Sommaren 2017 gjorde Mazda ett tillkännagivande:Bilföretaget hittade ett sätt att tillverka bensinmotorer med kompressionständning för personbilar. Mazda hävdade att dess nya motor kunde förbättra bränsleekonomin med 20 till 30 procent, vilket är en betydande prestation för en bensinmotor.
Innan du tar ett dyk in i den här tekniken är det värt att notera att kompressionständningsmotorn inte är ett nytt koncept. Formel 1-bilar använder kompressionständningsmotorer, och flera andra biltillverkare har försökt utveckla en kommersiellt gångbar version för personbilar. Men Mazdas motor, kallad Skyactiv-X, kommer att bli den första masstillverkade och kommersiellt tillgängliga motorn av denna typ. Tack vare Jay Chen, en drivlinsingenjör hos Mazda, kunde HowStuffWorks lära sig hur detta genombrott uppnåddes. Först måste vi dock ta en titt på en motors grundläggande funktioner.
En motor fungerar genom att tända bränsle på två sätt:värme och kompression. Motorer med gnisttändning finns i de flesta bensinbilar. I dessa typer av motorer eldar tändstiften för att antända bränsle i förbränningskammaren, samtidigt som bränsle- och luftblandningen komprimeras. Detta är en mycket förenklad version av processen, naturligtvis, bara för att illustrera den huvudsakliga skillnaden mellan de två motortyperna. Gnisttändningsmotorer följer en cykel och kräver exakt timing för att fungera, men är i allmänhet tillförlitliga under en mängd olika förhållanden [källa:Knight].
Motorer med kompressionständning fungerar mer som dieselmotorer. Dieslar är designade för mycket högre kompression (vilket kräver tyngre komponenter och starkare konstruktion) och använder glödstift som värmekälla snarare än tändstift. Glödstift värmer upp kompressionskammaren, vilket i sin tur ökar kompressionen i kammaren. När bränslet läggs till kammaren, sprutas det över spetsen av glödstiftet, men processen är beroende av kompressionen mer än kontakten mellan bränslet och pluggen. Bristen på "gnista" hjälper dieselmotorer att uppnå högre EPA-betyg än bensinmotorer med annars liknande specifikationer [källa:Stewart].
Om vi fokuserar på gas, kanske du undrar, vad är poängen med att förklara hur en dieselmotor fungerar? Helt enkelt för att illustrera vikten av kompression. Det bästa sättet att förbättra gasmotorn är att ta reda på hur man kan öka kompressionen, vilket gör att motorn kan använda sin bränsletillförsel mer effektivt.
En bensinmotor med kompressionständning kombinerar de bästa delarna av dessa processer. Motorn är programmerad att fånga in luft (vanligtvis motoravgaser) i motorcylindern genom att justera tidpunkten för avgas- och insugningsventilerna. Bränsleinjektorerna tillför bränsle till detta instängda avgaser, och eftersom den instängda blandningen är under mycket hög kompression, kan den relativt lilla mängden bränsle antändas.
Motorer med kompressionständning kan till och med delas upp i två olika typer [källa:Lindberg].
Den största skillnaden mellan dessa två motorer är punkten i processen där bränslet tillsätts, vilket uppnås genom justeringar av motorernas cykler och timing. Annars fungerar motorerna på liknande sätt; kompressionen är den viktigaste faktorn.
Motorer med kompressionständning har några fördelar och minst lika många nackdelar. Bland dess fördelar är:
"Som en grov liknelse är gnisttändning som att starta en eld genom att tända bara en kant av tidningen och låta lågan gradvis klättra över papperet", förklarar Mazdas drivlinaingenjör Jay Chen, via e-post. "[Kompressionständning] liknar mer spontan förbränning där bränslet och luften har nått kritiskt tryck och temperatur, och hela laddningen ändrar fas samtidigt och därmed frigör all energi på en gång. Genom att frigöra all energi nästan samtidigt, [ kompressionständning] kan utvinna mer kraft (eftersom det sker långt innan expansionsförhållandet är förbrukat) från samma mängd luft samtidigt som man använder två till tre gånger mindre bränsle och vid mycket svalare förbränningstemperaturer, vilket ytterligare minskar slöseri med värmeenergi och bildning av utsläpp. ."
