Hoe gasmotoren met compressieontsteking werken

  • Jacob Hoover
  • 0
  • 4454
  • 378
Mazda's SKYACTIV-X-motor is 's werelds eerste commerciële benzinemotor die gebruikmaakt van compressieontsteking. Mazda

In de zomer van 2017 maakte Mazda een aankondiging: het autobedrijf vond een manier om benzinemotoren met compressieontsteking voor personenauto's te maken. Mazda beweerde dat zijn nieuwe motor het brandstofverbruik met 20 tot 30 procent zou kunnen verbeteren, wat een aanzienlijke prestatie is voor een benzinemotor.

Voordat we een duik nemen in deze technologie, is het vermeldenswaard dat de motor met compressieontsteking geen nieuw concept is. Formule 1-auto's gebruiken motoren met compressieontsteking en verschillende andere autofabrikanten hebben geprobeerd een commercieel haalbare versie voor personenauto's te ontwikkelen. Maar Mazda's motor, de Skyactiv-X genaamd, zal de eerste in massa geproduceerde en commercieel verkrijgbare motor van dit type zijn. Dankzij Jay Chen, een aandrijflijningenieur bij Mazda, leerde hij hoe deze doorbraak werd bereikt. Maar eerst moeten we de basisfuncties van een motor bekijken.

Een motor werkt door brandstof op twee manieren te ontsteken: warmte en compressie. Motoren met elektrische ontsteking zijn te vinden in de meeste benzineauto's. Bij dit soort motoren vuren de bougies om brandstof in de verbrandingskamer te ontsteken, terwijl ook het brandstof- en luchtmengsel wordt gecomprimeerd. Dit is natuurlijk een zeer vereenvoudigde versie van het proces, alleen om het belangrijkste verschil tussen de twee motortypen te illustreren. Motoren met elektrische ontsteking volgen een cyclus en hebben een precieze timing nodig om te werken, maar zijn over het algemeen betrouwbaar onder verschillende omstandigheden [bron: Knight].

Motoren met compressieontsteking werken meer als dieselmotoren. Diesels zijn ontworpen voor een veel hogere compressie (waarvoor zwaardere componenten en een sterkere constructie nodig zijn) en gebruiken gloeibougies als warmtebron in plaats van bougies. Gloeibougies verwarmen de compressiekamer, wat op zijn beurt de compressie in de kamer verhoogt. Wanneer de brandstof aan de kamer wordt toegevoegd, wordt deze over de punt van de gloeibougie gesproeid, maar het proces is meer afhankelijk van de compressie dan van het contact van de brandstof en de plug. Het ontbreken van "vonk" helpt dieselmotoren om hogere EPA-waarden te behalen dan benzinemotoren met verder vergelijkbare specificaties [bron: Stewart].

Als we ons concentreren op gas, vraagt ​​u zich misschien af: wat heeft het voor zin om uit te leggen hoe een dieselmotor werkt? Simpelweg om het belang van compressie te illustreren. De beste manier om de gasmotor te verbeteren, is door uit te zoeken hoe de compressie kan worden verhoogd, waardoor de motor zijn brandstoftoevoer efficiënter kan gebruiken.

Een benzinemotor met compressieontsteking combineert de beste onderdelen van deze processen. De motor is geprogrammeerd om lucht (meestal motoruitlaatgassen) in de motorcilinder op te vangen door de timing van de uitlaat- en inlaatkleppen aan te passen. De brandstofinjectoren voegen brandstof toe aan deze ingesloten uitlaat, en aangezien het ingesloten mengsel onder zeer hoge compressie staat, kan de relatief kleine hoeveelheid brandstof ontbranden.

Motoren met compressieontsteking kunnen zelfs worden onderverdeeld in twee verschillende typen [bron: Lindberg].

