เครื่องยนต์ Mazda SkyActiv G - เบนซิน และ SkyActiv D - ดีเซล

ผู้ผลิตรถยนต์ตั้งเป้าที่จะลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์₂ แตกต่างกัน บางครั้งก็เป็นเช่น o การประนีประนอมที่เปลี่ยนความสุขในการขับรถไปที่สนาม อย่างไรก็ตาม มาสด้าได้ตัดสินใจที่จะไปในทิศทางที่ต่างออกไป และลดการปล่อยมลพิษด้วยโซลูชั่นแบบครบวงจรแบบใหม่ที่ไม่ทำลายความสุขในการขับขี่ นอกจากการออกแบบใหม่ของเครื่องยนต์เบนซินและดีเซลแล้ว โซลูชั่นดังกล่าวยังรวมถึงแชสซี ตัวถัง และกระปุกเกียร์แบบใหม่ด้วย การลดน้ำหนักของรถทั้งคันควบคู่ไปกับเทคโนโลยีใหม่

การศึกษาเมื่อเร็ว ๆ นี้แสดงให้เห็นว่าเครื่องยนต์สันดาปแบบธรรมดาจะยังคงครองโลกยานยนต์ต่อไปอีก 15 ปีข้างหน้า ดังนั้นจึงคุ้มค่าที่จะลงทุนอย่างมากในการพัฒนาเครื่องยนต์เหล่านี้ต่อไป ดังที่คุณทราบ พลังงานเคมีส่วนใหญ่ที่มีอยู่ในเชื้อเพลิงไม่ได้ถูกแปลงเป็นงานกลไกระหว่างการเผาไหม้ แต่แท้จริงแล้วระเหยในรูปของความร้อนทิ้งผ่านท่อไอเสีย หม้อน้ำ ฯลฯ และยังอธิบายถึงการสูญเสียที่เกิดจากแรงเสียดทานของ ชิ้นส่วนเครื่องจักรกลของเครื่องยนต์ ในการพัฒนาเครื่องยนต์เบนซินและดีเซล SkyActiv รุ่นใหม่ วิศวกรจากเมืองฮิโรชิมา ประเทศญี่ปุ่น ได้ให้ความสำคัญกับปัจจัยหลัก XNUMX ประการที่ส่งผลต่อการบริโภคและการปล่อยมลพิษที่เกิดขึ้น:

• อัตราส่วนกำลังอัด,
• อัตราส่วนเชื้อเพลิงต่ออากาศ,
• ระยะเวลาของขั้นตอนการเผาไหม้ของส่วนผสม
• เวลาของขั้นตอนการเผาไหม้ของส่วนผสม
• การสูญเสียการสูบน้ำ,
• แรงเสียดทานของชิ้นส่วนทางกลของเครื่องยนต์

ในกรณีของเครื่องยนต์เบนซินและดีเซล อัตราการบีบอัดและการลดการสูญเสียแรงเสียดทานได้พิสูจน์แล้วว่าเป็นปัจจัยที่สำคัญที่สุดในการลดการปล่อยมลพิษและการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิง

