Все про моторах Скайактів - надійність, проблеми і ресурс двигунів Mazda Skyactiv - журнал За кермом

1. Двигуни Skyactiv фірми Mazda: примха чи прорив? Вивчаємо конструкцію агрегатів нової хвилі. Матеріали...
2. У НЕВАГОМОСТІ
3. ЛЕГКО В БОЮ
4. ДИЗЕЛЬНИЙ ЕФЕКТ

Двигуни Skyactiv фірми Mazda: примха чи прорив? Вивчаємо конструкцію агрегатів нової хвилі.

Матеріали по темі

Mazda завжди відрізнялася нестандартними конструкторськими рішеннями. Вона єдина довгий час серійно виробляла машини з роторними моторами. А коли настав черговий етап вдосконалення звичних поршневих двигунів, знову пішла своєю дорогою.

Перед мотористами всіх компаній нині стоїть одне завдання: підвищити одночасно віддачу і економічність двигунів, вписавши їх в жорсткі екологічні норми Євро-6. Рецепт європейських інженерів - малооб'ємні двигуни з наддувом.

Ідею даунсайзінг Mazda відкинула - мовляв, всі ці наддувом, інтеркулери, трубопроводи занадто дорогі, а радості від малокубатурних моторів небагато. І знову вирішила піти своїм, суто японським шляхом - зберегти «повнорозмірні» атмосферники, але пограти зі ступенем стиснення (СЖ).

Так на світ з'явилося нове сімейство двигунів - Skyactiv. Два первістка влаштувалися на кросовері СХ-5: бензиновий дволітровий двигун і турбодизель об'ємом 2,2 л. Обидва мають однаковий ступінь стиснення - 14. Це дуже багато для бензинового мотора (зазвичай 10-12) і дуже мало для дизельного (зазвичай 16-18,5).

Ступінь стиснення - це відношення обсягу простору над поршнем в його нижній мертвій точці (обсяг циліндра і камери згоряння) до обсягу простору над ним в його верхній мертвій точці (обсяг камери згоряння). Ступінь стиснення показує, у скільки разів стискається топливовоздушная суміш в циліндрі. Від цього параметра залежать термічний ККД двигуна і його потужність.

ПІД ТИСКОМ ОБСТАВИН

при будівництві бензинового атмосферника Skyactiv-G за основу був узятий попередник MZR 2.0 зі ступенем стиснення 10,0. Збільшення СЖ підвищує температуру і тиск в циліндрі наприкінці такту стиснення. Це обіцяє більш високі ККД і потужність, але одночасно і сильну схильність до детонації - вибухового згоряння паливоповітряної суміші, що призводить до перегріву і руйнування кілець і поршнів. СЖ, близька до 14, більше характерна для високофорсованих спортивних моторів, що працюють на паливі з високим октановим числом, стійким до детонації. У конструкцію Skyactiv-G внесли масу нововведень, щоб він міг безболісно перетравлювати звичайний 95-й бензин і попрацювали над зниженням механічних втрат заради поліпшення економічності.

Уберегти двигун від детонації покликані іонні датчики, вбудовані в котушки запалювання. Вся сіль в тому, що робота мотора саме на межі детонації і забезпечує максимально ефективне згорання суміші . Іонні датчики більш чутливі і дозволяють краще контролювати момент появи детонації в кожному циліндрі - а до цього за нею стежив лише один традиційний страж, встановлений в блоці. Новий датчик відстежує детонацію по коливаннях іонного струму в зазорі між електродами свічки після займання суміші. При її згорянні утворюються іони, які роблять середу токопроводящей. Датчик подає напругу на центральний електрод свічки і заміряє струм, що проходить між ним і заземленим боковим електродом.

Оновлена ​​паливна система з безпосереднім уприскуванням забезпечує тиск до 200 бар! З підвищенням тиску в циліндрі це стало необхідним для правильного утворення суміші (раніше Mazda застосовувала безпосереднє уприскування в основному для наддувних моторів, але тиск не перевищував 115 бар). На виході таке рішення дає ефективне згорання, тобто високу потужність, економічність і екологічність двигуна.