  • Homogene ladingscompressieontsteking (HCCI): Deze motor mengt lucht en brandstof en comprimeert dat mengsel totdat het ontbrandt. Mazda's motor wordt de eerste HCCI-motor die in massa wordt geproduceerd.
  • Benzine directe compressieontsteking (GDCI): Deze motor spuit de benzine in een mengsel van lucht en uitlaatgassen dat al is samengeperst.

Het belangrijkste verschil tussen deze twee motoren is het punt in het proces waarop de brandstof wordt toegevoegd, dat wordt bereikt door aanpassingen aan de cycli en timing van de motor. Anders werken de motoren op dezelfde manier; de compressie is de belangrijkste factor.

De SKYACTIV-G 2,0-liter heeft het vermogen van een 2,5-liter motor en de efficiëntie van een 1,5-liter dieselmotor. Mazda

Motoren met compressieontsteking hebben een aantal voordelen en minstens evenveel nadelen. Enkele van de voordelen zijn:

  • Hij verbruikt minder brandstof dan een motor met elektrische ontsteking
  • Het gebruikt de brandstof efficiënter (met andere woorden, er gaat minder vermogen verloren aan de daadwerkelijke ontsteking en aan overtollige warmte)
  • Doordat er minder brandstof wordt verbruikt, vervuilt de auto minder

"Als een ruwe analogie, is vonkontsteking vergelijkbaar met het starten van een vuur door slechts één rand van het aanmaakhout van de krant aan te steken en de vlam geleidelijk over het papier te laten klimmen", legt Mazda-ingenieur Jay Chen uit via e-mail. "[Compressie-ontsteking] lijkt meer op zelfontbranding, waarbij de brandstof en lucht de kritieke druk en temperatuur hebben bereikt en de volledige lading tegelijkertijd van fase verandert, waardoor alle energie in één keer vrijkomt. Door alle energie bijna in één keer vrij te geven, [ compressieontsteking] kan meer vermogen onttrekken (aangezien dit gebeurt lang voordat de expansieverhouding is opgebruikt) uit dezelfde hoeveelheid lucht terwijl twee tot drie keer minder brandstof wordt gebruikt en bij veel lagere verbrandingstemperaturen, waardoor verspilde warmte-energie en emissievorming verder worden verminderd . "

Klinkt goed, toch? Het probleem is dat deze motoren erg kieskeurig zijn - als ze gemakkelijk te ontwerpen en te gebruiken waren, zouden we ze nu besturen. Zelfs als u niet bekend bent met dieselmotoren, heeft u wellicht gehoord dat ze onder niet-optimale omstandigheden ongemakkelijk kunnen zijn. Een deel daarvan is te wijten aan de dieselbrandstof zelf, die de neiging heeft te "geleren" bij zeer lage temperaturen. Dat probleem hebben we niet met benzine, die zelfs bij temperaturen onder het vriespunt vloeibaar blijft. Maar compressie-ontsteking kan nog steeds worden beïnvloed door het weer en andere omgevingsomstandigheden, evenals door andere factoren, zoals de kwaliteit van de brandstof.

"Tot nu toe bestonden interne verbrandingsmotoren met compressieontsteking alleen in stabiele laboratoriumomstandigheden of onbewerkte voertuigprototypes die te ruw waren om in productie te worden toegepast", zegt Chen..

Met andere woorden, als de druk en temperatuur in de cilinders niet zorgvuldig worden gehandhaafd, werkt het proces niet. Te lage temperaturen kunnen de gevoelige onderdelen van de motor beschadigen. Als de motor te heet wordt, kan hij gaan kloppen - een toestand die optreedt wanneer het brandstof-luchtmengsel te heet wordt en op het verkeerde moment ontploft, waardoor brandstof wordt verspild en de motor slecht loopt. Een motor met vonkontsteking kan ook te koud of te warm worden, maar heeft een veel grotere foutmarge.

