Принцип работы двигателей СкайАктив

Маркетологи компании Mazda в свое время преподносили двигатель Скайактив сродни технологическому прорыву. За годы установки агрегатов на CX-5, Mazda 3, 6, CX-3, CX-9 покупатели убедились, что технология Skyactiv не уменьшает ресурс двигателя и не приносит каких-либо серьезных проблем. Но можно ли считать принцип работы чем-то новым в мире двигателестроения? Рассмотрим основные особенности устройства и работы моторов на основе цикла Аткинсона-Миллера.

ЦИКЛ АТКИНСОНА-МИЛЛЕРА В МОТОРАХ SKYACTIV-G

Цикл Миллера наиболее близок идейно к термодинамическим процессам, на которых построен принцип работы бензиновых двигателей серии Скайактив. Задумывая создать симбиоз преимуществ цикла Аткинсона с обычным поршневым механизмом двигателя Отто, Ральф Миллер предложил увеличить геометрическую степень сжатия за счет уменьшения фазы впуска. Для этого, по задумке инженера, нужно было либо закрывать впускной клапан задолго до подхода поршня к НМТ на такте впуска, либо открывать позже начала такта.

Особенность работы моторов Skyactiv заключается в позднем закрытии впускных клапанов. Это значит, что когда поршень уже движется к ВМТ на такте сжатия, впускные клапаны еще находятся в открытом состоянии, поэтому часть поступившего в цилиндры заряда выталкивается обратно во впускной коллектор. Ограничивая фазу впуска, мы получаем возможность снизить давление в цилиндре на подходе поршня к ВМТ, увеличив при этом геометрическую степень сжатия двигателя.

ТРЮК СО СТЕПЕНЬЮ СЖАТИЯ

Заявленная степень сжатия моторов Mazda серии Skyactiv – 14:1, что довольно много, если учитывать среднестатистические характеристики ДВС цикла Отто (9-12:1, в зависимости от степени форсировки). Но в рекламных брошюрах часто не вдаются в подробности и не указывают, что речь идет о геометрической степени сжатия. Соотношение 14:1 показывает, во сколько раз объем надпоршневого пространства цилиндра при положении поршня в НМТ больше объема камеры сгорания. Но для работы двигателя гораздо важнее фактор фактической степени сжатия. Он показывает кратность превосходства объема надпоршневого пространства после закрытия впускных клапанов к объему камеры сгорания.

За счет того, что впускные клапаны моторов Скайактив закрываются с большим запозданием и часть ТПВС выталкивается обратно во впуск, фактическая степень сжатия приближается к 11-12:1. Эти показатели хоть и довольно высокие для бензиновых моторов, но не являются чем-то сверхординарным в современном мире двигателестроения.

ОСОБЕННОСТИ УСТРОЙСТВА

• В режимах работы по циклу Аткинсона-Миллера во впускном коллекторе создается избыточное давление, позволяющее уменьшить насосные потери. Поэтому для нормальной работы усилителя тормозов необходим вакуумный насос.
• Регулировка момента закрытия и высоты подъема впускных клапанов осуществляется электронной муфтой. Управляет электродвигателем привода с планетарной передачей ЭБУ двигателя. За управление фазами выпускного распредвала отвечает гидравлическая муфта, принцип работы и устройство которой рассмотрены в статье «Системы изменения фаз газораспределения».
• Для точности тепловых зазоров в приводе ГРМ используются гидрокомпенсаторы, что нехарактерно для японской школы двигателестроения.
• Для снижения потерь на трения вместо кулачковых толкателей устанавливаются рокеры с игольчатыми подшипниками.

• Двухрежимный масляный насос позволяет снизить гидравлические потери.
• Для снижения массы блок двигателя состоит из двух частей и изготовлен из алюминия.
• За счет снижения веса поршней, шатунов, коленчатого вала, уменьшения размеров подшипников скольжения, шеек коленчатого вала, конструкторам удалось значительно снизить механические потери. Скорее всего, именно с этим фактором стоит связывать отсутствие запредельного ресурса и появление первых проблем с моторами Skyactiv. Но винить инженеров Mazda было бы некорректно, так как подобные решения – это общемировая тенденция в борьбе за чистоту выхлопа, повышение мощности и снижение расхода топлива.

