SKYACTIV-G, a Mazda új benzinmotorja

A Skyactiv-G fejlesztési céljai

Ahhoz, hogy egy benzinmotor hatásfokát növelhessük, növelni kell a kompresszióviszonyt, csökkenteni a fojtási veszteségeket és a mechanikai súrlódást. A Mazda a Skyactiv-G benzinmotorjánál NEFZ-ciklus szerint mérve 15%-kal csökkentett tüzelőanyag-felhasználást, valamint 15%-kal nagyobb teljesítményt célzott meg a teljes üzemi fordulatszám-tartományban összehasonlítva a jelenlegi Mazda PFI (Port Fuel Injection – hengerenkénti benzin-befecskendezés) motorjával, a 2,0 l-es MZR motorral.

Ezen célok teljesítése végett a Skyactiv-G motorral a Mazda az alábbiakat tűzte maga elé:
- a kompresszióviszony növelése 14:1-es értékre,
- szívómotor-koncepció, a nagy kompresszióviszony miatt,
- a nagy kompresszióviszony ellenére az égéstartam ne hosszabbodjon,
- fojtási veszteségek csökkentése 20%-kal,
- a mechanikai veszteségek csökkentése 30%-kal,
- a volumetrikus hatásfok növelése 10%-kal.

Kihívások nagy kompresszióviszonyú motornál

A nagy kompresszióviszonyú motor kifejlesztésekor két komoly nehézségbe ütköztek a Mazda mérnökei. Az egyik a nagy terhelésen, visszavett előgyújtásnál is a fokozott nagysebességű kopogási hajlam, mely a nyomatékot csökkenti. A másik pedig a nagy külső hőmérsékletnél és kis oktánszámú benzinnél a nagy öngyulladási rizikó, különösen a nagyterhelésű gyorsításnál. A legfontosabb feladat, hogy ezekkel az abnormális égéslefolyásokkal szembeni ellenálló képességet növeljék.

Teljesítményvesztés kopogásos égéskor

Az 1. ábra mutatja a teljesítményveszteséget a közvetlen befecskendezésű motor egy korai fejlesztési szakaszában, ahol a kompresszióviszonyt ε = 11,2-ről ε = 14,0-re növelték. 1500 min^-1-nél a gyújtási időpontot vissza kellett venni, mely 7%-os nyomatékcsökkenéshez vezetett. Ez viszont mégis kisebb érték, mint amit a Mazda mérnökei vártak. Tovább csökken a nyomaték, ha a kompresszióviszonyt ε = 15,0-re növelik. Az égésanalízis eredményeként kiderült, hogy a növelt kompresszióviszony következményeként enyhe exoterm reakció (kishőmérsékletű oxidáció) játszódik le a gyújtás előtt, mely a nyomatékvesztéshez vezet.

1. ábra

A nagy kompresszióvisszonnyal együtt járó kopogásihajlam-növekedés a hengerben kialakuló növekvő gázhőmérséklet és -nyomás következménye. A 2. ábra mutat egy numerikus szimulációt, mely a két paraméter összefüggésére világít rá. Egy kisebb gázhőmérséklet a szívási folyamat végén a hengerben a nagy kompresszióviszony által lerontott kopogási hajlamot kompenzálja.

2. ábra

Amennyiben a hengerben a kiinduló hőmérséklet (gázhőmérséklet zárt szívószelepnél) 35 K-nel csökken, úgy a kompresszióviszony 11,2:1-ről 14,0:1-re növelhető anélkül, hogy a kopogási hajlam 1500 min^-1-nél fokozódjon.

A kopogási hajlam csökkentése gyorsabb égéssel

A fejlesztés kezdetén egy hagyományos sík tetejű dugattyút alkalmaztak (3. ábra), melynél a kompresszióviszony növelése érdekében a dugattyútetőt trapézformában megemelték. Ez azonban kisebb termikus hatásfokhoz vezetett, mert a kezdeti lángfront kedvezőtlenül találkozik a dugattyútetővel. Ezáltal nő a hűtési veszteség és a szabályos lángterjedést meggátolja. Csak egy félgömbalakú dugattyúkamrával sikerült a lángfrontot megfelelően kiterjeszteni (4. ábra). Ezzel a változtatással a főégéstartam (ahol az elégett tüzelőanyag-részhányad 10 és 90% közé esik) 1500-as min^-1-nél 1 főtengelyfokkal lerövidült. Ezzel egy időben a kopogási hajlam is csökkent, mellyel 2%-os nyomatéknövekedést értek el.

3. ábra

4. ábra

Az égéslefolyás további javítására a szívócsatorna belépési szögét, valamint a szelepelhelyezés szögét optimalizálták, valamint a hengerfuratot a jelenlegi 2,0 l-es motorhoz képest lecsökkentették (87,5 mm-ről 83,5 mm-re). Ezzel az égéstartam további 2 főtengelyfokkal rövidült és a nyomaték 4%-kal nőtt.

