SKYACTIV

 Развитие конструкций автомобильных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) имеет более чем 120 летнюю историю, созданную трудом бесчисленных инженеров. По этой причине нам, как правило, трудно представить, что любое дальнейшее повышение его производительности возможно. Но факт остается фактом, что от 70 до 80 процентов энергии, содержащейся  в топливе, теряется  в силовом агрегате автомобиля и не может быть передано в качестве движущей силы  колесам.

Многие автопроизводители сегодня работают над совершенствованием ДВС, делая их более компактными и используя другие различные методы. Одной из последних разработок Мазда (Mazda), устремленной к идеальной конфигурации, является Homogenous Charge Compression Ignition (HCCI) - двигатель, который сочетает в себе преимущества как бензиновых так и дизельных мотров.  Мазда (Mazda) имеет историю компании созидания,  делающей, казалось бы, невозможное - возможным. Теперь задача – создание двигателя с идеальным процессом сгорания топлива. 

SKYACTIV-G 

Новая генерация высокоэффективных бензиновых силовых установок с прямым впрыском топлива, которые используют наивысшую в мире степень сжатия 14:1 при отсутствии детонационного сгорания.

 Отличительные особенности SKYACTIV-G:

• Первый в мире двигатель массового производства, имеющий высокую степень сжатия.

• Значительно улучшенная эффективность работы за счет высоко-компрессионного сгорания с 15%- ми экономией топлива и увеличением крутящего момента.

• Улучшенная динамика автомобиля, благодаря повышенному крутящему моменту на низких и средних оборотах

• 4-2-1 выхлопная система, поршни с полостью, многоструйные топливные форсунки, реализующие возможность использования высокой степени сжатия.

Преимущества и проблемы высокой степени сжатия.

Увеличение степени сжатия значительно снижает тепловые потери в двигателе. Степень сжатия бензиновых моторов обычно составляет от 10:1 до 12:1. Теоретически, если степень сжатия  увеличить с 10:1 до 15:1, термический КПД улучшится примерно на 9%. Однако, одна из причин, препятствующая использованию высокой степени сжатия – большая потеря крутящего момента вследствие детонации.

Детонация -  процесс горения, при котором топливовоздушная смесь воспламеняется преждевременно из-за воздействия высоких температур и давления, создавая высокочастотный  стук. Когда степень сжатия увеличивается, температура при сжатии в верхней мертвой точке (TDC) также возрастает, увеличивая вероятность детонации.

Эффективным методом снижения температуры при сжатии в TDC является уменьшение количества горячих отработавших газов, остающихся внутри камеры сгорания. Например, при степени сжатия 10:1, температура остаточных газов 750°С, температура впускного воздуха 25°С, и если остаточные газы составят 10% объема, температура внутри цилиндра до начала такта сжатия увеличится примерно до 70°С, а температура в конце такта сжатия составит уже 160°С. Таким образом, понятно решающее влияние остаточных газов на возникновение детонации.

Расчеты, представленные графиком выше, показывают: если количество остаточных газов сократить с 8% до 4%, расчетная температура при сжатии в TDC останется неизменной при увеличении степени сжатия с 11:1 до 14:1. На это снижение количества остаточных газов и фокусировалась концепция SKYAKTIV-G, дающая возможность реализации идеи двигателя с высокой степенью сжатия.

Антидетонационные технологии.

4-2-1 выхлопная система.

Одним из вариантов значительного снижения количества остаточных газов явилось  применение 4-2-1 выхлопной системы.

Как показано на рис.справа, когда выпускной коллектор имеет короткий тракт, волна высокого давления отработавших газов, возникающая сразу после открытия выпускных клапанов третьего цилиндра, достигает первого цилиндра, в котором закачивается такт выпуска и начинается впуск. В результате, отработавшие газы из него выходящие, устремляются назад в камеру сгорания, повышая количество высокотемпературных остаточных газов. С коротким выпускным коллектором волна высокого давления доходит до следующего цилиндра за короткий промежуток времени, проявляя свой негативный эффект во всем диапазоне оборотов двигателя. Однако с 4-2-1 выхлопной системой, имеющей длинный тракт выпускного коллектора, волне требуется время для достижения следующего цилиндра, и вышеозначенный  эффект проявляет себя только на низких оборотах двигателя. Это позволяет снизить количество остаточных газов почти во всем диапазоне работы двигателя. К тому же, коллектор длиной свыше 600мм лучше гасит реактивный момент силового агрегата, а использование кольцевой формы позволяет экономить компоновочное пространство.