Om een ​​motor met compressieontsteking betrouwbaar te laten werken, hangt af van een nauwkeurige combinatie van lucht, brandstof en uitlaatgassen, gemengd in de perfecte verhouding, bij de perfecte compressie, met precies de juiste hoeveelheid warmte op het juiste moment. Zoals we weten, heeft nog niemand een auto met een gasmotor met compressieontsteking kunnen bouwen, dus dit proces moest verder worden verfijnd.

Een auto die wordt aangedreven door een gasmotor met compressieontsteking kan minstens zo efficiënt zijn als een elektrische auto, en mogelijk zelfs nog meer. Reimar Gaertner / UIG

Kort na de aankondiging van Mazda begonnen experts in de auto-industrie te speculeren of een massamotor met compressieontsteking gasmotoren zou kunnen "redden". Dat wil zeggen, als de industrie meer naar hybride en elektrische technologie beweegt, zou deze gasmotor efficiënt genoeg kunnen zijn om een ​​levensvatbare concurrent te zijn?

Chen zegt dat Mazda gemotiveerd is door de overtuiging dat "door elk stukje efficiëntie uit de verbrandingsmotor te persen (in combinatie met elektrificatie zodra de verbrandingsmotor is geperfectioneerd), we een methode kunnen leveren om de auto tot ver in deze eeuw van stroom te voorzien. die het potentieel heeft om dezelfde of minder 'well to wheel' CO2-uitstoot te genereren als pure elektrische voertuigen met batterijen die worden aangedreven door energiecentrales op basis van fossiele brandstoffen van verschillende vormen. "

Met andere woorden, Mazda denkt dat met voortdurende innovatie een auto die wordt aangedreven door een gasmotor minstens zo efficiënt kan zijn als een elektrische auto, en mogelijk zelfs nog meer. Laten we eens kijken hoe deze doorbraak in compressieontstekingstechnologie verschilt van de voorgaande.

In 2007 reed Motor Trend met een Saturn Aura aangedreven door een motor met compressieontsteking, waarmee het brandstofverbruik 15 procent lager was dan met een gewone Aura [bron: Markus]. Destijds verwachtte GM in 2015 een voertuig met een motor met compressieontsteking op de markt te brengen, maar het merk Saturn werd slechts een paar jaar later stopgezet en GM verlegde geleidelijk zijn focus naar elektrische en plug-in hybride voertuigen zoals de Chevrolet Volt.

Rond dezelfde tijd werkte Mercedes-Benz aan een compressie-ontstekingssysteem genaamd DiesOtto, en Ford had ook een project in ontwikkeling [bron: Estrada]. Geen van deze motoren kreeg echter het groene licht voor productie, en de ervaring van Hyundai kan helpen verklaren waarom [bron: Markus].

Behalve Mazda heeft Hyundai waarschijnlijk de meeste vooruitgang geboekt, met inspanningen die rond 2013 voor het eerst aan het licht kwamen [bron: Markus]. Het bedrijf ontwierp zijn versie van een motor met compressieontsteking zonder bougies of gloeibougies, met een beoogde releasedatum van 2023.

Ondanks veelbelovende vooruitgang onthulde Hyundai in 2016 dat de motoronderdelen gewoon niet sterk genoeg waren om de compressie aan te kunnen die nodig was om het proces te laten werken. Uiteraard kunnen sterkere motoronderdelen, namelijk het blok, de kruk en de lagers, worden ontworpen; dat is hoe dieselmotoren werken. Het is gewoon erg duur, en die sterkere componenten voegen gewicht toe aan de auto en verminderen de algehele efficiëntie. Hyundai was al die tijd van plan om een ​​turbocompressor te gebruiken om het vermogen te vergroten en de nodige compressie te behouden, maar ze ontdekten dat ze ook een supercharger nodig hadden, waardoor het budget verder kapot ging. En tot slot was Hyundai niet tevreden met de hoeveelheid vervuiling die door deze aandrijflijnen werd geproduceerd. Uiteindelijk was het project veel duurder en lang niet zo schoon en efficiënt als gepland [bron: Markus].