БОРЬБА С ДЕТОНАЦИЕЙ

Для предотвращения разрушительных последствий детонации принимается целый комплекс мер, среди которых:

• непосредственный впрыск топлива в цилиндры и деление фазы впрыска на несколько стадий. Модернизированная топливная система двигателей Skyactiv-G позволила поднять давление впрыска до 200 бар. Высокоточные форсунки впрыскивают бензин в жидкой фазе, что позволяет охладить камеру сгорания;
• выпускной коллектор 4-2-1 с удлиненными раннерами. Такое устройство позволяет уменьшить нагрев камеры сгорания, а также улучшить наполняемость за счет инертности потоков отработавших газов. Японцы в этом смысле действуют против общепринятой тенденции – установки катколлекторов, что предполагает короткие раннеры для эффективной работы каталитического нейтрализатора. Аналогичная ситуация и с турбированными моторами, где короткие выпускные магистрали позволяют эффективней раскручивать турбину;
• поршни с вытеснителем и расположенной по центру выемкой;
• ионные датчики в катушках зажигания. Для поддержания высокого КПД и работы на грани детонирования топлива обычного датчика детонации недостаточно. Отслеживание колебаний ионного тока в зазоре между электродами свечи зажигания после воспламенения ТПВС позволяет раньше выявлять признаки детонации.

ПРЕИМУЩЕСТВА

• Снижение расхода топлива на 15%.
• Уменьшение количества вредных выбросов на 15%.

Главное преимущество использования модифицированного цикла Аткинсона-Миллера – более эффективное преобразование энергии расширяющихся газов в цилиндре. За счет большей геометрической степени сжатия на такте рабочего хода поршень под действием выхлопных газов преодолевает большее расстояние, что и повышает тепловую эффективность мотора. Проблема ДВС цикла Отто в том, что увеличивая рабочий ход, мы увеличиваем и ход поршня на такте сжатия, что неминуемо приводит к чрезмерному повышению давления и возникновению детонации. Фактическая степень сжатия такого двигателя ограничивается детонационной стойкостью топлива.

В моторе Skyactiv-G эта проблема решается поздним закрытием выпускных клапанов. В итоге при одинаковой степени сжатия ТПВС мы имеем большую степень расширения (газы дольше толкают поршень к НМТ). Именно таким образом достигается повышение КПД.

НЕДОСТАТКИ

Побочный эффект такого принципа работы – потеря пиковой выходной мощности. Двигатель Skyactiv-G крайне экономичен, но из-за ухудшения наполняемости цилиндров в режиме средних и низки оборотов моторы имеют меньшую удельную мощность. Именно поэтому атмосферные двигатели Mazda при схожих мощностных характеристиках с турбированными ДВС цикла Отто имеют больший объем, что сказывается на размерах и массе блока цилиндров, ЦПГ, шатунов, коленчатого вала. Установка механического нагнетателя – один из способов решения данной проблемы.

Стоит отметить, что по циклу Аткинсона-Миллера мотор Skyactiv-G работает только в режимах низких, средних оборотов и малой нагрузке. В остальном диапазоне его принцип работы не отличается от привычных ДВС цикла Отто.

ДИЗЕЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ MAZDA

Для современных ДВС цикла Дизеля характерна степень сжатия порядка 16-18:1. В силовых агрегатах Skyactiv-D конструкторы пошли путем уменьшения соотношения к 14:1. Снижение давление в цилиндре в конце такта сжатия позволило раньше впрыскивать топливо, что способствует лучшему перемешиванию дизеля с разогретым от сжатия воздухом. За счет раннего впрыска повышается степень расширения газов, что позволяет эффективней преобразовывать тепловую энергию в механическую.

Для улучшенного холодного запуска разжатые дизельные двигатели оборудуются усовершенствованными свечами накаливания. В режиме прогрева система гибкого управления выпускными клапанами позволяет подмешивать на такте впуска некоторое количество выхлопных газов.

Для повышения мощности и крутящего момента моторы Skyactiv-D, построенные на базе турбодизеля MZR-CD, оборудуются двойным турбонаддувом. Маленькая и большая турбины дают прибавку в тяге как на низких, так и на высоких оборотах. Увеличить мощность и снизить расход топливо удалось еще и за счет уменьшения механических и гидравлических потерь. Снижение степени сжатия заметно уменьшает нагрузку на детали двигателя. Благодаря эффективному сгоранию топливной смеси инженеры Мазда не спешат устанавливать каталитические нейтрализаторы, систему AdBlue.