Модель Mazda с давних пор выделялась своим нестандартным подходом к конструктивным решениям. Она оставалась единственной на рынке, которая длительное время массово выпускала автомобили с роторными двигателями. Но когда пришло время для очередного этапа усовершенствования привычных поршневых моторов, компания решила выбрать свой собственный путь.
На данный момент инженерам в автомобильной индустрии стоит одна глобальная задача — добиться одновременного повышения мощности и эффективности работы двигателя, а также обеспечить соответствие строгим экологическим стандартам Евро?6. В европейской практике это зачастую реализуется за счёт малокубатурных двигателей с турбонаддувом.
Однако Mazda отклонила концепцию даунсайзинга, посчитав, что использование наддува, интеркулеров и сложных трубопроводов увеличивает стоимость оборудования, тогда как преимущества малых объёмов моторов ощущаются не столь ярко. Вслед за этим она приняла смелое решение — продолжить производство полноразмерных атмосферных двигателей, только усилив контроль над степенью сжатия (СЖ).
Так появилась новая серия силовых агрегатов — Skyactiv. Первый и наиболее яркий пример — бензиновый двухлитровый мотор и дизельный 2,2?литровый турбодизель, оба с одинаковой степенью сжатия — 14. Этот показатель значительно отличается как для бензиновых (обычно 10–12), так и для дизельных двигателей (обычно 16–18,5).
Степень сжатия — это соотношение объемов над поршнем (цилиндра и камеры сгорания) при нижней мёртвой точке к объему камеры при верхней мёртвой точке. Этот показатель показывает, во сколько раз сжимается топливо-воздушная смесь внутри цилиндра. Чем выше степень сжатия, тем выше термический КПД двигателя и его мощность.
ПОД ДАВЛЕНИЕМ ОБСТОЯТЕЛЬСТВ
Создавая атмосферный бензиновый мотор Skyactiv-G, инженеры взяли за основу предыдущую модель MZR 2.0 со степенью сжатия 10.0. Увеличение этого показателя до 14 повышает температуру и давление внутри цилиндра в конце такта сжатия — что способствует повышению эффективности и мощности. Вместе с тем, такой режим увеличивает риск детонации — взрывного и неконтролируемого сгорания смеси, которое ведёт к перегреву и поломкам поршней и колец. Поэтому для мотора с высоким СЖ (около 14) характерен высокий октановый показатель топлива — он рассчитан на работу с топливом с высоким октановым числом, стойким к детонации. В конструкцию Skyactiv-G включены многочисленные нововведения, позволяющие мотору спокойно работать на 95?м бензине и снижать механические потери для повышения экономичности.
Защитой от детонации служат ионные датчики, закреплённые внутри катушек зажигания. Главная особенность в том, что именно этот режим работы двигателя — на грани детонации — позволяет добиться наиболее полного и эффективного сгорания топлива. Новые ионные датчики чувствительны и позволяют точнее отслеживать появление детонации в каждом цилиндре, в отличие от классического датчика, который следит за этим процессом в целом по всему блоку. Принцип их работы основан на измерении колебаний ионного тока в зазоре между электродами свечи после воспламенения смеси. В процессе сгорания образуются ионы, делающие среду электропроводной. Датчик посылает напряжение на центральный электрод свечи и фиксирует проходящий ток между ним и заземлённым боковым электродом.
Обновлённая система подачи топлива с непосредственным впрыском создаёт давление до 200 бар, что значительно превышает предыдущие показатели (обычно у моделей Mazda давление было не выше 115 бар). Такой уровень давления обеспечивает правильное формирование смеси, что приводит к более эффективному сгоранию, повышенной мощности и экологической чистоте работы двигателя.
Топливный насос высокого давления (ТНВД), как и прежде, приводится в действие от распредвала, но теперь — от выпускного вала. К нему присоединены форсунки, оборудованные шестью отверстиями для равномерного распыления топлива. Хорошее испарение бензина способствует снижению температуры в камере сгорания и, как результат, уменьшает риск детонации.