Mazda's ontwikkelingsinspanningen gaan bijna net zo lang door als zijn concurrenten.

"Skyactiv-X was altijd al in de plannen, zelfs voordat de eerste generatie Skyactiv werd gelanceerd", legt Mazda-ingenieur Chen uit. "De eerste stap in deze roadmap was Mazda's Skyactiv-technologie [die] werd geïntroduceerd in 2009. De belangrijkste verbetering op dat moment was de toepassing van een onconventioneel hoge motorcompressieverhouding om de algehele motorefficiëntie en de prestaties van de aandrijflijn te verhogen. Dit werd bereikt door een synergetische combinatie van bestaande technieken die samen worden toegepast om te bereiken wat (tot dan toe) voor onmogelijk werd gehouden voor productiemotoren. "

In termen van de leek: "Skyactiv" is de term voor Mazda's strategie om de compressie te verhogen om de efficiëntie te verhogen, en Mazda moest een beetje sleutelen om de aankomende Skyactiv-X aan het werk te krijgen. Als resultaat van dat knutselen heeft Mazda een bougie aan de mix toegevoegd, zodat de motor kan schakelen tussen compressie en vonkontsteking, afhankelijk van wat op dat moment het meest efficiënt is. Dit klinkt misschien alsof het indruist tegen de basisprincipes van motortechnologie met hoge compressie, maar Chen zegt dat het werkt.

"Deze doorbraak, die we vonkgestuurde compressieontsteking (SPCCI) noemen, heeft het bruikbare bereik van compressieontstekingsbediening en -regeling aanzienlijk uitgebreid en bood de oplossing voor een naadloze overgang tussen CI [compressieontsteking] en SI [vonkontsteking] verbrandingsmodi die worden gebruikt bij hoge motortoerentallen (in het geval van Skyactiv-X), "zegt Chen.

Simpel gezegd: de bougie is het magische ingrediënt dat ervoor zorgt dat de motor soepel draait en zich aanpast aan verschillende omstandigheden, en hij zal alleen worden gebruikt wanneer het absoluut noodzakelijk is. Mazda's motor is ontworpen om zichzelf te controleren en de werking ervan aan te passen op basis van factoren zoals de huidige omgevingsomstandigheden, de manier waarop de auto wordt bestuurd en de voorkeuren en instellingen van de bestuurder [bron: Estrada].

Nadat Mazda met dit idee op de proppen kwam, duurde het nog twee jaar om de motor te ontwikkelen, en in die tijd werd opnieuw een belangrijke beslissing genomen. Voertuigen die zijn uitgerust met Skyactiv-X-motoren zullen superchargers hebben om de pk-specificaties te verbeteren, wat de rijdynamiek zal verbeteren en potentiële kopers zal helpen een kans te wagen op deze nieuwe technologie [bron: Estrada].

De laatste grote vraag - wanneer kunnen chauffeurs het verwachten? Een woordvoerder van Mazda zegt dat het bedrijf nog niet bekend kan maken welke voertuigen als eerste zullen worden uitgerust met de Skyactiv-X-motor of wanneer ze beschikbaar zullen zijn. We weten ook niet of voertuigen met motoren met compressieontsteking meer kosten dan vergelijkbare voertuigen met motoren met elektrische ontsteking. Het is echter veilig om te speculeren dat, hoewel Mazda de eerste zal zijn die deze technologie op de markt zal brengen, andere fabrikanten vrijwel zeker zullen volgen.

Opmerking van de auteur: hoe motoren met gascompressie werken

In tegenstelling tot veel van mijn collega's maak ik me niet echt zorgen over "het besparen van gasmotoren", ook al zou dat waarschijnlijk helpen bij de werkzekerheid. Misschien moest ik daar wat egoïstischer over zijn, maar ik besloot te schrijven over de motor met compressieontsteking, simpelweg omdat ik geïntrigeerd ben door elke innovatie die kan helpen om een ​​auto efficiënter te maken..