Як і раніше, ТНВД (паливний насос високого тиску) має привід від розподільного, але на цей раз від випускного. Доповнюють його форсунки з шістьма отворами (для кращого розпилення палива). При хорошому випаровуванні бензин ще і збиває температуру в камері згоряння, а це теж знижує ймовірність виникнення детонації.

Система випуску оснащена колектором 4-2-1, які прийшли з автоспорту. Його конфігурація знижує опір при виході відпрацьованих газів (ОГ) з циліндрів. У звичайному колекторі хвиля ОГ з одного циліндра може збігатися з моментом відкриття випускних клапанів в сусідньому. Вона створює зворотний тиск, яке заважає виходу наступної порції відпрацьованих газів.

Матеріали по темі

У конструкції «спортивного» колектора інша схема з'єднання труб, до того ж вони довше. Через це потік ОГ проходить більшу відстань і, навпаки, створює хвилю розрідження, яка полегшує вихід газів з наступного циліндра. Крім підвищення потужності мотора це знижує температуру в камері згоряння, також зменшуючи ймовірність детонації.

Щоб скоротити насосні втрати в моторі і підвищити економічність, інженери навчили його працювати по двом циклам: Аткінсона і більш традиційного для бензинових двигунів циклу Отто. Перший задіюється при низьких навантаженнях, коли немає необхідності в високому обертального моменту: впускні клапани закриваються пізніше, вже на такті стиснення, і частина повітря виходить через них назад у впускний колектор. По суті, поршень проходить частину шляху без стиснення повітря. Це знижує фактичну СЖ і крутний момент, але разом з ними і насосні втрати. У такому режимі мотор працює більш ефективно.

А при середніх і високих навантаженнях впускні клапани закриваються раніше (звичний цикл Отто) і відбувається повне наповнення циліндрів. СЖ знову доходить до 14 - і мотор видає високий крутний момент.

Цикл Аткінсона змусив інженерів включити у вхідну систему вакуумний насос для нормальної роботи підсилювача гальм. А все через нестачу вакууму у впускному колекторі при роботі мотора в цьому режимі. Насос має привід від випускного распредвала і ділить корпус з ТНВД.

Раніше подібні, але більш прості вузли були звичайною справою тільки для наддувних двигунів - у них взагалі біда з вакуумом. Двигун здатний працювати по двом циклам завдяки двом муфтам змінюваних фаз - це звична гідравлічна на випускному розподільчому валу і електрична на впускному.

Електрична муфта більш ефективна, але перш за її не застосовували на маздовский моторах. Вона має більший діапазон регулювання і забезпечує точніше управління в порівнянні з гідравлічною. Муфта складається з електродвигуна (встановлений на передній кришці мотора) і сполученого з ним приводу (закріплений на самому распредвали), що представляє собою хитромудру планетарну передачу. Поки швидкості обертання електродвигуна і распредвала рівні, маємо постійні фази. Для їх випередження або запізнювання «мозок» мотора відповідно прискорює або уповільнює електродвигун. Цю різницю обертань планетарна передача перетворює в проворот распредвала щодо його зірочки.

У нових умовах роботи мотора вплив теплового зазору в приводі клапанів підвищився, тому нарешті використовували гидрокомпенсатори. Щоб знизити втрати на тертя, інженери відмовилися від звичайних ковпачкових штовхачів на користь рокерів з голчастими підшипниками. Новий механізм приправили додатковими олійними магістралями для змащення кулачків распредвалов.

Нововведення в масляній системі - насос з регулюванням тиску в двох діапазонах (в залежності від режиму роботи мотора), необхідний для зниження гідравлічних втрат. Щоб знизити механічні втрати і втрати на тертя, інженери прагнули максимально полегшити елементи двигуна - в цьому японці пішли по стопах європейських колег. Під ніж потрапив весь кривошипно-шатунний механізм: поршні, шатуни і коленвал.