В системе выпуска используется коллектор 4-2-1, заимствованный из автоспорта. Его конструкция уменьшает сопротивление выходу газов после сгорания, поскольку классический коллектор со встречными волнами влияет на эффективность удаления выхлопных газов, создавая обратные давления и мешая следующему циклу. В новом коллекторе трубки соединены по иной схеме — более длинные и с особой конфигурацией. Это позволяет удалять выхлопные газы более скоро и с меньшим сопротивлением, а также снижает температуру в камере сгорания, тем самым уменьшая детонацию и повышая мощность мотора.
Для повышения эффективности и уменьшения насосных потерь моторы Mazda используют два режима работы: цикл Аткинсона и классический цикл Отто. Первый применяется при низких нагрузках, когда впускные клапаны закрываются позднее — уже в конце сжатия, а часть воздуха возвращается во впускной коллектор, что уменьшает степень сжатия и снижает насосные потери. В режиме высокой нагрузки — клапаны закрываются раньше, как в обычных моторах, и цилиндры наполняются полностью, достигая уровня сжатия около 14, что обеспечивает высокую мощность и крутящий момент.
Цикл Аткинсона требует наличия вакуумного насоса для работы усилителя тормозов, поскольку при таком режиме снижается создание вакуума во впускном коллекторе. Этот насос приводится от выпускного распределительного вала и совмещён с ТНВД. Ранее такие системы применялись лишь в наддувных моторах, у которых возникали серьёзные проблемы с вакуумом. В новых конструкциях используется две муфты — гидравлическая и электромагнитная, позволяющие автоматически переключать режимы работы, обеспечивая более точное управление фазами газораспределения. Электромагнитная муфта, впервые внедряемая на Mazda, обладает большим диапазоном регулировки и гарантирует более высокую точность в управлении по сравнению с гидравлическими аналогами. Она состоит из электродвигателя, закреплённого на крышке двигателя, и привода, соединённого с распредвалом. При совпадении скоростей электродвигателя и распредвала фазы остаются постоянными, а при необходимости изменения — двигатель ускоряется или замедляется, что меняет угол распредвала относительно звёздочки и влияет на работу клапанов.
Особое внимание уделено вопросам теплового зазора в приводе клапанов — в результате внедрения гидрокомпенсаторов. Чтобы снизить трение, заменили стандартные толкатели на роликовые с игольчатыми подшипниками, а также усилили систему масляных каналов для смазки распредвалов и рокеров.
Для обеспечения стабильной работы гидравлической системы применён насос с регулируемым давлением, что помогает уменьшить гидравлические и механические потери. Инженеры полностью пересмотрели конструкцию движущихся элементов: поршни, шатуны и коленвал были значительно облегчены — там, где раньше использовались чугунные блоки, теперь применяют лёгкий алюминиевый двухчастный блок. Его верхняя и нижняя части связаны по оси коленвала, что уменьшило массу на 10%, а трение — на 30%. В результате снизился расход топлива, уменьшился выброс CO?, а крутящий момент вырос.
Особенность поршней — их днище выпуклой формы с крупной центральной выемкой, что обеспечивает более равномерное и полное сгорание смеси вокруг свечи зажигания. В конструкции блока цилиндров применена двухчастная алюминивая технология, которая, как и у некоторых дизельных двигателей, помогает снизить вес и повысить эффективность. В результате масса двигателя уменьшилась на 10%, а его тратные потери — на 30%, что положительно сказалось на расходе топлива и экологических показателях. Выбросы СО? снизились примерно на 15%, а крутящий момент — увеличился на те же 15%.
Инженеры также внедрили новые технологии охлаждения. Например, система жидкостного охлаждения с улучшенной циркуляцией помогает равномерно распределять тепло, что особенно важно при высоких степенях сжатия и длительных режимах работы. Это снижает риск перегрева и преждевременного износа деталей двигателя.
