V létě 2017 Mazda oznámila:Automobilka našla způsob, jak vyrobit vznětové benzinové motory pro osobní automobily. Mazda tvrdila, že její nový motor by mohl snížit spotřebu paliva o 20 až 30 procent, což je na benzinový motor značný úspěch.
Než se ponoříme do této technologie, stojí za zmínku, že vznětový motor není nový koncept. Vozy Formule 1 používají vznětové motory a několik dalších výrobců automobilů se pokusilo vyvinout komerčně životaschopnou verzi pro osobní automobily. Ale motor Mazdy, nazvaný Skyactiv-X, bude prvním sériově vyráběným a komerčně dostupným motorem tohoto typu. Díky Jayi Chenovi, konstruktérovi hnacího ústrojí ve společnosti Mazda, mohla společnost HowStuffWorks zjistit, jak bylo tohoto průlomu dosaženo. Nejprve se však musíme podívat na základní funkce motoru.
Motor funguje tak, že palivo zapaluje dvěma způsoby:teplem a kompresí. Zážehové motory se nacházejí ve většině benzinových automobilů. U těchto typů motorů zapalovací svíčky zapalují palivo ve spalovací komoře a zároveň se stlačuje směs paliva a vzduchu. Toto je samozřejmě velmi zjednodušená verze procesu, jen pro ilustraci hlavního rozdílu mezi těmito dvěma typy motorů. Zážehové motory sledují cyklus a vyžadují přesné načasování, aby fungovaly, ale jsou obecně spolehlivé za různých podmínek [zdroj:Knight].
Vznětové motory fungují spíše jako dieselové motory. Diesely jsou navrženy pro mnohem vyšší kompresi (což vyžaduje těžší komponenty a pevnější konstrukci) a jako zdroj tepla používají spíše žhavicí svíčky než zapalovací svíčky. Žhavicí svíčky zahřívají kompresní komoru, což zase zvyšuje kompresi v komoře. Když je palivo přidáno do komory, rozstřikuje se přes špičku žhavicí svíčky, ale proces spoléhá více na kompresi než na kontakt paliva a svíčky. Nedostatek „jiskry“ pomáhá naftovým motorům dosáhnout vyššího hodnocení EPA než benzínovým motorům s jinak podobnými specifikacemi [zdroj:Stewart].
Pokud se zaměříme na plyn, možná se ptáte, jaký má smysl vysvětlovat, jak funguje dieselový motor? Jednoduše pro ilustraci důležitosti komprese. Nejlepší způsob, jak vylepšit plynový motor, je přijít na to, jak zvýšit kompresi, což motoru umožní efektivněji využívat zásoby paliva.
Vznětový benzínový motor kombinuje nejlepší části těchto procesů. Motor je naprogramován tak, aby zachycoval vzduch (typicky výfuk motoru) ve válci motoru úpravou časování výfukových a sacích ventilů. Vstřikovače paliva přidávají palivo do tohoto zachyceného výfukového plynu, a protože zachycená směs je pod velmi vysokou kompresí, relativně malé množství paliva se může vznítit.
Vznětové motory lze dokonce rozdělit na dva různé typy [zdroj:Lindberg].
Hlavním rozdílem mezi těmito dvěma motory je bod v procesu, ve kterém se přidává palivo, dosažený úpravou cyklů a časování motoru. Jinak motory fungují podobně; komprese je nejdůležitějším faktorem.
Vznětové motory mají několik výhod a alespoň tolik nevýhod. Mezi jeho výhody patří:
„Jako hrubá analogie, jiskrové zapálení je podobné zapálení ohně zapálením pouze jednoho okraje novinového podpalu a ponecháním plamene postupně stoupat po papíru,“ vysvětluje inženýr pohonné jednotky Mazda Jay Chen prostřednictvím e-mailu. „[Vznícení vztlaku] je spíše samovznícení, kdy palivo a vzduch dosáhly kritického tlaku a teploty a celá náplň současně mění fázi, čímž se uvolňuje všechna energie najednou. Uvolněním veškeré energie téměř najednou, [ kompresní zapalování] může extrahovat více energie (protože k tomu dochází dlouho před spotřebováním expanzního poměru) ze stejného množství vzduchu při použití dvakrát až třikrát méně paliva a při mnohem nižších teplotách spalování, což dále snižuje plýtvání tepelnou energií a tvorbu emisí ."