У поршнів дуже цікава форма днища. Зазвичай у бензинових поршнів воно плоске, хоча іноді має виїмки для впускних клапанів - Цековки. А тут днище опукле та ще й з великою виїмкою по центру. Це зроблено для формування навколо свічки запалювання суміші, згоряє більш стабільно і повноцінно. Полегшений алюмінієвий блок циліндрів тепер складається з двох частин. Його розділили по осі коленвала на верхній і нижній. Подібна конструкція зустрічалася і у деяких дизельних моторів , Але при цьому блок був чавунним, більш жорстким. У підсумку масу двигуна знизили на 10%, а втрати на тертя - аж на 30%! Витрата палива і викиди СО 2 зменшилися на 15%, стільки ж додав крутний момент.

Потужність моторів для Росії обмежена з урахуванням наших податків: максимум - 150 к.с., але в Європі такі ж агрегати видають 165 сил.

Обійшовшись без наддуву, японці поліпшили всі показники, але мотор вийшов на рідкість мудрим. Найбільше турбує те, що висока ступінь стиснення істотно підвищила навантаження на елементи двигуна, а їх додатково ще і полегшили - вважай, послабили.

У НЕВАГОМОСТІ

В основу наддувного дизельного мотора Skyactiv-D теж ліг попередник - турбодизель MZR-CD зі ступенем стиснення 16,3. Зниження ступеня стиснення до 14 помітно знизило температуру і тиск в циліндрі. Це підвищило ККД агрегату, але погіршило перемішування паливо-повітряної суміші і її самозаймання при холодному пуску двигуна і його прогріванні.

Матеріали по темі

Щоб дизель був ефективним і екологічним у всіх режимах роботи, інженери пішли на хитрість.

Холодний пуск мотора полегшують оновлені керамічні свічки передпускового прогріву. За дві секунди вони нагрівають повітря в камері згоряння до 1000 градусів.

Для стабільного згоряння суміші при прогріванні двигуна в ГРМ впровадили систему зміни фаз, а це велика рідкість для дизельних агрегатів. У привід клапанів, ідентичний бензинової товариша, запровадили механізм змінного ходу. Він злегка прочиняє один з двох випускних клапанів в кожному циліндрі на такті впуску: частина гарячих вихлопних газів повертається в циліндр і піднімає температуру в ньому. Це полегшує розпилення палива і забезпечує більш стабільне згоряння суміші.

Механізм змінного ходу клапанів складається з рокера з двома важелями (зовнішній і внутрішній) і кулачка распредвала з подвійним профілем - високим і низьким. Зовнішній важіль взаємодіє з високим профілем, а внутрішній - відповідно з низьким. Перше забезпечує нормальне відкриття клапана в такті випуску, а друге - трохи відкриває його в такті впуску. Внутрішній важіль закріплений на зовнішньому з можливістю нахилятися щодо нього. Вбудований в рокер гідравлічний стопор дозволяє заблокувати це переміщення. Коли блокування немає, внутрішній важіль при взаємодії зі своїм низьким кулачком просто переміщається всередині зовнішнього важеля і клапан не здійснює додаткового відкриття. Відповідно, коли задіяний стопор, внутрішній важіль тягне за собою зовнішній, викликаючи додаткове відкриття клапана.

Якість сумішоутворення в циліндрі підвищили і за рахунок точності роботи паливних форсунок. У турбодізеле вона залежить від тиску в магістралі повернення солярки в бак (магістраль обратки). Для підтримки постійного високого тиску в систему включили спеціальний блок клапанів. Він одночасно керує подачею палива в ТНВД і пов'язує всі магістралі обратки.

Мотор оснастили двома турбокомпресорами, об'єднаними в одному корпусі. Велика і мала турбіни встановлені послідовно. Це дозволяє поєднувати їх переваги. Малий турбокомпресор (турбіна високого тиску) має швидку реакцію і видає великий тиск наддуву при низьких оборотах двигуна, а великий турбокомпресор (турбіна низького тиску) - при високих. Роботою єдиного вузла управляє «мозок» за допомогою трьох клапанів (див. Схему).