Главным недостатком выхлопной системы 4-2-1 является охлаждение отработавших газов, проходящих по длинному тракту к каталитическому нейтрализатору, что увеличивает время его активации. Температура отработавших газов может быть повышена уменьшением угла опережения зажигания, но слишком большая задержка зажигания приводит к нестабильному горению смеси. В SKYACTIV-G стабильность горения реализуется даже при значительных задержках по углу зажигания при запуске ДВС. Это стало возможным с применением специальной полости в поршне (рис. слева) и оптимизации впрыска топлива с целью формирования многослойной топливовоздушной  смеси вокруг свечи зажигания. Кроме того, полость поршня устраняет контакт начального фронта пламени с торцевой поверхностью поршня и генерацию тепловых потерь с этим связанных.

Улучшение сгорания.

Улучшить антидетонационные свойства удалось сокращением длительности сгорания топлива. Чем быстрее процесс горения,  тем короче промежуток времени, в течение которого не сгоревшая топливовоздушная смесь подвергается воздействию высоких температур, позволяя процессу нормально завершиться до наступления детонации. Таким образом, помимо создания более однородной смеси интенсификацией воздушного потока, увеличением давления впрыска топлива и использованием  многоструйных форсунок  для улучшения характеристик распыливания топлива, полость в поршне используется для предотвращения соударения начального фронта пламени с торцом поршня и способствует росту скорости сгорания.

SKYACTIV-D

С наиболее низкой в мире дизельных двигателей степенью сжатия, экологичный, высокоэффективный дизельный двигатель, предназначенный удовлетворить жесткие ограничения законодательства по выбросам вредных веществ без применения дорогостоящих NOx (оксиды азота) нейтрализаторов.                           

Отличительные особенности SKYACTIV-D:

• 20% топливной экономии благодаря степени сжатия 14:1
• .Двухсекционный турбонадув, реализующей плавный и линейный отклик силовой установки от низких  до высоких оборотов и существенно повышающий крутящий момент вплоть до 5200об/мин (верхнего предела частоты вращения).
• Соответствие требованиям глобального законодательства по выбросам вредных веществ (Euro 6 в Европе, Tier 2 Bin 5 в Северной Америке, и Post New Long-Term Regulation в Японии). 

Причины образования оксидов азота (NOx) и сажи.

Вследствие того, что дизельные моторы имеют высокую степень сжатия, температура и давление в верхней мертвой точке конца такта сжатия (TDC) становятся экстремально высокими. Если впрыск топлива осуществляется при этих условиях, зажигание происходит до образования адекватной топливовоздушной смеси, приводя к неоднородному локальному горению. Результатом этого становится формирование оксидов азота (NOx) и, вследствие недостатка кислорода, сажи. В условиях жестких экологических требованиях законодательства, становится проблематичным воспламенить смесь в оптимальный момент (TDC). По сути, не остается другого варианта, как только задержать начало горения до момента пока поршень начнет свое движение вниз, при этом температура и давление в цилиндре упадут, хотя при этом пострадает топливная экономичность.

Преимущества низкой степени сжатия.

При уменьшении степени сжатия, температура и давление в TDC понижается. Соответственно, зажигание происходит с задержкой, даже если топливо впрыскивается вблизи TDC, обеспечивая более однородную топливно-воздушную смесь.

Это снижает формирование NOx и сажи, потому что горение становится более равномерным, без локальных высокотемпературных зон и недостатка кислорода.

Кроме этого, впрыск и горение вблизи TDC имеет результатом высокую эффективность дизельного двигателя, который производит большую работу (меньше степень предварительного расширения), чем высоко-компрессионный двигатель (рис.справа).

Снижение веса и механических потерь от трения с использованием низкой степени сжатия.