สกายแอคทีฟ ดี มอเตอร์

เครื่องยนต์ 2191 ซีซี ติดตั้งระบบหัวฉีดคอมมอนเรลแรงดันสูงพร้อมหัวฉีดเพียโซอิเล็กทริก มีอัตราส่วนกำลังอัดต่ำผิดปกติเพียง 14,0: 1 สำหรับดีเซล การชาร์จทำได้โดยเทอร์โบชาร์จเจอร์คู่หนึ่งที่มีขนาดต่างกัน ซึ่งมีผลดีต่อการลดความล่าช้าในการตอบสนองของเครื่องยนต์เมื่อเหยียบคันเร่ง รางวาล์วประกอบด้วยการเคลื่อนที่ของวาล์วแบบแปรผัน ซึ่งจะอุ่นเร็วขึ้นเมื่อเครื่องยนต์เย็น เนื่องจากก๊าซไอเสียบางส่วนจะกลับสู่กระบอกสูบ เนื่องจากการสตาร์ทเย็นที่เชื่อถือได้และการเผาไหม้ที่เสถียรในระหว่างขั้นตอนการอุ่นเครื่อง เครื่องยนต์ดีเซลทั่วไปจึงต้องการอัตราส่วนการอัดสูง ซึ่งโดยทั่วไปจะอยู่ในช่วง 16: 1 ถึง 18: 1 อัตราส่วนการอัดต่ำที่ 14,0: 1 สำหรับ SkyActiv -D engine ช่วยให้เวลาของกระบวนการเผาไหม้เหมาะสมที่สุด เมื่ออัตราส่วนการอัดลดลง อุณหภูมิและความดันของกระบอกสูบจะลดลงที่จุดศูนย์กลางตายบน ในกรณีนี้ ส่วนผสมจะเผาไหม้นานขึ้นแม้ว่าเชื้อเพลิงจะถูกฉีดเข้าไปในกระบอกสูบก่อนจะถึงจุดศูนย์กลางตายบน เป็นผลมาจากการเผาไหม้เป็นเวลานาน พื้นที่ที่มีการขาดออกซิเจนจะไม่เกิดขึ้นในส่วนผสมที่ติดไฟได้ และอุณหภูมิยังคงสม่ำเสมอ เพื่อไม่ให้เกิด NOx และเขม่า ด้วยการฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงและการเผาไหม้ใกล้กับจุดศูนย์กลางตายบน เครื่องยนต์จึงมีประสิทธิภาพมากขึ้น ซึ่งหมายถึงการใช้พลังงานเคมีในเชื้อเพลิงอย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ตลอดจนการทำงานทางกลต่อหน่วยเชื้อเพลิงมากกว่าในกรณีของเครื่องยนต์ดีเซลที่มีกำลังอัดสูง ผลที่ได้คือการลดการใช้น้ำมันดีเซลและการปล่อย CO2 เชิงตรรกะลงมากกว่า 20% เมื่อเทียบกับเครื่องยนต์ 2,2 MZR-CD ที่ทำงานด้วยอัตราส่วนการอัด 16: 1 ดังที่กล่าวไว้ ไนโตรเจนออกไซด์จะถูกสร้างขึ้นระหว่างการเผาไหม้น้อยกว่ามากและแทบไม่มีคาร์บอนทางเทคนิคเลย . ดังนั้น แม้จะไม่มีระบบกำจัด NOx เพิ่มเติม เครื่องยนต์ก็เป็นไปตามมาตรฐานการปล่อยมลพิษ Euro 6 เนื่องจากมีผลบังคับใช้ในปี 2015 ดังนั้น เครื่องยนต์จึงไม่ต้องการตัวเร่งปฏิกิริยาแบบเลือกหรือตัวเร่งปฏิกิริยากำจัด NOx

เนื่องจากการอัดที่ต่ำ เครื่องยนต์ไม่สามารถสร้างอุณหภูมิสูงพอที่จะจุดประกายส่วนผสมระหว่างการสตาร์ทเย็น ซึ่งอาจนำไปสู่การสตาร์ทที่มีปัญหาอย่างมากและการทำงานของเครื่องยนต์ไม่ต่อเนื่อง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในฤดูหนาว ด้วยเหตุนี้ SkyActiv-D จึงติดตั้งหัวเผาเซรามิกและวาล์วไอเสีย VVL แบบปรับจังหวะได้ ซึ่งช่วยให้สามารถหมุนเวียนก๊าซไอเสียร้อนภายในห้องเผาไหม้ได้ การจุดระเบิดครั้งแรกนั้นใช้หัวเทียนช่วย ซึ่งเพียงพอสำหรับก๊าซไอเสียถึงอุณหภูมิที่ต้องการ หลังจากสตาร์ทเครื่องยนต์แล้ว วาล์วไอเสียจะไม่ปิดเหมือนเครื่องยนต์ไอดีปกติ แต่มันยังคงแง้มและก๊าซไอเสียร้อนกลับคืนสู่ห้องเผาไหม้ สิ่งนี้จะเพิ่มอุณหภูมิในนั้นและอำนวยความสะดวกในการจุดไฟของส่วนผสมในภายหลัง เครื่องยนต์จึงทำงานได้อย่างราบรื่นไม่มีสะดุดตั้งแต่วินาทีแรก