Låter bra, eller hur? Problemet är att dessa motorer är riktigt petiga - om de var lätta att designa och använda, skulle vi köra dem vid det här laget. Även om du inte är bekant med dieselmotorer, kanske du har hört att de kan vara obekväma under suboptimala förhållanden. En del av det beror på själva dieselbränslet som har en tendens att "gela" i mycket kalla temperaturer. Vi har inte det problemet med bensin, som förblir flytande även under frysförhållanden. Men kompressionständning kan fortfarande påverkas av vädret och andra omgivningsförhållanden, såväl som andra faktorer som bränslets kvalitet.
"Hittills har förbränningsmotorer med kompressionständning endast funnits under stabila laboratorieförhållanden eller i prototyper av råfordon som är för grova för att användas i produktionen", säger Chen.
Med andra ord, om trycket och temperaturen i cylindrarna inte upprätthålls noggrant, kommer processen inte att fungera. Temperaturer som är för kalla kan skada motorns känsliga komponenter. Om motorn blir för varm kan den börja knacka - ett tillstånd som uppstår när bränsle-luftblandningen blir för varm och detonerar vid fel tidpunkt, vilket slösar bränsle och resulterar i en dåligtgående motor. En motor med gnisttändning kan också bli för kall eller för varm, men har en mycket högre felmarginal.
Att få en motor med kompressionständning att fungera tillförlitligt beror på en exakt kombination av luft, bränsle och avgaser blandade i det perfekta förhållandet, vid perfekt kompression, med precis rätt mängd värme som appliceras vid rätt tidpunkt. Som vi vet har ingen kunnat bygga en bil med en gasmotor med kompressionständning, så denna process behövde förfinas ytterligare.
Kort efter Mazdas tillkännagivande började bilindustrins experter spekulera i om en massmarknadsmotor med kompressionständning kunde "rädda" gasmotorer. Det vill säga, när industrin går mer mot hybrid- och elteknik, kan denna gasmotor vara tillräckligt effektiv för att vara en livskraftig utmanare?
Chen säger att Mazda är motiverad av tron att "genom att pressa ut varje bit av effektivitet ur förbränningsmotorn (i kombination med elektrifiering när förbränningsmotorn väl är fulländad), kan vi leverera en metod för att driva bilen långt in i detta århundrade som har potential att generera samma eller mindre CO2-utsläpp som är "bran att rulla" som rena batteridrivna elfordon som drivs från fossilbränslebaserade kraftverk av olika former."
Mazda menar med andra ord att med fortsatt innovation kan en bil som drivs av en gasmotor vara minst lika effektiv som en elbil, och möjligen ännu mer. Låt oss ta en titt på hur detta genombrott inom kompressionständningsteknik skiljer sig från de som kom före det.
2007 körde Motor Trend en Saturn Aura som drivs av en kompressionständningsmotor, som uppnådde en minskning av bränsleförbrukningen med 15 procent jämfört med en vanlig Aura [källa:Markus]. Vid den tiden förväntade GM släppa ett fordon med en motor med kompressionständning 2015, men varumärket Saturn lades ner bara några år senare, och GM flyttade gradvis sitt fokus till el- och plug-in-hybridfordon som t.ex. Chevrolet Volt.
Ungefär samtidigt arbetade Mercedes-Benz på ett kompressionständningssystem som heter DiesOtto, och Ford hade också ett projekt under utveckling [källa:Estrada]. Ingen av dessa motorer fick dock grönt ljus för produktion, och Hyundais erfarenhet kan hjälpa till att förklara varför [källa:Markus].
Bortsett från Mazda har Hyundai förmodligen gjort mest framsteg, med ansträngningar som först kom fram runt 2013 [källa:Markus]. Företaget designade sin version av en motor med kompressionständning utan tändstift eller glödstift, med ett mål för lanseringsdatum 2023.
Trots lovande framsteg avslöjade Hyundai 2016 att motorkomponenterna helt enkelt inte var starka nog att klara av den kompression som krävs för att processen ska fungera. Starkare motorkomponenter, nämligen block, vev och lager, kan naturligtvis utformas; det är så dieselmotorer fungerar. Det är bara väldigt dyrt, och de starkare komponenterna lägger vikt på bilen och minskar dess totala effektivitet. Hyundai hade hela tiden planerat att använda en turboladdare för att öka kraften och bibehålla den nödvändiga kompressionen, men de upptäckte att de också skulle behöva en kompressor, vilket ytterligare sprängde budgeten. Och slutligen, Hyundai var inte nöjd med mängden föroreningar som produceras av dessa drivlinor. I slutändan blev projektet mycket dyrare och inte alls så rent och effektivt som planerat [källa:Markus].