Вследствие низкой степени сжатия, максимальное рабочее давление в цилиндре для SKYACTIV-D ниже, чем у обычных дизельных ДВС, что  позволяет значительно снизить вес двигателя, прибегнув к структурной оптимизации. Например, становится возможным изменить материал блока цилиндров на алюминий, что позволяет сэкономить 25 кг веса (против обычного дизеля). Головка блока становится на 3 кг легче за счёт более тонких стенок и интегрированного выпускного коллектора. Для деталей, участвующих в возвратно-поступательном движении, вес поршней и коленчатого вала, за счёт уменьшения диаметра коренных шеек с 60мм до 52мм, уменьшен на 25%. В результате, механические потери от трения снижены до уровня бензинового двигателя (рис.слева). Однако существуют две основные проблемы, препятствующие распространению низко-компрессионных двигателей, в противовес их преимуществам. Первая из них состоит в том, что со снижением степени сжатия, компрессионная температура при низких температурах воздуха падает, серьёзно осложняя запуск двигателя. Вторая – случаи пропусков зажигания в течение прогрева, вследствие низкой компрессионной температуры и давления.

Гарантированный холодный запуск двигателя и предотвращение пропусков зажигания.

Формирование горючей смеси многоструйными пьезофорсунками.

Новые многоструйные пьезофорсунки обеспечивают широкий спектр факелов распыливания топлива. Точность в дозировании и синхронизация момента впрыска увеличивают точность контроля распределения топлива по объему воздушного заряда, обеспечивают возможность холодного запуска. Такая высокотехнологичная форсунка способна произвести до 9 инжекций за период сгорания. Наряду с тремя основными фазами впрыска: предварительного впрыска, основного впрыска и завершающего впрыска, будет применяться комбинация факелов распыливания в соответствии с условиями  вождения. Гарантированный запуск двигателя даже с низкой степенью сжатия обуславливается точным контролем впрыска, а также применением керамических свечей накаливания.

Увеличение температуры воздуха системой VVL в период прогрева двигателя.

Любые пропуски зажигания, которые могут возникнуть во время прогрева двигателя после запуска, предотвращаются путем применения VVL системы (variable valve lift – клапан с изменяемой высотой подъема (рис.справа) для выпускных клапанов. Один цикл сгорания достаточен для повышения температуры выхлопных газов. Учитывая это, выпускные клапаны немного приоткрываются во время такта впуска, что позволяет, горячим выхлопным газам вернуться обратно в цилиндр и повысить температуру впускного воздуха. Это способствует повышению компрессионной температуры, стабилизации воспламенения смеси.

Высокий крутящий момент, снижение токсичности выхлопных газов, улучшенная топливная экономичность с двухступенчатым турбонаддувом.

Само собой разумеется, что турбокомпрессоры в значительной степени способствуют высокому крутящему моменту дизеля, но они также необходимы для сокращения выбросов и расхода топлива. SKYACTIV-D использует двухступенчатый турбокомпрессор, в котором одна маленькая и одна большая турбины вступают в работу выборочно, согласно условиям вождения. Эта технология обеспечивает высокий крутящий момент и отклик на низких оборотах, высокую мощность на повышенных оборотах двигателя. Кроме того, благодаря синергетическому эффекту от низкой степени сжатия и своевременного оптимального сгорания, осуществляется снижение выбросов NOx и сажи, поскольку обеспечивается необходимое для этого количество воздуха (кислорода).

SKYACTIV-DRIVE

Новая генерация высокотехнологичных автоматических трансмиссий, обеспечивающих превосходную эффективность в передаче крутящего момента за счет широкого диапазона применения блокировки гидротрансформатора и объединяющая лучшие характеристики всех типов трансмиссий.

Отличительные черты SKYACYIVE-DRIVE

• Объединяет преимущества обыкновенных автоматических коробок передач (Step AT), коробок вариаторного типа (CVT) и механических коробок с двойным сцеплением (DCT).

• Поразительно широкий диапазон применения блокировки гидротрансформатора, улучшающего эффективность передачи крутящего момента и дающего чувство прямого управления автомобилем с механической коробкой передач.

• От 4 до 7 процентов улучшения топливной экономичности по сравнению с обычными Step AT.