เมื่อเทียบกับเครื่องยนต์ดีเซล 2,2 MZR-CD แรงเสียดทานภายในก็ลดลง 25% สิ่งนี้ไม่ได้สะท้อนให้เห็นเพียงการลดลงของการสูญเสียโดยรวมเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการตอบสนองที่เร็วขึ้นและประสิทธิภาพที่ดีขึ้นด้วย ข้อดีอีกประการของอัตราส่วนการอัดที่ต่ำกว่าคือแรงดันกระบอกสูบสูงสุดที่ต่ำกว่า และทำให้ความเครียดน้อยลงในส่วนประกอบของเครื่องยนต์แต่ละชิ้น ด้วยเหตุผลนี้ จึงไม่จำเป็นต้องมีการออกแบบเครื่องยนต์ที่แข็งแกร่งเช่นนี้ ส่งผลให้น้ำหนักลดลงไปอีก ฝาสูบที่มีท่อร่วมในตัวมีผนังที่บางลงและมีน้ำหนักน้อยกว่าเดิมถึงสามกิโลกรัม เสื้อสูบอะลูมิเนียมเบาขึ้น 25 กก. น้ำหนักของลูกสูบและเพลาข้อเหวี่ยงลดลงอีก 25 เปอร์เซ็นต์ เป็นผลให้น้ำหนักโดยรวมของเครื่องยนต์ SkyActiv-D ลดลง 20% เมื่อเทียบกับเครื่องยนต์ 2,2 MZR-CD ที่ใช้จนถึงปัจจุบัน

เครื่องยนต์ SkyActiv-D ใช้ซุปเปอร์ชาร์จแบบสองขั้นตอน ซึ่งหมายความว่ามีการติดตั้งเทอร์โบชาร์จเจอร์ขนาดเล็กหนึ่งตัวและขนาดใหญ่หนึ่งตัว ซึ่งแต่ละตัวทำงานที่ช่วงความเร็วที่แตกต่างกัน อันที่เล็กกว่าจะใช้ที่รอบต่ำและปานกลาง เนื่องจากความเฉื่อยที่ต่ำกว่าของชิ้นส่วนที่หมุนได้จึงปรับปรุงเส้นโค้งแรงบิดและกำจัดเอฟเฟกต์เทอร์โบที่เรียกว่าความล่าช้าในการตอบสนองของเครื่องยนต์ต่อการเหยียบคันเร่งอย่างกะทันหันที่ความเร็วต่ำเมื่อไอเสียมีแรงดันไม่เพียงพอ . ท่อสาขาสำหรับการหมุนกังหันเทอร์โบชาร์จเจอร์อย่างรวดเร็ว ในทางตรงกันข้าม เทอร์โบชาร์จเจอร์ที่ใหญ่กว่าจะทำงานเต็มที่ในช่วงความเร็วปานกลาง เทอร์โบชาร์จเจอร์ทั้งสองช่วยให้เครื่องยนต์มีเส้นโค้งแรงบิดที่แบนราบที่รอบต่อนาทีต่ำและมีกำลังสูงที่รอบต่อนาทีสูง ด้วยการจ่ายอากาศที่เพียงพอจากเทอร์โบชาร์จเจอร์ในช่วงความเร็วที่กว้าง การปล่อย NOx และอนุภาคจึงถูกควบคุมให้เหลือน้อยที่สุด

จนถึงขณะนี้ มีการผลิตเครื่องยนต์ 2,2 SkyActiv-D สองเวอร์ชันสำหรับยุโรป อันที่แรงกว่ามีกำลังสูงสุด 129 กิโลวัตต์ที่ 4500 รอบต่อนาทีและแรงบิดสูงสุด 420 นิวตันเมตรที่ 2000 รอบต่อนาที ตัวที่อ่อนกว่ามี 110 กิโลวัตต์ที่ 4500 รอบต่อนาทีและแรงบิด 380 นิวตันเมตรในช่วง 1800-2600 รอบต่อนาทีที่สูงสุด ความเร็วของเครื่องยนต์ทั้งสองคือ 5200 ในทางปฏิบัติเครื่องยนต์ค่อนข้างเซื่องซึมถึง 1300 รอบต่อนาทีจากขีด จำกัด นี้จะเริ่มเพิ่มความเร็วในขณะที่สำหรับการขับขี่ปกติก็เพียงพอที่จะรักษาไว้ที่ประมาณ 1700 รอบต่อนาทีหรือมากกว่านั้นแม้กระทั่งสำหรับความต้องการ ของการเร่งความเร็วที่ราบรื่น

