Autoforum

/

Foto: Mazda, koláž Autoforum.cz

Nejspíše už víte, že Japonci jako první zlomili prokletí vznětového motoru na benzin a odhalili revoluční SkyActiv-X. Proč ale a kdy používá díly jako svíčky či kompresor?

Snad žádná jiná technologie poslední doby nevzbudila takové pozdvižení jako nový motor SkyActiv-X od Mazdy. Japonská automobilka jako první dokázala zkombinovat dva navzájem neslučitelné světy, a sice zapalování pomocí klasických svíček, která je typická pro benzinové motory, a technologii samovznícení, na níž jsou založeny diesely. Náš přítel Jason Fenske z Engineering Explained dostal příležitost důkladně se jí podívat na zoubek v americkém vývojovém středisku Mazdy a popsal to, co dosud nikdo před ním.

Své vyprávění přitom začíná u konstatování, že v podstatě nikdo jiný než Mazda nemohl hozenou rukavici pozdvihnout. Japonská automobilka již pět let za sebou vítězí ve vcelku realistických testech spotřeby prováděných americkou agenturou EPA. Více než působivé přitom je, že Mazda na rozdíl od konkurence nepotřebuje elektrifikované či přeplňované jednotky, dosud jí k překonání zbytku světa stačily dobře vyvinuté atmosférické jednotky.

Z posledních dat už ovšem bylo zřejmé, že Hyundai začíná Mazdě dýchat na záda. Bez dalšího vývoje by tedy automobilka začala o svou těžce dobytou pozici přicházet. Proto zapracovala nejen na nové generaci klasických benzinových a dieselových motorů, ale zároveň se rozhodla tyto dva světy propojit. Nešla ovšem cestou homogenního plnění spalovací komory HCCI, kdy ke vznícení směsi dochází za pomoci komprese.

Místo toho Japonci vyyvinuli novou technologií SPCCI, kdy jsou klasické svíčky využívány za všech okolností. Ta má několik specifik, která u jiných benzínových motorů nenajdeme. První je nezvykle vysoký kompresním poměrem 16:1. Teoreticky platí, že se zvyšujícím se kompresním poměrem roste efektivita motoru a také jeho okamžitý točivý moment. V praxi ale od určité úrovně dochází k opaku. Děje se to v okamžiku, kdy místo kontrolovaných zážehů a tedy vývinu špičkového tlaku ve spalovací komoře v pravý okamžik dochází k nekontrolovaným samozápalům.

Výrobci motorů tak musí hledat kompromis mezi výkonem a zabráněním nekontrolovaných vznětů, které motor ničí. V tom je síla nové technologie, ona umí tyto vzněty kontrolovat a tím i využít jejich výhody. S tímto souvisí i oktanové číslo spalovaného motoru. V USA jsou prodávány benzíny s trochu nižšími oktanovými čísly, než u nás a prozatím jsme zvyklí, že čím vyšší toto číslo je, tím lépe. U SkyActiv-X je to naopak. Ideálem by bylo 85 RON, který běžně není k dostání ani v USA, kompromisem pak 91 RON, který je pro změnu raritou i v Evropě.

Spolu s vysokým kompresním poměrem je využíváno spalování chudé směsi. V jejím případě se hovoří o vysoké produkci NOx, jenže ono to není pravda. Chudá směs hoří při nižších teplotách a umožňuje efektivnější využití tepla vyprodukovaného spalováním. Jak ukazuje i graf níže, při stechiometrickém poměru 14,7:1 je teplota spalování a tím i produkce NOx nejvyšší. S rostoucím poměrem vzduch/palivo teplota i produkce NOy klesá. Přebytečný vzduch, který u tohoto motoru zajišťuje kompresor, ve válci navíc absorbuje teplo a mění ho na tlak, což zvyšuje efektivitu.

Pomiňme teď popis toho, jak Mazda dosahuje vznícení extrémně chudé směsi, tomu jsme se podrobně věnovali v minulé stati, zajímavější bude pohled na samotné fungování motoru a jeho kontrolní mechanismy. Zde se musíme vrátit na počátek a připomenout si, jak vlastně pístový spalovací motor funguje. Jeho podstatou je prudké zvýšení tlaku v pravý okamžik, těsně po horní úvrati tak, aby byl jeho působením stlačen píst a tím vykonána mechanická práce. Zvýšení tlaku zajišťuje hoření paliva, které probíhá různě v závislosti na použitém palivu.

U benzínových motorů směs postupně prohořívá od svíčky k okrajům válců, což způsobuje pomalý a relativně dlouhotrvající nárůst tlaku. Proto bývá směs zapalována již před horní úvratí tak, aby se maximum shodovalo s horní polohou pístu. U dieselů je hoření rychlejší, dochází k němu v celém objemu spalovací komory najednou. Proto jsou diesely efektivnější, protože je tepelná energie získána v daleko kratším okamžiku a zvýšený tlak může na píst působit po delší dobu než při postupném prohořívání probíhajícím při pohybu pístu k dolní úvrati.

SPCCI kombinuje tyto dva jevy. Nejdříve svíčka zapálí oblast bohatší směsi na vrcholu spalovací kontroly, což tam zásadně zvýší tlak a dojde ke vznětu a okamžitému prohoření směsi ve zbytku komory. Stejně jako v případě dieselů to vede k vyšší efektivitě a vyššímu točivému momentu. Jak ale zaručit, že se to opravdu bude dít ve správný okamžik?

Zde se dostáváme k jádru pudla, kterým je nový senzor umístěný tam, kde obvykle nacházíme svíčku, na vrcholu spalovací kontroly. Tento senzor kontinuálně monitoruje tlak ve válcích a v reálném čase poskytuje řídicí jednotce informace o tom, co se tam děje. Management pak může okamžitě reagovat na změny způsobené zatížením, otáčkami, kvalitou paliva, atmosférickými podmínkami a dalšími faktory, které chování směsi a její schopnost hořet ovlivňují. Za různých podmínek bude totiž trvat různě dlouho, než u chudé směsi ve válci nastanou takové podmínky, aby se vznítila. Okamžik zážehu tak musí být kontinuálně posunován.

Mazda tímto velmi komplikovaným způsobem dosáhla očekávatelného výsledku, tedy zvýšené efektivity a tím i nízké spotřeby paliva. Spolu s ní ale přichází překvapení. Zkušenosti ze současnými auty naznačují, že buď jsou úsporné nebo zábavné, nikdy ne současně. SkyActiv-X ale dokáže v režimu SPCCI pracovat v daleko širší rozsahu otáček a zatížení, Mazda tak může použít daleko kratší převody, než jaké jsou dnes běžné. To znamená, že nám při zachování úsporného provozu může nabídnout živé reakce na plyn a slušnou využitelnost dostupného výkonu.

Nezní to ještě lépe než dosud? Nemůžeme se dočkat, až v praxi poznáme auto s hotovým SkyActivem-X, zatím bylo možné projet jen ne úplně ideálně doladěné prototypy...

Záběry samotného motoru a grafika Mazdy též prozradí dost

Petr Prokopec