egy sor intézkedéssel érték el:
- piezo-injektorok alkalmazása többfuratú porlasztócsúcsokkal ismételt többszörös előbefecskendezéssel (egy teljes ciklus alatt akár kilencszer is befecskendezhet),
- a volumetrikus hatásfokot kétfokozatú turbófeltöltéssel megnövelve,
- kerámia izzógyertyák alkalmazása és
- nagy maradékgáz mennyiség a duplán nyíló kipufogószelepekkel.
A duplán nyíló kipufogószelepek a szívó ütemben is kissé kinyitnak, így a forró füstgázok visszaáramolnak a hengerbe és ott a belső hőmérsékletet megnövelik. Ennél a motornál alkalmazzák először dízelmotornál a változó kipufogószelepek vezérléséhez a bütyökkontúr-átkapcsolást (7. ábra).
Ezekkel az intézkedésekkel a Skyactiv-D -25 ºC-os hőmérsékleten is indulni képes. Ezeket az eredményeket 40-es cetánszámú gázolajjal érték el, a FHP gyulladással nem lép fel égéskimaradás.

7. ábra: kipufogó-vezérműtengely bütyökkontúr és szelephimba

A gyújtásidőpont és az égéstartam vezérlése

A kompresszióviszony csökkentése erős gyulladás-késleltetéshez és hosszabb égéstartamhoz vezet. Ez különösen kis hőmérsékleteknél rontja az égésstabilitást. Járulékosan nagy fordulatszámnál a nyomás és a hőmérséklet a hengerben lecsökken, míg az égés befejeződik, miáltal az égéstartam tovább hosszabbodik.
Ezen nehézségek elhárítására a Skyactiv-D az alábbi intézkedéseket vezette be:
- biztos gyújtásstabilitás az égésfolyamat kezdetén, a diffúziós égés fázisában,
- a diffúziós égés rövidített égéstartama a javított égéstérforma miatt,
- növelt előkevert égéstartomány, valamint vezérelt befecskendezési időpont a gyulladáskésleltetés előrejelzése alapján.
A diffúziós égési tartományon belül különbség van a töltőnyomásban és a hengerfal-hőmérsékletben tranziens és stacioner üzemben. Amennyiben a környezeti hőmérséklet és a tengerszint feletti magasság jelentősen megváltozik, akkor az a gyulladásinstabilitáshoz vezet. Ilyen üzemi feltételek mellett is stabil gyulladás biztosítsanak, előégést hoztak létre rövid intervallumú többszörös pilot befecskendezéssel. Így egy biztos hőmennyiség szabadul fel a főégés előtt.
Az előkeverék-égéshez egy nagy kompressziójú motor esetében nagy hányadban kell kipufogógázt visszavezetni, hogy elég idő álljon rendelkezésre a gyulladáskésleltetés eléréséhez. Ezek a visszavezetett gázok csökkentik az oxigéntartalmat és rontják a gyulladási időpont befecskendezéssel történő vezérlését, különösen nagy terheléseken. A beszívott levegő hőmérsékletének csökkentésével és a visszavezetett kipufogógáz mennyiségének csökkentésével javítható a gyulladási időpont vezérlése.
A gyulladási késedelem az előkeverék égésekor a mért beszívott oxigénkoncentrációból és a hengerhőmérsékletből van meghatározva, mely stabil égést szolgáltat a külső hőmérséklet és a magasság negatív befolyása nélkül.

Alkalmazás gépjárműben

A dízelmotorok NO_x-kibocsátását kétféleképpen lehet csökkenteni, mely lehet NO_x-katalizátor vagy az égéstérben az NO_x-képződés csökkentésével. A Skyactiv-D az NO_x-létrejöttét gátolja a kis kompresszióviszonnyal és a nagy feltöltéssel.
A nyomaték és az NO_x-közötti összefüggés nem lineáris; növekvő terhelésre az NO_x-kibocsátás jelentősen növekszik. Ez azzal jár, hogy ugyanabba az autóba beépített motorok közül a nagyobb hengerűrtartalmú kevesebb NO_x-ot fog kibocsátani, mert üzem közben kisebb terheléssel működik.
A Skyactiv-D-nek a Mazda 2,2 l-es motort választott, mely az Euro 6-os határértéket teljesíti NO_x-katalizátor vagy kisnyomású kipufogógáz-visszavezetés nélkül (8. ábra). Ezzel a kipufogógázutókezelő-rendszer leegyszerűsödött.

8. ábra

A kis terhelésnek köszönhetően a tüzelőanyag-fogyasztás is csökkent, melyhez hozzájárul még a csökkentett súrlódás és a javított gyulladási időpont. A 2,2 l-es motor ezekkel az intézkedésekkel NEFZ ciklus szerint annyit fogyaszt, mint egy 1,5 l-es dízelmotor nagy kompresszióviszonnyal és sűrítési végnyomással.

Forrás:
Yasuyuki Terazawa, Eiji Nakai, Motoshi Kataoka, Takashi Sakono: Der neue Vierzylinder-Dieselmotor von Mazda, MTZ 09/2011
http://www.mazda.com/mazdaspirit/skyactiv/engine/skyactiv-d.html
http://www.mazda-news.eu/2011/06/01/skyactiv-d-diesel-engine/