เครื่องยนต์ SkyActiv G

เครื่องยนต์เบนซินแบบดูดอากาศตามธรรมชาติที่เรียกว่า Skyactiv-G มีอัตราส่วนการอัดสูงผิดปกติที่ 14,0:1 ซึ่งปัจจุบันสูงที่สุดในรถยนต์นั่งส่วนบุคคลที่ผลิตจำนวนมาก การเพิ่มอัตราส่วนกำลังอัดจะเพิ่มประสิทธิภาพเชิงความร้อนของเครื่องยนต์เบนซิน ซึ่งท้ายที่สุดหมายถึงค่า CO2 ที่ลดลงและทำให้สิ้นเปลืองเชื้อเพลิงน้อยลง ความเสี่ยงที่เกี่ยวข้องกับอัตราส่วนการอัดสูงในกรณีของเครื่องยนต์เบนซินคือการเผาไหม้แบบน็อค - การระเบิด และส่งผลให้แรงบิดลดลงและการสึกหรอของเครื่องยนต์ที่มากเกินไป เพื่อป้องกันการเผาไหม้ของส่วนผสมที่น็อคเนื่องจากอัตราส่วนการอัดสูง เครื่องยนต์ Skyactiv-G ใช้ปริมาณที่ลดลงรวมถึงความดันของก๊าซร้อนที่ตกค้างในห้องเผาไหม้ ดังนั้นจึงใช้ท่อไอเสียในรูปแบบ 4-2-1 ด้วยเหตุนี้ ท่อไอเสียจึงค่อนข้างยาวและป้องกันก๊าซไอเสียไม่ให้กลับสู่ห้องเผาไหม้ได้อย่างมีประสิทธิภาพทันทีหลังจากระบายออก การลดลงของอุณหภูมิการเผาไหม้ช่วยป้องกันการเกิดการเผาไหม้ - การระเบิดได้อย่างมีประสิทธิภาพ เป็นอีกวิธีหนึ่งในการป้องกันการระเบิด เวลาในการเผาไหม้ของส่วนผสมจึงลดลง การเผาไหม้ของส่วนผสมที่เร็วขึ้นหมายถึงระยะเวลาที่สั้นลงในระหว่างที่ส่วนผสมของเชื้อเพลิงและอากาศที่ยังไม่เผาไหม้สัมผัสกับอุณหภูมิสูง ดังนั้นการระเบิดจึงไม่มีเวลาเกิดขึ้นเลย ส่วนล่างของลูกสูบยังมีช่องพิเศษเพื่อให้เปลวไฟของส่วนผสมการเผาไหม้ที่ก่อตัวขึ้นในหลายทิศทางสามารถขยายตัวได้โดยไม่ข้ามกัน และระบบหัวฉีดยังได้รับการติดตั้งหัวฉีดแบบหลายรูที่พัฒนาขึ้นใหม่ ซึ่งช่วยให้ เชื้อเพลิงที่จะเป็นละออง