Для российских рынков мощность всех моторов ограничена по налоговым причинам и составляет максимум 150 л.с., тогда как в Европе аналогичные двигатели способны развивать до 165 сил.
Несмотря на отсутствие наддува, японские инженеры смогли добиться заметных улучшений в характеристиках, хотя и пришлось столкнуться с усиленными нагрузками на конструктивные элементы, поскольку высокий показатель СЖ увеличивает нагрузку, а облегчённые детали — подвержены рискам ослабления.
В НЕВЕСОМОСТИ
Базой для наддувного дизеля Skyactiv-D стал предыдущий турбодизель MZR-CD со степенью сжатия 16,3. С уменьшением этого показателя до 14 существенно снизились внутрицилиндровые температура и давление, что повысило КПД двигателя, однако ухудшилось перемешивание топливовоздушной смеси и её воспламенение при холодном пуске и в процессе прогрева.
Для повышения эффективности и экологической безопасности дизельный мотор получился нестандартным, в том числе за счёт внедрения новых технологий. Одним из таких решений стало использование усовершенствованных керамических свечей предпускового нагрева: они за две секунды прогревают воздух внутри камеры сгорания до 1000 градусов, облегчая запуск двигателя в холодных условиях.
Для стабильного сгорания топлива при прогреве внедрили систему изменения фаз газораспределения — редко встречающийся в дизельных моторах механизм. В привод клапанов, аналогичный бензиновым агрегатам, добавили механизм переменного хода, позволяющий слегка приоткрывать один из выпускных клапанов в каждом цилиндре на такте впуска. В результате часть горячих выхлопных газов возвращается обратно в цилиндр, повышая температуру внутри и улучшая процесс распыления. Это, в свою очередь, обеспечивает стабильное и полное сгорание топлива даже при холодном пуске и снижает выбросы вредных веществ.
Система переменного хода клапанов включает в себя рокер с двумя рычагами (внешним и внутренним) и кулачок распредвала с двумя профилями – высоким и низким. Внешний рычаг взаимодействует с высоким профилем, а внутренний – с низким. Это обеспечивает стандартное открытие клапана в процессе выпуска и частичное открытие в процессе впуска. Внутренний рычаг прикреплен к внешнему и может наклоняться относительно него. Встроенный в рокер гидравлический стопор позволяет фиксировать это движение. При отсутствии блокировки внутренний рычаг, взаимодействуя с низким кулачком, просто перемещается внутри внешнего рычага, не вызывая дополнительного открытия клапана. Когда стопор активирован, внутренний рычаг тянет за собой внешний, что приводит к дополнительному открытию клапана.
Качество образования смеси в цилиндре также улучшилось благодаря высокой точности работы топливных форсунок. В турбодизеле это зависит от давления в обратной магистрали, которая возвращает солярку в бак. Для поддержания стабильного высокого давления в систему был введен специальный блок клапанов, который управляет подачей топлива в ТНВД и соединяет все обратные магистрали.
Двигатель оснастили двумя турбокомпрессорами, которые находятся в одном корпусе. Малая и большая турбины расположены последовательно, что позволяет использовать их преимущества. Малый турбокомпрессор (турбина высокого давления) быстро реагирует и обеспечивает высокое давление наддува на низких оборотах, в то время как большой (турбина низкого давления) – на высоких. Управление работой этого узла осуществляется «мозгом» с помощью трех клапанов.
Сниженная степень сжатия значительно уменьшила нагрузки на двигатель и снизила насосные потери. В результате инженеры смогли облегчить конструкцию турбодизеля, сделав его алюминиевым с разборным блоком цилиндров. Изменения в кривошипно-шатунном механизме более значительные: инженеры отказались от смещения поршневого пальца и сместили ось коленвала относительно оси цилиндра. Это решение позволило одновременно снизить боковое усилие на поршне в процессе рабочего хода и сохранить эффект смещения пальца, что уменьшает перекладку поршня при прохождении ВМТ. Головка блока теперь включает интегрированный выпускной коллектор, что не только уменьшает размеры и массу двигателя, но и ускоряет прогрев нейтрализатора.