Мала СЖ істотно знизила навантаження на мотор і скоротила насосні втрати. Тому інженери полегшили і турбодизель. Тепер у нього теж алюмінієвий розбірний блок циліндрів. Зміни в кривошипно-шатунного механізму більш глобальні: інженери відмовилися від зсуву поршневого пальця, але змістили вісь клонували щодо осі циліндра. Таким ходом вбили відразу двох зайців - знизили бічне зусилля на поршні на такті робочого ходу (опір ковзанню) і зберегли ефект зміщеного пальця (зниження ефекту перекладання поршня при проходженні ВМТ). Головка блоку тепер має інтегрований випускний колектор. Крім зменшення габаритів і скорочення маси мотора, це прискорює прогрів нейтралізатора.

Новий турбодизель на 10% легше і на 20% економічніше попередника. Максимальна потужність і крутний зараз не підросли, зате агрегат вдалося вписати в жорсткі рамки норм Євро-6 без ускладнення системи нейтралізації.

В цілому картина з новим дизелем легше, ніж з бензиновим мотором. Він ускладнився і потрапив під ніж полегшення, зате зменшення СЖ серйозно знизило навантаження на всі вузли.

ЛЕГКО В БОЮ

Мазди з бензиновими моторами Skyactiv бігають по Росії майже три роки. І поки, як не дивно, без серйозних проблем. Спочатку було кілька випадків заміни масляних насосів, які чомусь не розвивали максимальну продуктивність, через що в першу чергу дурила гідравлічна муфта змінюваних фаз на випускному валу.

потім трапилася історія з «даблстартамі» , Про який ми детально розповідали (ЗР, 2013, № 8). А зараз зареєстровано кілька випадків вироблення на кулачках впускного распредвала, що приводить до зростання гучності мотора. Але все описане можна сміливо віднести скоріше до винятків із правила, його ж і підтверджує: мотори Skyactiv досить надійні.

Щодо турбодизелей серйозної статистики поки немає: їх продають трохи більше року, а попит вкрай малий. Можу лише припустити, що з ними теж не буде багато проблем, оскільки навантаження істотно знижені. Чи не вселяє побоювань і бензиновий Skyactiv-G об'ємом 2,5 літра, оскільки ступінь стиснення в ньому скоротили до 13.

ДИЗЕЛЬНИЙ ЕФЕКТ

Ступінь стиснення впливає на дуже важливий параметр в роботі дизеля - затримку самозаймання. Після впорскування палива потрібен певний час для розпилення і змішування з повітрям. Для високого ККД важливо, щоб суміш почала горіти максимально близько до верхньої мертвої точки поршня (ВМТ). Тобто уприскування потрібно робити завчасно. Тоді вся енергія розширення газів при згорянні встигне піти на переміщення поршня вниз.

У моторів з високою СЖ тиск і температура в ВМТ дуже великі. Ранній уприскування призводить до спонтанного займання суміші перш, ніж вона перемішається. На виході це дає нерівномірне, «гучне» згоряння з підвищеними викидами і протитиском руху поршня вгору. Тому в таких агрегатах уприскування роблять більш пізнім. В результаті згорання відбувається після проходження ВМТ, коли поршень уже сам йде вниз, - і частина теплової енергії марнується.

У турбодизеля Skyactiv-D з низькою СЖ тиск і температура відповідно нижче. Це дозволяє робити більш ранній уприскування. Від згоряння суміші відбувається триваліше і ефективно навіть поблизу до ВМТ. Результат - більш високі ККД і показники екологічності мотора.

Дякуємо за допомогу в підготовці матеріалу техцентр «Мейджор Авто» (18-й км МКАД).

Помилка в тексті? Виділіть її мишкою! І натисніть: Ctrl + Enter