A kopogási hajlam csökkentése a tüzelőanyag elpárologtatásával

Ahhoz, hogy a tüzelőanyag párolgási hőmérsékletét hatásosan ki lehessen használni a gázhőmérséklet csökkentésére, a tüzelőanyag-nyomást 1500 min^-1-nél 10 MPa-ra (100 barra) növelték, ezen túlmenően hatfuratos porlasztót (MHI – Multi Hole Injectior – többlyukú befecskendező) alkalmaztak, melynél a sugár áthatoló képességét és a befecskendezési szöget optimalizálták. A hengerhőmérséklet analízise jobb hőmérséklet-eloszlást mutatott a szétosztott befecskendezés, valamint a 6 K-nel csökkentett kiinduló hőmérséklet miatt. Ezzel az effektussal a kopogási hajlamot tovább csökkentették és a nyomatékot 3,5%-kal növelték.

A volumetrikus hatásfok és a kopogási viselkedés javítása

Az eddigi 4 az 1-be csatlakozó kipufogókönyökkel a visszamaradt kipufogógáz-hányad a hengerben 6,7% volt. A Mazda mérnökei azonban törekedtek arra, hogy a visszamaradó kipufogógáz-hányadot 3,9%-ra csökkentsék, mellyel a kezdeti hengerhőmérsékletet 18 K-nel csökkent és a töltési fok 9%-kal nőtt.
A nagy hengerátöblítés eléréséhez a leghatásosabb a kipufogórendszert optimalizálni. Amikor az egyik hengerben szelepváltás következik és épp akkor érkezik egy kipufogógáz-nyomáshullám ahhoz a hengerhez, abban az esetben a maradékgáz-hányad megnövekszik, mely a kopogási hajlamot növeli. Hogy ezt az effektust még 2000 min^-1-es fordulat felett is elkerüljék egy hosszú 4-2-1 becsatlakozású kipufogókönyököt alkalmaznak (5. ábra).

5. ábra

A jó átöblítéshez szükséges szelepváltáskor a depresszióhullám. A megfelelően kialakított kipufogórendszer tág fordulatszám-tartományon hozza létre a kívánt átöblítési effektust (6. ábra). Ezáltal a kopogási hajlam és a volumetrikus hatásfok 9%-kal javult és a nyomaték további 7,5%-kal növekedett.

6. ábra

A 7. ábra mutatja a 2,0 l Skyactiv-G motor javított nyomatékgörbéjét. Összehasonlítva a hagyományos 2,0 l-es PFI-motorral a nyomaték a teljes fordulatszám-tartományon több mint 15%-kal növekedett, a 11,2:1 kompressziójú közvetlen befecskendezéses motorral szemben is a javulás 10%-os.

7. ábra

Ellenálló képesség az öngyulladással szemben

Különösen kedvezőtlen környezeti feltételek mellett egy nagy kompresszióviszonyú motornál fontos, hogy az abnormális égést, mint a detonációs öngyulladás, elkerüljék. Az öngyulladás elkerüléshez egy igényes szabályzórendszert kellet kifejleszteni.
Emiatt az alábbi pontok különösen nagy szerepet játszanak:
- környezeti feltételek (a beszívott levegő nedvességtartalma és hőmérséklete, hűtőfolyadék-hőmérséklet, oktánszám, megnövekedett kompresszió lerakódások miatt stb.)
- a bemeneti jellemzők hatékonysága (befecskendezés lefolyása, szívószelep zárási ideje stb.)
Amennyiben meghatározott körülmények öngyulladásra vezetnek, a Skyactiv-G szabályzórendszere az égésmintához képesti kis eltérést is felismeri az ionáram megváltozásának következtében. Ennek értelmében bedúsítja a keveréket és megváltoztatja a szívószelepek zárási idejét annak érdekében, hogy a további öngyulladást elkerülje.