Новый турбодизель стал на 10% легче и на 20% экономичнее своего предшественника. Хотя максимальная мощность и крутящий момент не увеличились, удалось соответствовать строгим нормам Евро-6 без усложнения системы нейтрализации.
В общем, ситуация с новым дизелем выглядит более оптимистично по сравнению с бензиновым двигателем. Он стал сложнее, но при этом был облегчён, а снижение степени сжатия значительно уменьшило нагрузки на все компоненты.
ЛЕГКО В БОЮ
Модели Mazda с бензиновыми моторами Skyactiv уже почти три года доступны на российском рынке и, что удивительно, пока не столкнулись с серьезными проблемами. В начале были зафиксированы случаи замены масляных насосов, которые не обеспечивали максимальную производительность, что в первую очередь влияло на работу гидравлической муфты изменяемых фаз на выпускном валу.
Затем возникли случаи «даблстартов», о которых мы подробно писали ранее. В настоящее время зарегистрированы несколько случаев износа кулачков впускного распредвала, что приводит к увеличению шумности двигателя. Однако все эти случаи можно считать скорее исключениями, подтверждающими правило: моторы Skyactiv достаточно надежны.
Что касается турбодизелей, то серьезной статистики пока нет, так как их продажи начались чуть больше года назад, и спрос на них невелик. Можно предположить, что с ними также не возникнет множества проблем, поскольку нагрузки значительно снижены. Не вызывает опасений и бензиновый Skyactiv-G объемом 2,5 литра, так как степень сжатия в нем уменьшена до 13.
Кроме того, стоит отметить, что Mazda активно работает над улучшением своих технологий, что позволяет повышать надежность и эффективность двигателей. Например, система управления двигателем Skyactiv использует современные алгоритмы, которые оптимизируют подачу топлива и зажигание, что способствует снижению расхода топлива и уменьшению выбросов вредных веществ.
Также стоит упомянуть, что регулярное техническое обслуживание и использование качественного топлива могут значительно продлить срок службы моторов Skyactiv. Владельцам рекомендуется следить за состоянием фильтров и масла, а также проводить диагностику системы зажигания и впуска, чтобы избежать потенциальных проблем в будущем.
ДИЗЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ
Степень сжатия играет важную роль в работе дизеля, влияя на задержку самовоспламенения. После впрыска топливу необходимо время для распыления и смешивания с воздухом. Для достижения высокого КПД важно, чтобы смесь начинала гореть как можно ближе к верхней мертвой точке поршня (ВМТ). Это означает, что впрыск должен происходить заранее, чтобы вся энергия расширяющихся газов при сгорании могла быть использована для перемещения поршня вниз.
В моторах с высокой степенью сжатия давление и температура в ВМТ очень высоки. Ранний впрыск может привести к спонтанному воспламенению смеси до ее полного смешивания, что вызывает неравномерное и «шумное» сгорание с повышенными выбросами и противодавлением на поршень. Поэтому в таких двигателях впрыск осуществляется позже, что приводит к сгоранию после прохождения ВМТ, когда поршень уже движется вниз, и часть тепловой энергии теряется.
В турбодизеле Skyactiv-D с низкой степенью сжатия давление и температура ниже, что позволяет осуществлять более ранний впрыск. Сгорание смеси происходит более длительно и эффективно даже близко к ВМТ, что приводит к повышению КПД и улучшению экологических показателей двигателя.
Благодарим техцентр «Мэйджор Авто» (18?й км МКАД) за помощь в подготовке материала.
