Wysoki stopień sprężania silnika – więcej niż ewolucja

Producenci samochodów z napędem benzynowym wciąż poprawiają osiągi swoich silników i stale próbują maksymalnie zredukować zużycie paliwa. Biorąc pod lupę jedynie tradycyjny napęd spalinowy mamy obecnie dwa trendy w silnikach benzynowych, z czego jeden jest już niemal drugorzędny. Inżynierowie Mazdy wybrali właśnie tę wąską i krętą drogę. Czy słusznie?

Bezpośredni wtrysk benzyny staje się obecnie standardem, a wtrysk pośredni według specjalistów zostanie całkowicie wycofany z obiegu w ciągu dekady. Obecne silniki są coraz mocniejsze i znacznie bardziej doładowane. Doładowanie to główny cel większości producentów, bo to w nim tkwi ogromny potencjał. Ciśnienie można zwiększać bez końca, ale pociąga to za sobą zmniejszenie trwałości silnika i duże obciążenia. Downsizing, czyli radykalne zmniejszenie pojemności skokowej i dodanie doładowania to nie nowość w branży motoryzacyjnej i aktualnie norma. Przykładem może być Ford Mondeo 1.0 EcoBoost. Jest jednak inna droga, którą wybrali inżynierowie z Hiroszimy. 

Co to jest stopień sprężenia w silniku?

Stopień sprężania określany jest liczbowo stosunkiem maksymalnej i minimalnej objętości komory spalania w cylindrze. Innymi słowy jest to stosunek pojemności cylindra w momencie, gdy tłok znajduje się w dolnym położeniu zwrotnym do pojemności w chwili, gdy osiągnie górne położenie zwrotne.

Stopień sprężania ma istotny wpływ na moc silnika i możliwość powstawania samozapłonów. Większy stopień sprężania zapewnia większą wydajność energetyczną. Istnieje pewna zależność, która określa, że wyższy stopień sprężania idzie w parze z wyższą liczbą oktanową zużywanego paliwa. Silniki z zapłonem iskrowym charakteryzują się stopniem sprężania pomiędzy 7.5 a 14.

Odwrotna sytuacja tyczy się silników z zapłonem samoczynnym, gdzie wtryski bezpośrednie cechuje stopień sprężania pomiędzy 16 a 18. W silnikach tego typu lecz z wtryskiem pośrednim stopień sprężania jest nieco wyższy i wynosi średnio od 18 do 24 – to w zupełności pozwala mieszance paliwowo-powietrznej samoczynnie się zapalić. 

Czy określenie silnik wysokoprężny ma sens?

Określenie silnik wysokoprężny dotyczy silnika z zapłonem samoczynnym. Standardowy Diesel ma niemal dwukrotnie wyższy stopień sprężenia niż typowy silnik benzynowy. Japońscy inżynierowie obalili ten podział wprowadzając na rynek silniki o zapłonie iskrowym Sky-G i o zapłonie samoczynnym Sky-D, które posiadają dokładnie taki sam stopień sprężania równy 14.

Zasadniczym efektem prac specjalistów z Mazdy jest zastosowanie systemu spalania HCCI – Homogeneus Charge Compression Ignitron. Jest to system spalania mieszanki jednorodnej, co w tym przypadku oznacza samozapłon benzyny. Silnik Sky-G w określonych warunkach działa identycznie co jednostka napędowa Diesla, tyle, że spala benzynę. Rewolucyjny system HCCI potrzebuje jednak wysokiej temperatury mieszanki, co w jednostkach Diesla osiągane jest dzięki wysokiemu stopniowi sprężania. Taką drogę wybrali inżynierowie Mazdy i w silniku 2.0 Sky-G zastosowano stopień sprężania wynoszący aż 14 – w celu porównania podpowiemy, że tradycyjne silniki benzynowe osiągają około 10. A oczywiście im wyższy stopień sprężania tym silnik ekonomiczniejszy.

Problemem okazało się ryzyko występowania szkodliwego dla silnika spalania stukowego przy wysokim stopniu sprężania. Poradzono sobie z tym dzięki zastosowaniu wtrysku bezpośredniego, co pozwoliło wytworzyć jednorodną mieszankę benzyna-powietrze. Oprócz tego denka tłoków zaprojektowano tak, by zapłon był stale kontrolowany i nie przegrzewał tłoka. Wprowadzono także długie kolektory wydechowe by spaliny nie grzały silnika. Dodatkowo zdecydowano się zastosować zmienne fazy rozrządu. 

Sky-G zaskakuje

Efektem prac jest silnik Sky-G o pojemności skokowej 2.0. Pomimo stosunkowo niewielkiej mocy 120 KM jednostka wytwarza duży moment obrotowy o wartości 210 Nm przy 4000 obr./min. Jednostkę wyposażono w bezpośredni wtrysk paliwa, który odparowując obniża temperaturę mieszanki i zapobiega wspomnianemu wyżej spalaniu stukowemu.

SKYACTIV-G został zaopatrzony w układ wydechowy 4w2w1, który zapobiega powracaniu gorących gazów do kanałów wydechowych. Chłodniejsze kanały i głowica dają możliwość dalszego zwiększania stopnia sprężania. Odmienny kształt denka gwarantuje, że strefa wysokiej temperatury będzie znajdować się wyłącznie w okolicy świecy zapłonowej.

W jednostce Sky-G skok został wydłużony a średnica zmniejszona. Mniejsza powierzchnia ścianek pozwala ograniczyć utraty ciepła. Rozrząd składa się z dźwigienek z rolkami – oba wałki wyposażone są w regulację faz rozrządu. Redukcję strat mechanicznych silnika uzyskano także dzięki dwustopniowej pompie oleju, olejowi o niskiej lepkości i mniejszej masie elementów ruchomych. Zastosowano między innymi kuty stalowy wał korbowy.

FAQ

Co to jest stopień sprężania i jaki ma wpływ na silnik?

Stopień sprężania to stosunek maksymalnej do minimalnej objętości komory spalania. Wyższy stopień zwiększa efektywność i moc, ale podnosi ryzyko samozapłonu (stukowego) i wymaga paliwa o wyższej liczbie oktanowej.

Dlaczego Mazda stosuje bardzo wysoki stopień sprężania (np. 14)?

Mazda podniosła stopień sprężania, by poprawić sprawność i ekonomię silnika oraz umożliwić spalanie zbliżone do diesla (HCCI) przy zapłonie iskrowym, osiągając lepszy moment i niższe zużycie paliwa.

Co to jest HCCI i jak działa w silnikach Mazdy?

HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) to samozapłon jednorodnej mieszanki benzyna‑powietrze pod wpływem sprężenia. W Sky‑G użyte warunki i konstrukcja pozwalają benzynie zapalać się podobnie jak w dieslu, bez tradycyjnego świecowego zapłonu.

Jak Mazda zapobiega spalaniu stukowemu przy wysokim stopniu sprężania?

Rozwiązania to wtrysk bezpośredni (chłodzenie i jednorodna mieszanka), zmienione denka tłoków kontrolujące strefy wysokiej temperatury, długie kolektory wydechowe, zmienne fazy rozrządu i inne modyfikacje chłodzenia i tłoków.

Jakie korzyści daje silnik Sky‑G 2.0 z wysokim stopniem sprężania?

Sky‑G 2.0 oferuje lepszą ekonomikę spalania, wyższy moment obrotowy przy niskich obrotach, niższe straty cieplne i mechaniczne dzięki konstrukcji (wydłużony skok, mniejsze tłoki, regulacja rozrządu, dwustopniowa pompa oleju).