Все преимущества обыкновенных Step AT, CVT и DCT в одной коробке.

Автоматические коробки передач (AT) можно разделить на три типа:

• Обычные-АТ: устанавливают различные передаточные числа при помощи планетарного редуктора.
• CVT: изменяют передаточное число при помощи пары шкивов.
• DCT: используют 2 отдельных муфты сцепления для четных и нечетных рядов передач.

Основные требованиями к АТ являются: "хорошая экономия топлива", "легкость трогания с места" (в том числе при преодолении подъема), "чувство прямого управления" и "плавное переключение". Приведенная ниже таблица показывает недостатки и преимущества каждого типа коробок.

SKYACTIV-Drive является идеалом, со всеми преимуществами различных типов трансмиссий: 

Экономия топлива и чувство прямого управления с широкодиапазонной блокировкой гидротрансформатора.
Гидротрансформатор передает мощность двигателя в трансмиссию через жидкость, что обеспечивает плавное трогание автомобиля с места и последующее переключение передач. Недостатком является ухудшение экономии топлива из-за потерь мощности при передаче крутящего момента через жидкость и проскальзывания турбины во время быстрого ускорения, что не позволяет скорости автомобиля оставаться пропорциональной оборотам двигателя. Таким образом, был разработан гидротрансформатор с блокирующей муфтой, которая без проскальзывания соединяет турбину гидротрансформатора с насосным колесом, что позволяет улучшить топливную экономичность и привнести чувство прямого управления автомобилем. Для качественного улучшения этих характеристик, остающихся проблемными для Step AT (Рис.2), необходимо диапазон блокировок сделать максимальным. Однако, чтобы это осуществить, было необходимо обеспечить требования по NVH (шум, вибрация) и надежности сцепления.

Проведя обширный анализ, Мазда (Mazda) преодолела NVH путем доработки двигателя, его опор, выхлопной системы, кузова и системы контроля АТ, как и самой ее конструкции. Кроме того, быстродействие муфты и точный контроль ее блокировки обеспечивают надежность работы SKYACYIVE-DRIVE, предотвращая перегрев из-за проскальзывания.

SKYACTIV-МТ 

Легкая и компактная механическая коробка передач следующего поколения с четким и легким включением передач, как у спортивного автомобиля, оптимизирована для переднего расположения двигателя на переднеприводных  автомобилях.

Отличительные черты SKYACTIV-МТ:

• Короткий ход и легкое включение передач.
• Значительное уменьшение размера и веса, благодаря изменениям конструкции.
• Более эффективная компоновка на автомобиле, благодаря своим компактным размерам.
• Улучшенная экономия топлива за счет снижения механических потерь от трения.

SKYACTIV-Body

Кузов нового поколения, легкий, высокопрочный с отменным качеством безопасности при столкновении и высокой жесткостью на кручение для большего удовольствия от вождения.

Отличительные черты SKYACTIV-Body: 

• Снижение веса благодаря оптимизации методов сборки и расширения использования высокопрочной стали.

• Высокая жесткость и легкость (на 8 процентов легче, на 30 процентов более жесткий).

• Превосходные качества безопасности при столкновении.

• Применение концепции «спрямления», реализующей максимально возможное спрямление пространственно изогнутых элементов конструкции кузова в сочетании с «непрерывностью конфигурации», для создания кузова, в котором функции каждой секции скоординированы с функциями других сочлененных с ней секций.

• Четыре замкнутые, кольцевые структуры верхней части, повышающие жесткость кузова.

• Структура кузова с мультинаправленным распределением энергии столкновения.

SKYACTIV-Chassis 

Шасси нового поколения, высокофункциональное и легкое, с отличным балансом превосходного управления и комфортной езды, доставляющее удовольствие от вождения.

Отличительные черты SKYACTIV-Chassis: 

• Вновь разработанные передние стойки амортизаторов и задняя подвеска MultiLink обеспечивают высокую жесткость и легкость (всего шасси на 14 процентов легче, чем предыдущая версия).

• Среднескоростная маневренность и высокоскоростная стабильность повышают качество езды на любых скоростях, что достигнуто за счет пересмотра функционального расположения всех элементов подвески и рулевого управления.