ТЕХНОЛОГИИ УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕМ
Также стоит отметить систему изменения фаз газораспределения, которая оптимизирует работу мотора на различных режимах. Эта технология позволяет улучшить отклик на акселератор и повысить мощность при низких оборотах.
Важным аспектом является управление температурой в камере сгорания. Использование термостатов и систем охлаждения позволяет поддерживать оптимальный температурный режим, что способствует более полному сгоранию топлива и снижению образования вредных веществ.
Современные электронные блоки управления (ЭБУ) анализируют данные с различных датчиков, таких как датчики кислорода и давления, что позволяет адаптировать работу мотора в реальном времени. Это обеспечивает стабильную работу в различных условиях эксплуатации.
Кроме того, инновационные системы рекуперации энергии позволяют использовать энергию, которая обычно теряется, например, при торможении. Это не только увеличивает общую эффективность, но и снижает нагрузку на двигатель.
Внедрение интеллектуальных алгоритмов управления, основанных на машинном обучении, открывает новые горизонты для оптимизации работы моторов. Эти алгоритмы способны предсказывать потребности в мощности и адаптироваться к стилю вождения, что делает управление более гибким и экономичным.
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
Разработанные системы с высокой степенью сжатия топлива и управляемостью?? позволяют обеспечить снижение расхода топлива до 15% по сравнению с предшественниками, при этом повышая динамические характеристики.
Внедрение новых технологий в производственный процесс способствует снижению себестоимости сборки и уменьшению веса конечного продукта до 10%, что положительно сказывается на энергопотреблении в целом.
Исследовательские центры сосредотачиваются на оптимизации процессов сгорания за счет расширения диапазона рабочих температур и давления, что ведет к повышению надежности и долговечности элементов двигателя.
Планируются масштабные испытания новых материалов, устойчивых к высоким температурам и коррозии, что увеличит срок службы агрегатов и снизит количество технического обслуживания.
Вектор развития направлен на интеграцию систем регулировки в реальном времени, что обеспечивает более точную адаптацию к условиям эксплуатации, повышая экономичность и экологичность транспортных средств.
Будущие исследования предполагают использование альтернативных источников энергии и комбинированных решений, где силовые установки получают энергию из нескольких источников для повышения эффективности эксплуатации.
Разработчики сосредоточены на создании платформ, позволяющих легко масштабировать и адаптировать силовые системы под разные типы транспортных средств и условий эксплуатации, что расширяет коммерческие возможности и ускоряет внедрение новых решений на рынке.
СРАВНЕНИЕ С КОНКУРЕНТАМИ
В отличие от традиционных силовых установок, отечественные решения показывают большие преимущества по части топливной экономичности. Например, средний расход топлива у конкурентов составляет около 8,5 л/100 км, тогда как агрегаты новой серии – не выше 6,2 л/100 км при аналогичных условиях эксплуатации.
Технические показатели по мощности и крутильному моменту в большинстве случаев превышают среднестатистические характеристики конкурентов на 10–15%. Это достигается за счет применения передовых технологий сжатия и оптимизации системы подачи топлива.
Критерии надежности и долговечности демонстрируют преимущество за счет увеличенного межсервисного интервала – до 30 тысяч километров против 20 тысяч у аналогичных моделей конкурентов. Такой показатель сокращает расходы на техническое обслуживание и повышает эксплуатационную эффективность.
Анализ эксплуатационных характеристик показывает, что новые решения значительно снижают выбросы вредных веществ, что способствует соблюдению экологических стандартов на европейском рынке. В то же время, показатели шумового дискомфорта у конкурентов превышают допустимые нормы на 10 дБ, что свидетельствует о меньшей шумоизоляции дизельных систем.
Рекомендуется учитывать показательные данные по динамике разгона: модели с технологией последнего поколения достигают 100 км/ч за 9,4 секунды, что на 1,2 секунды быстрее конкурентов. Это важно для тех, кто ценит эффективность и комфорт в процессе эксплуатации.
