MAZDA SKYACTIV-X – JAK ZAPÁLIT benzin bez SVÍČKY?

Mazda představila prototyp spalovacího motoru zapalujícího benzin samovznícením. Kromě toho ukázala také další novinky technického řešení Skyactiv.

Vznětový motor s homogenní náplní spalovacího prostoru (HCCI, Homogeneous Charge Compres-sion Ignition) je dnes již známou technologií. Český název je poněkud matoucí, protože automaticky vyvolává představu „naftové“ jednotky, nicméně motor typu HCCI může spalovat i benzin. Vtip je v tom, že k zapálení směsi paliva a vzduchu se zde nevyužívá svíčka, nýbrž komprese. Během stlačování rostou ve válci tlak a teplota a jakmile se dosáhne určité úrovně, palivo se vznítí samo. Tento jev známe i z běžných zážehových motorů, v nichž může docházet k detonačnímu spalování. Takzvané klepání motoru není žádoucí, technologie HCCI ho v podstatě přímo využívá. Jen je potřeba vyřešit přesné načasování vznícení směsi. A právě to je základní problém motorů HCCI, protože mnoho možností nemáte.

Můžete kontrolovat teplotu uvnitř válce například systémem EGR, případně i kompresní poměr za pomoci pozdního uzavření sacího ventilu, jenže výsledek je poněkud nestálý. Své o tom ví třeba Mercedes, Nissan nebo GM. Všechny tyto automobilky na zmíněné technologii pracovaly, ale do sériové výroby ji nedotáhly. Motor typu HCCI zkoušela i Mazda a ani ta přímo neuspěla. Problém byl vždy stejný. Pásmo, kde může benzinová jednotka zapalovat směs paliva a vzduchu pouze za pomoci komprese, tedy bez svíčky, je velmi úzké, a navíc se mění spolu se zatížením. Zážehový motor, jež by neměl žádné zapalovací svíčky, je tudíž stále spíše teorií. Proč automobilky technologie HCCI zajímá? Odpověď je prostá. Zapalování za pomoci komprese znamená podstatně vyšší účinnost motoru a nižší spotřebu. Všechno vychází z rovnice výpočtu termické účinnosti motoru. Z ní vyplývá, že ta se zvyšuje spolu s rostoucím kompresním poměrem a s množstvím přivedeného vzduchu do válce. To by samo o sobě nebylo neřešitelné, nicméně pokud výrazně překročíte stechiometrický poměr (14,7:1, 14,7 kg vzduchu na 1 kg paliva) a dostanete se daleko do oblasti chudé směsi (to znamená třeba poměr 30:1), v klasickém motoru už takovou směs svíčkou téměř nezapálíte.

Řešením je právě zapalování pomocí vysokého tlaku. Další výhodou je skutečnost, že směs nehoří postupně, jak se plamen šíří od svíčky, ale vzplane v podstatě naráz, což se hodí z pohledu emisí. Technici Mazdy se na věc podívali s odstupem a přišli se zajímavým řešením. Čistokrevné zapalování benzinu bez svíčky je příliš komplikované, protože by se stejně muselo řešit, jak by motor zapaloval směs mimo ideální pracovní oblasti. Proto jejich motor nakonec svíčku dostal. Princip je ale stále velmi podobný tomu, co jsme popsali u HCCI. Svíčka zde slouží pouze jako prvek zpřesňující samovznícení směsi uvnitř válce. Respektive pořád existují režimy, kdy motor svíčkou palivo přímo zapaluje (studené starty nebo vysoké zatížení), při běžné jízdě je ovšem palivo v drtivé většině času zapalováno kompresí. Motory HCCI musí z principu věci pracovat s velmi vysokým kompresním poměrem a ten zvyšuje riziko předčasného vznícení paliva během fáze komprese. Nově představený motor Mazda Skyactiv-X nakonec pracuje „pouze“ s kompresním poměrem 15:1, ačkoliv se dříve mluvilo dokonce o poměru 18:1 (stávající zážehové i vznětové jednotky Skyactiv využívají kompresní poměr 14:1).

O dostatečný nárůst tlaku ve válci se stará právě přidaná svíčka. Ta zažehne malou část náplně a jak se plamen rozšiřuje do prostoru, ve zbytku směsi rostou tlak a teplota, dokud nedosáhnou určité úrovně a následně se zbytek směsi sám vznítí stejně jako u motorů HCCI. Situace je podobná tomu, jako kdyby proti klasickému pístu působil ještě jeden menší. Díky svíčce pak Mazda může daleko přesněji kontrolovat moment vzplanutí. Proto je tato technologie označována jako Spark Controlled Compression Ignition (SPCCI), zapalování kompresí řízené svíčkou. I v tomto případě je ale časování momentu vzplanutí výzvou. Motor Skyactiv-X jej dokáže určit za pomoci velmi přesného dávkování paliva do přesně definovaného proudění vzduchu uvnitř válce. Důležité je, aby se kolem svíčky nacházela přesně definovaná bohatší směs schopná vznícení svíčkou (tím se určí, jak velký bude počáteční plamen a jak rychle tedy poroste tlak ve zbytku směsi), ale aby zároveň všude kolem byla směs chudá. Systém pracuje s vysokým tlakem vstřiku paliva a pro přesnější řízení využívá rovněž snímač tlaku uvnitř válce. Protože by samotné atmosférické sání neposkytlo dostatečný přísun vzduchu, nasadila Mazda ještě kompresor.