นอกจากนี้ยังจำเป็นต้องลดการสูญเสียการสูบน้ำที่เรียกว่าเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ สิ่งนี้จะเกิดขึ้นที่เครื่องยนต์ที่มีโหลดต่ำเมื่อลูกสูบดูดอากาศในขณะที่มันเคลื่อนที่ลงในช่วงไอดี ปริมาณของอากาศที่เข้าสู่กระบอกสูบมักจะถูกควบคุมโดยวาล์วปีกผีเสื้อที่อยู่ในทางเดินไอดี ที่เครื่องยนต์เบา ต้องใช้อากาศเพียงเล็กน้อยเท่านั้น วาล์วปีกผีเสื้อเกือบปิดซึ่งนำไปสู่ความจริงที่ว่าความดันในทางเดินไอดีและในกระบอกสูบต่ำกว่าชั้นบรรยากาศ ดังนั้นลูกสูบจะต้องเอาชนะแรงดันลบที่มีนัยสำคัญ - เกือบจะเป็นสุญญากาศซึ่งส่งผลเสียต่อการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิง นักออกแบบของ Mazda ใช้จังหวะวาล์วไอดีและไอเสียแบบแปรผันไม่จำกัด (S-VT) เพื่อลดการสูญเสียของปั๊ม ระบบนี้ช่วยให้คุณควบคุมปริมาณอากาศเข้าโดยใช้วาล์วแทนลิ้นปีกผีเสื้อ ที่เครื่องยนต์โหลดต่ำ อากาศจะต้องการอากาศน้อยมาก ดังนั้น ระบบตั้งเวลาวาล์วแปรผันจึงเปิดวาล์วไอดีไว้ที่จุดเริ่มต้นของระยะการอัด (เมื่อลูกสูบยกขึ้น) และปิดเมื่อปริมาณอากาศที่ต้องการอยู่ในกระบอกสูบเท่านั้น ดังนั้น ระบบ S-VT จึงช่วยลดการสูญเสียการปั๊มได้ถึง 20% และปรับปรุงประสิทธิภาพของกระบวนการเผาไหม้ในท้ายที่สุด BMW ใช้โซลูชันที่คล้ายกันมาเป็นเวลานานโดยเรียกระบบนี้ว่า ดับเบิ้ล แวนอส

เมื่อใช้ระบบควบคุมปริมาตรอากาศเข้า มีความเสี่ยงที่ส่วนผสมจะเผาไหม้ไม่เพียงพอเนื่องจากแรงดันที่ต่ำกว่า เนื่องจากวาล์วไอดียังคงเปิดอยู่ในช่วงเริ่มต้นของเฟสการอัด ในแง่นี้ วิศวกรของ Mazda ใช้อัตราส่วนกำลังอัดสูงของเครื่องยนต์ Skyactiv G ที่ 14,0: 1 ซึ่งหมายถึงอุณหภูมิและความดันในกระบอกสูบที่สูงขึ้น ดังนั้นกระบวนการเผาไหม้จึงยังคงมีเสถียรภาพและเครื่องยนต์ทำงานอย่างประหยัดมากขึ้น

ประสิทธิภาพต่ำของเครื่องยนต์ยังได้รับการอำนวยความสะดวกด้วยการออกแบบที่มีน้ำหนักเบาและแรงเสียดทานทางกลของชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวน้อยลง เมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องยนต์เบนซิน 2,0 MZR ที่ติดตั้งแล้ว เครื่องยนต์ Skyactiv G มีลูกสูบที่เบากว่า 20% ก้านสูบที่เบากว่า 15% และตลับลูกปืนหลักของเพลาข้อเหวี่ยงที่เล็กกว่า ส่งผลให้น้ำหนักโดยรวมลดลง 10% โดยการลดแรงเสียดทานของวาล์วลงครึ่งหนึ่งและแรงเสียดทานของแหวนลูกสูบเกือบ 40% แรงเสียดทานทางกลทั้งหมดของเครื่องยนต์ลดลง 30%

การปรับเปลี่ยนทั้งหมดที่กล่าวมาส่งผลให้ความคล่องแคล่วของเครื่องยนต์ดีขึ้นที่รอบต่ำถึงปานกลาง และลดการใช้เชื้อเพลิงลง 15% เมื่อเทียบกับรุ่นคลาสสิก 2,0 MZR ทุกวันนี้ การปล่อย CO2 ที่สำคัญเหล่านี้ยังต่ำกว่าเครื่องยนต์ดีเซล 2,2 MZR-CD ที่ใช้อยู่ในปัจจุบันด้วยซ้ำ ข้อดีคือการใช้น้ำมันเบนซิน BA 95 แบบคลาสสิก

เครื่องยนต์เบนซินและดีเซล SkyActiv ทั้งหมดในยุโรปจะติดตั้งระบบ i-stop นั่นคือระบบหยุด-สตาร์ทเพื่อดับเครื่องยนต์อัตโนมัติเมื่อหยุด ระบบไฟฟ้าอื่น ๆ การเบรกแบบสร้างใหม่ ฯลฯ จะตามมา