Mazdas utvecklingsarbete har pågått nästan lika länge som konkurrenterna.
"Skyactiv-X var alltid med i planerna redan innan den första generationen Skyactiv lanserades", förklarar Mazdas ingenjör Chen. "Det första steget i denna färdplan var Mazdas Skyactiv Technology [som] introducerades 2009. Den viktigaste förbättringen vid den tiden var tillämpningen av okonventionellt högt motorkompressionsförhållande för att öka den totala motoreffektiviteten såväl som drivlinans prestanda. Detta uppnåddes genom en synergistisk kombination av befintliga tekniker tillämpade tillsammans för att uppnå vad som (tills dess) ansågs vara omöjligt för produktionsmotorer."
I lekmannatermer:"Skyactiv" är termen för Mazdas strategi att öka kompressionen för att öka effektiviteten, och Mazda var tvungen att mixtra lite för att få den kommande Skyactiv-X att fungera. Som ett resultat av det mixtrandet lade Mazda till ett tändstift i blandningen, så att motorn kan växla mellan kompression och gnisttändning beroende på vad som är mest effektivt just då. Det här kan låta som att det strider mot grunderna för högkompressionsmotorteknik, men Chen säger att det fungerar.
"Detta genombrott, som vi kallar gnistkontrollerad kompressionständning (SPCCI), utökade avsevärt det användbara utbudet av kompressionständning och kontroll samt gav lösningen för en sömlös övergång mellan CI [kompressionständning] och SI [gnisttändning] förbränningslägen som används vid höga motorvarvtal (i fallet med Skyactiv-X), säger Chen.
Enkelt uttryckt är tändstiftet den magiska ingrediensen som gör att motorn kan gå smidigt och anpassa sig efter olika förhållanden, och den kommer bara att användas när det är absolut nödvändigt. Mazdas motor är utformad för att övervaka sig själv och justera dess funktion baserat på faktorer som nuvarande miljöförhållanden, hur bilen körs och förarens preferenser och inställningar [källa:Estrada].
Efter att Mazda kom på denna idé tog det ytterligare två år att utveckla motorn, under vilken tid ett annat viktigt beslut togs. Fordon utrustade med Skyactiv-X-motorer kommer att ha kompressorer för att öka hästkraftsspecifikationerna, vilket kommer att förbättra kördynamiken och hjälpa till att övertyga potentiella köpare att ta chansen med denna nya teknik [källa:Estrada].
Den sista stora frågan - när kan förare förvänta sig att se det? En talesperson för Mazda säger att företaget ännu inte kan avslöja vilka fordon som först kommer att vara utrustade med Skyactiv-X-motorn eller när de kommer att vara tillgängliga. Vi vet inte heller om fordon som drivs med kompressionständningsmotorer kommer att kosta mer än jämförbara fordon med gnisttändningsmotorer. Det är dock säkert att spekulera i att även om Mazda kommer att vara först på marknaden med denna teknik, är det nästan säkert att andra tillverkare kommer att följa efter.
Till skillnad från många av mina kollegor är jag inte särskilt orolig över att "rädda bensinmotorer", även om det förmodligen skulle hjälpa till med anställningstryggheten. Jag kanske borde vara lite mer självisk om det, men jag bestämde mig för att skriva om kompressionständningsmotorn helt enkelt för att jag är fascinerad av alla innovationer som kan bidra till att göra en bil mer effektiv.
Av den anledningen — hållbarhet i allmänhet — är jag sugen på att provköra ett fordon med en motor med kompressionständning så fort de är tillgängliga. Precis som hybrider och el tror jag att det kommer att bli mycket samtal om huruvida dessa fordon är tillräckligt kraftfulla eller inte. Ärligt talat, jag misstänker att den genomsnittliga personen inte kommer att kunna se skillnad. Det finns många sätt att göra en bil intressant att köra förutom att bara göra den så kraftfull som möjligt, och det är ett område där Mazda utmärker sig.