Fakticky jde tedy o přeplňovaný motor, nicméně důvod přítomnosti této technologie je naprosto opačný. Běžně potřebujete přeplňování, abyste mohli do válce díky většímu množství vzduchu přidat více paliva. Zde je žádoucí velké množství vzduchu, aby naopak směs zůstala dostatečně chudá a spotřeba nižší. Výhody motorů typu HCCI převážně zůstávají, ale oproti nim se podstatně rozšířila oblast, kde může systém využívat zapalování kompresí, i když se tímto způsobem nevznítí sto procent náplně. Pořád se ale bavíme o práci s velmi chudou směsí, respektive s velkým přebytkem vzduchu, což zvyšuje účinnost. Mazda slibuje vylepšení až o třicet procent. Nárůst to je tedy dramatický, zároveň je vyšší i točivý moment. Další nezanedbatelnou výhodou je nízká spotřeba a její menší citlivost na zatížení a rostoucí otáčky. V praxi takový motor může pracovat ve vyšších otáčkách, aniž by se zvýšila spotřeba, tudíž lze nastavit v převodovce kratší převody a vůz díky tomu nabídne lepší dynamiku, nikoliv však za cenu rostoucí spotřeby paliva. Mazda zatím žádná přesná čísla týkající se motoru Skyactiv-X nezveřejnila. První prototypy mají čtyři válce a zdvihový objem dva litry.

Cílem je prozatím výkon 140 kW (190 k), a jak na tom bude spotřeba, to napověděly první novinářské testy nedaleko Frankfurtu, kde jsme si mohli jako jediní z České republiky vyzkoušet několik prototypů v reálném provozu. Na tomto místě je ale potřeba zdůraznit, že Mazda počítá se zahájením prodeje v horizontu dvou let, takže se vývoj aktuálně nachází zhruba ve své polovině (technologii SPCCI Mazda vyvíjí dva roky). Na finální hodnocení je tedy příliš brzy, protože se motor bude ještě měnit. A v praxi to bylo znát. Především na dynamice a odezvě na plyn. Ani jedna z těchto disciplín nebyla špatná, ale na základě zkušeností bychom hádali nižší výkon než udávaných 140 kW (190 k). Jenže jak inženýři později přiznali, první prototypy slibovaný výkon kvůli ochraně motoru nemají. Odezva na plyn není tak bezprostřední jako u současných dvoulitrů Skyactiv-G, ale je lepší než u vznětových jednotek. Těm by měl být blízký i točivý moment, což bylo nejlépe poznat při svižné jízdě po dálnici. Nejvíce ale zaujmou velmi jemný běh, vynikající odhlučnění a nízká spotřeba. Naše testovací jízda kombinující město, nějakou tu okresku a částečně dálnici bez rychlostního limitu skončila s průměrem 7,1 l/100 km. Se současnými motory by byla spotřeba o přibližně jeden litr vyšší. Mazda totiž náš styl jízdy zaznamenala a dopočítala spotřebu pro aktuální dvoulitrové jednotky. Celkově se zlepšení spotřeby díky motoru Skyactiv-X pohybovalo během prezentace v rozmezí od 11,2 % do 16,8 %. Na první pohled by se mohlo zdát, že testovací prototypy jsou běžné Mazdy 3 s karoserií hatchback, ovšem pod známým tvarem se ukrývala kromě nového motoru také jiná platforma.

Ta byla další prezentovanou novinkou, přičemž k zákazníkům se dostane dříve než čtyřválec Skyactiv-X. Na tomto základu totiž vyjede příští generace Mazdy 3 (její možná podoba vzejde z konceptu Mazda Kai představeného na Tokijském autosalonu 2017). Technici pracovali na zvýšení tuhosti karoserie, proto přidali řadu výztuh například do podlahy nebo mezi tlumiče. Snaha je přenést co nejvíce vjemů z chování vozu do oblasti pánve řidiče. Jak známo, právě přes své pozadí vnímá řidič pohyby karoserie nejvíce, a ty by se tak k němu měly dostávat bez zpoždění. Současně došlo ke zpevnění uchycení sedadel, ladil se například i tvar opěradla, aby byl přirozenější. Druhou stránkou věci je snížení vibrací a zlepšení odhlučnění. Mazda například rozmístila do karoserie celkem šestnáct bodů vybavených speciálním tlumicím materiálem.

Přepracované jsou i zavěšení a odpružení a počítá se s nasazením pneumatik s měkčí bočnicí. To by teoreticky mohlo vést ke zhoršení jízdních vlastností, kompenzací ale bude podle Mazdy systém G-Vectoring Control. Naopak s adaptivními tlumiči se nepočítá, protože pokud se podaří postavit vůz s jedním optimálním naladěním, nejsou další podle názoru japonských techniků potřeba. I tohle všechno jsme si částečně mohli vyzkoušet a je potřeba říci, že praxe byla dost slibná. Jak už bylo řečeno, motor Skyactiv-X by se měl na trhu objevit zhruba do dvou let, přičemž je prakticky jistá také jeho kombinace s nějakým elektromotorem. Mazda ale nemluvila o této novince jako o přímé náhradě za vznětové jednotky. Naopak, i s nimi ve své budoucnosti počítá. Chce se totiž stát jediným výrobcem, jenž nabízí tři druhy spalovacího motoru. Nicméně je dost možné, že ne vždy se vše bude na jednotlivých trzích nabízet. Automobilka má v plánu i elektromobily a hybridy. Jejím cílem je vyrábět všechny dostupné druhy pohonu a následně mít možnost vybírat, co se na které trhy hodí nejlépe. Každopádně podle Mazdy spalovací jednotky ještě neřekly poslední slovo.

Převzato z časopisu

Fotogalerie