Zní to skvěle, že? Problém je v tom, že tyto motory jsou opravdu vybíravé – kdyby bylo snadné je navrhnout a používat, už bychom s nimi jezdili. I když se v dieselových motorech nevyznáte, možná jste slyšeli, že za neoptimálních podmínek mohou být nepohodlné. Částečně za to může samotná motorová nafta, která má při velmi nízkých teplotách tendenci „gelovatět“. Nemáme ten problém s benzínem, který zůstává kapalný i v podmínkách pod bodem mrazu. Vznětové zapalování však může být stále ovlivněno počasím a dalšími okolními podmínkami a také dalšími faktory, jako je kvalita paliva.
"Doposud existovaly vznětové spalovací motory pouze ve stabilních laboratorních podmínkách nebo surové prototypy vozidel, které byly příliš hrubé na to, aby mohly být použity ve výrobě," říká Chen.
Jinými slovy, pokud tlak a teplota ve válcích nejsou pečlivě udržovány, proces nebude fungovat. Příliš nízké teploty mohou poškodit citlivé součásti motoru. Pokud se motor příliš zahřeje, může začít klepat – stav, ke kterému dochází, když se směs paliva a vzduchu příliš zahřeje a exploduje v nesprávnou dobu, což plýtvá palivem a má za následek špatný chod motoru. Zážehový motor může být také příliš studený nebo příliš horký, ale má mnohem větší chybovost.
Spolehlivé fungování vznětového motoru závisí na přesné kombinaci vzduchu, paliva a výfukových plynů smíchaných v dokonalém poměru, při dokonalé kompresi, se správným množstvím tepla aplikovaným ve správný čas. Jak víme, zatím nikdo nedokázal postavit auto se vznětovým plynovým motorem, takže tento proces bylo potřeba dále zdokonalit.
Krátce po oznámení Mazdy začali odborníci z automobilového průmyslu spekulovat, zda by sériově vyráběný vznětový motor mohl „zachránit“ plynové motory. To znamená, že jak se průmysl posouvá více směrem k hybridní a elektrické technologii, mohl by být tento plynový motor dostatečně účinný, aby byl životaschopným uchazečem?
Chen říká, že Mazda je motivována vírou, že „vymáčknutím každého kousku účinnosti ze spalovacího motoru (ve spojení s elektrifikací, jakmile bude spalovací motor zdokonalen), můžeme poskytnout způsob, jak pohánět automobil i do tohoto století. která má potenciál generovat stejné nebo méně „dobré“ emise CO2 jako čistě bateriová elektrická vozidla poháněná elektrárnami na fosilní paliva různých forem.“
Jinými slovy, Mazda si myslí, že s pokračujícími inovacemi může být vůz poháněný plynovým motorem přinejmenším stejně účinný jako elektromobil a možná ještě více. Pojďme se podívat na to, jak se tento průlom v technologii kompresního zapalování liší od těch, které mu předcházely.
V roce 2007 Motor Trend řídil Saturn Aura poháněný vznětovým motorem, který dosáhl 15procentního snížení spotřeby paliva oproti běžné Auře [zdroj:Markus]. V té době GM očekávalo uvedení vozidla se vznětovým motorem v roce 2015, ale značka Saturn byla o několik let později uzavřena a GM postupně přesunul své zaměření na elektrická a plug-in hybridní vozidla, jako je např. Chevrolet Volt.
Přibližně ve stejnou dobu Mercedes-Benz pracoval na systému kompresního zapalování nazvaném DiesOtto a Ford měl také projekt ve vývoji [zdroj:Estrada]. Ani jeden z těchto motorů však nezískal zelenou pro výrobu a zkušenosti Hyundai mohou pomoci vysvětlit proč [zdroj:Markus].
Kromě Mazdy pravděpodobně největší pokrok udělal Hyundai, jehož snahy se poprvé objevily kolem roku 2013 [zdroj:Markus]. Společnost navrhla svou verzi vznětového motoru bez zapalovacích nebo žhavicích svíček s cílovým datem uvedení na trh v roce 2023.
Navzdory slibnému pokroku Hyundai v roce 2016 odhalil, že součásti motoru prostě nebyly dostatečně pevné, aby se vypořádaly s kompresí potřebnou k tomu, aby proces fungoval. Pevnější součásti motoru, jmenovitě blok, klika a ložiska, lze samozřejmě navrhnout; tak fungují dieselové motory. Je to prostě velmi drahé a ty silnější komponenty přidávají vozu na hmotnosti a snižují jeho celkovou účinnost. Hyundai celou dobu plánoval použít turbodmychadlo ke zvýšení výkonu a udržení potřebné komprese, ale zjistili, že budou potřebovat také kompresor, což ještě více narušilo rozpočet. A konečně Hyundai nebyl spokojen s množstvím znečištění produkovaného těmito pohonnými jednotkami. Nakonec byl projekt mnohem dražší a ne tak čistý a efektivní, jak se plánovalo [zdroj:Markus].