Om die reden - duurzaamheid in het algemeen - wil ik graag een proefrit maken met een auto met een motor met compressieontsteking zodra deze beschikbaar is. Net als hybrides en elektrische auto's, denk ik dat er veel discussie zal zijn over de vraag of deze voertuigen krachtig genoeg zijn. Eerlijk gezegd vermoed ik dat de gemiddelde persoon het verschil niet zal kunnen zien. Er zijn veel manieren om een ​​auto interessant te maken om te rijden, afgezien van het simpelweg zo krachtig mogelijk maken, en dat is een gebied waarin Mazda uitblinkt..

gerelateerde artikelen

  • Hadden auto's ooit externe verbrandingsmotoren??
  • Diesel is niet altijd een ergere vervuiler dan benzine
  • Hoe een Atkinson-cyclusmotor werkt
  • Hoeveel luchtverontreiniging komt van auto's?

Meer geweldige links

  • Hoe een auto-ontstekingssysteem werkt
  • Mazda zou de technologie kunnen hebben om de verbrandingsmotor te redden
  • Mazda's slimme nieuwe motor haalt meer kilometers met minder brandstof
  • Hoe de Tesla-turbine werkt

Bronnen

  • Bruin, Jacob. Specialist, Product Communications, Mazda. Persoonlijke correspondentie. 1 september 2017.
  • Chen, Jay. Powertrain Engineer, Mazda. Persoonlijke correspondentie via Jacob Brown. 1 september 2017.
  • Estrada, Zac. "Mazda zou de technologie kunnen hebben om de verbrandingsmotor te redden." De rand. 8 augustus 2017. (30 augustus 2017) https://www.theverge.com/2017/8/8/16099536/mazda-compression-ignition-engine-technology
  • Ridder, Cheryl. "Hoe een auto-ontstekingssysteem werkt." Vermin-Club. 19 november 2015. (29 augustus 2017) https://www.yourmechanic.com/article/how-a-car-ignition-system-works
  • Lindberg, Austin. "Hyundai ontwikkelt benzineverbrandende compressieontstekingsmotor." Auto en chauffeur. 18 november 2013. (30 augustus 2017) http://blog.caranddriver.com/hyundai-developing-gasoline-burning-compression-ignition-engine/
  • Markus, Frank. "Technoloog: Love Child - Driving the Ultimate Bastard Engine." Motortrend. 19 november 2007. (30 augustus 2017) http://www.motortrend.com/news/technologue-41/
  • Markus, Frank. "Wat is er gebeurd met de HCCI-motor van Hyundai?" Motortrend. 14 december 2016. (30 augustus 2017) http://www.motortrend.com/news/whatever-happened-hyundais-hcci-engine/
  • Mazda. "Mazda kondigt langetermijnvisie voor technologische ontwikkeling aan, 'Sustainable Zoom-Zoom 2030'." 8 augustus 2017. (20 augustus 2017) http://www2.mazda.com/en/publicity/release/2017 /201708/170808a.html
  • Stewart, Jack. "Mazda's slimme nieuwe motor haalt meer kilometers met minder brandstof." Bedrade. 9 augustus 2017. (30 augustus 2017) https://www.wired.com/story/mazda-injection-compression-skyactivx-engine/
  • Szymkowski, Sean. "Hoe Mazda's SkyActiv-X-motor, gebaseerd op HCCI, werkelijk werkt (video)." Green Car-rapporten. 21 augustus 2017. (30 augustus 2017) http://www.greencarreports.com/news/1112222_how-mazdas-skyactiv-x-engine-based-on-hcci-actually-works-video



Niemand heeft nog op dit artikel gereageerd.

De meest interessante artikelen over geheimen en ontdekkingen. Veel nuttige informatie over alles
Artikelen over wetenschap, ruimte, technologie, gezondheid, milieu, cultuur en geschiedenis. Duizenden onderwerpen uitleggen, zodat u weet hoe alles werkt