A kipufogógáz-utókezelő rendszer fejlesztése

A hosszú 4-2-1-es kipufogórendszer miatt a katalizátor kevésbé gyorsan melegszik fel, mint a hagyományos rövid 4-1 kipufogórendszerrel és motorközeli katalizátorral, és ezzel a kipufogógáz-tisztítás megszólalási ideje is hosszabbodik. Továbbá a kompresszióviszonnyal együtt nő az elégetlen szénhidrogének részaránya is. Figyelembe véve a jövőben bevezetendő szigorú emissziós normákat, szükséges egyéb intézkedéseket is kifejleszteni a károsanyag-kibocsátás csökkentése érdekében. Mivel a szénhidrogének azelőtt kijutnak a rendszerből, mielőtt a katalizátor az üzemi hőmérsékletét elérné, emiatt fontos, hogy a katalizátor gyorsan felmelegedjen, valamint a szénhidrogén-kibocsátást addig is csökkenteni kell.
Hogy a felmelegedési szakaszban a HC-emissziót csökkentsék, a Mazda mérnökei megnövelték a befecskendezési nyomást induláskor 0,43-ról 6 MPa-ra (60 barra). Ettől a HC-szint lecsökken a felmelegedési fázisban közel a felére. A katalizátor gyors felmelegedéséhez a kipufogógáz hőmérsékletét kell megnövelni, melyhez a leghatásosabb eljárás a késői gyújtás. Túlzott késői gyújtás azonban instabil égéshez vezet és bekorlátozza a kipufogógáz-hőmérésklet növelését. A Skyactiv-G esetében a közvetlen befecskendezés ideális levegő-tüzelőanyag keveréket biztosít a gyújtógyertyánál és lehetővé teszi a szegény rétegezett keveréket. Ez az effektus, valamint a nagyobb égésstabilitás a nagyobb kompresszió által jelentősen hatástalanítja a késői gyújtás és az égésstabilitás közötti „konfliktust”. Következésképpen a Mazda a katalizátor gyors felmelegedését és stabil égést ért el a hosszú 4-2-1 kipufogókönyök ellenére is.

A növelt kompresszióviszony és a csökkentett fojtási veszteség következménye

A kezdeti kísérletek alapján a ε = 13,0 kompresszióviszony felett nem jön létre további fogyasztáscsökkenés. Az ok az, hogy a lapos dugattyútető közel van a gyújtógyertyához és a kezdeti égéskiterjedést meggátolja. Ellenintézkedésként a Mazda mérnökei a jobb égéskiterjedést lehetővé tették a félgömbalakú dugattyútető és az intenzív levegő-bukóáramlás (thumble) kombinációjával, mely a teljes terheléskori nyomatékvesztés ellen is hatásos. Emellett a hűtési veszteség is csökkent, így a hőátadás a lángmag és a dugattyútető között csökkent. A hengerfurat csökkentésével a hűtési veszteség tovább csökkent, mellyel a termikus hatásfok jelentősen növekedett.
A jelentős fojtási veszteség csökkenése is visszavezethető a megnövelt kompresszióviszonyra. A fojtási veszteségek csökkentésének hagyományos eljárása a szívószelepek késői zárásával, illetve a külső kipufogógáz-visszavezetéssel van megoldva. Ekkor azonban az égésstabilitás csökken, és a fojtási veszteség csak korlátozottan csökken. A Skyactiv-G-nél azonban a nagy kompresszióviszony miatt a kései szívószelepzárás kielégítő effektív kompresszióviszonyt biztosít a belső kipufogógáz-visszavezetéssel együtt. Az eredmény egy olyan stabil égéslefolyás, mint amilyen a hagyományos PFI-motorban zajlik le, habár a belső kipufogógáz-visszavezetés az AHP után 110 főtengelyfokkal történő szívószelepzárás miatt megnőtt és a szelepösszenyitás az állítható szelepvezérlés miatt megnövekedett. Így a fojtási veszteségek kb. 20%-kal csökkentek.

A mechanikai veszteségek csökkentése

Összehasonlítva az eddigi 2,0 l-es PFI motorral a mechanikai vesztesége a Skyactiv-G motornak megközelítőleg 30%-kal csökkent.
Az optimalizált motorkomponensek (8. ábra):
- Dugattyú, hajtórúd és főtengely: 52 mm-ről 47 mm-re csökkentették a forgattyúcsapok átmérőjét (9. ábra), 38%-kal csökkentették a dugattyúgyűrű feszítését.
- Szelepvezérlés a vezérműlánccal: görgős szelepemelők alkalmazása, a szeleplöket erejének csökkentése optimalizált bütyökprofillal, a láncsúrlódás csökkentése a nagy merevség pontos vezetésével, a láncfeszítés csökkentése egyenszilárd terheléseloszlású láncfeszítővel.
- Olajellátás: a nyomásveszteség csökkentése egyszerűsített csatornaelrendezéssel, a hidraulikus komponensek szükséges olajnyomásának minimalizálása és ezáltal kisebb szivárgás, az olajnyomás csökkentése részterhelésen elektronikusan szabályozott olajszivattyúval és változtatható olajnyomással.
- Hűtőrendszer: a hűtőrendszer ellenállásának csökkentése, nagyhatásfokú vízszivattyú alkalmazása műanyag szivattyúkerékkel.

8. ábra

9. ábra

Forrás: Tsoyushi Goto, Ritarou Isobe, Masahisa Yamakawa, Masami Nishida: Der neue Ottomotor Skyactiv-G von Mazda, MTZ 06/2011