Vývojové úsilí Mazdy trvá téměř stejně dlouho jako její konkurenti.
„Skyactiv-X byl vždy v plánu ještě před uvedením první generace Skyactiv,“ vysvětluje inženýr Mazdy Chen. "Prvním krokem v této cestovní mapě byla technologie Skyactiv společnosti Mazda [která byla] představena v roce 2009. Klíčovým vylepšením v té době bylo použití nekonvenčně vysokého kompresního poměru motoru ke zvýšení celkové účinnosti motoru i výkonu hnacího ústrojí. Toho bylo dosaženo prostřednictvím synergická kombinace existujících technik aplikovaných společně k dosažení toho, co bylo (do té doby) považováno za nemožné pro produkční motory.“
Laicky řečeno:„Skyactiv“ je termín pro strategii Mazdy posilovat kompresi za účelem zvýšení efektivity a Mazda se musela trochu šťourat, aby nadcházející Skyactiv-X zprovoznila. V důsledku toho šťourání přidala Mazda do směsi zapalovací svíčku, takže motor může přepínat mezi kompresí a zážehem podle toho, co je v danou chvíli nejúčinnější. Může to znít, jako by to odporovalo základům technologie vysokokompresních motorů, ale Chen říká, že to funguje.
„Tento průlom, který nazýváme jiskrou řízené kompresní zapalování (SPCCI), značně rozšířil použitelný rozsah provozu a ovládání kompresního zapalování a také poskytl řešení pro bezproblémový přechod mezi CI [kompresní zapalování] a SI [jiskrové zapalování]. spalovací režimy používané při vysokých otáčkách motoru (v případě Skyactiv-X),“ říká Chen.
Jednodušeji řečeno, zapalovací svíčka je kouzelná přísada, která umožňuje motoru hladce běžet a přizpůsobovat se různým podmínkám a bude použita pouze tehdy, když je to absolutně nutné. Motor Mazdy je navržen tak, aby se sám sledoval a přizpůsoboval svůj provoz na základě faktorů, jako jsou aktuální podmínky prostředí, způsob jízdy vozu a preference a nastavení řidiče [zdroj:Estrada].
Poté, co Mazda přišla s tímto nápadem, trvalo další dva roky vývoj motoru, během kterých padlo další důležité rozhodnutí. Vozidla vybavená motory Skyactiv-X budou obsahovat kompresory pro zvýšení výkonu, což zlepší jízdní dynamiku a pomůže přesvědčit potenciální kupce, aby využili šanci na tuto novou technologii [zdroj:Estrada].
Poslední velká otázka – kdy to mohou řidiči očekávat? Mluvčí Mazdy říká, že společnost zatím nemůže prozradit, která vozidla budou jako první vybavena motorem Skyactiv-X, ani kdy budou k dispozici. Také nevíme, zda vozidla poháněná vznětovými motory budou stát více než srovnatelná vozidla se zážehovými motory. Dá se však s jistotou spekulovat, že zatímco Mazda bude první, kdo s touto technologií přijde na trh, ostatní výrobci je téměř jistě budou následovat.
Na rozdíl od spousty mých kolegů se nijak zvlášť neobávám „šetření plynových motorů“, i když by to pravděpodobně pomohlo s jistotou zaměstnání. Možná bych v tom měl být trochu více sobec, ale rozhodl jsem se napsat o vznětovém motoru jednoduše proto, že mě zaujala jakákoli inovace, která může pomoci zvýšit efektivitu auta.
Z tohoto důvodu – udržitelnosti obecně – jsem dychtivě otestovat vozidlo se vznětovým motorem, jakmile budou k dispozici. Stejně jako hybridy a elektrika si myslím, že se bude hodně diskutovat o tom, zda jsou tato vozidla dostatečně výkonná. Upřímně, mám podezření, že průměrný člověk nebude schopen rozeznat rozdíl. Existuje mnoho způsobů, jak udělat auto zajímavým pro řízení, kromě toho, aby bylo co nejvýkonnější, a to je oblast, ve které Mazda vyniká.
