Zafascynowani elektromobilnością straciliśmy z oczu zmiany, jakie wprowadzają producenci w silnikach spalinowych. Powstają nowe pomysły mające na celu unowocześnienie tradycyjnych jednostek napędowych.

Podczas niedawnego Tokyo Motor Show Mazda zaprezentowała ciekawą koncepcję silnika spalinowego, nazwanego Skyactiv-X. To silnik o wysokim stopniu sprężania spalający benzynę. Zdaniem producenta łączy on zalety silnika z zapłonem iskrowym, jak chociażby czystsze spaliny, z zaletami silnika z zapłonem samoczynnym, czyli głównie niższym zużyciem paliwa. Jest to też rozwinięcie pomysłu z wcześniej stosowanych silników z rodziny Skyactiv G (benzynowy) i Skyactiv D (a’la Diesel). Celem konstruktorów Mazdy było poprawienie sprawności cieplnej silnika tłokowego, która wynosi zaledwie 30–38%. W silniku Skyactiv G i D stopień sprężania jest taki sam i wynosi 14:1, gdy w tradycyjnym silniku z zapłonem iskrowym – do 11:1. Teoretycznie, jeśli współczynnik kompresji zostanie zwiększony z 10:1 do 15:1, sprawność cieplna silnika spalającego benzynę poprawi się o około 9%. Jednak jednym z powodów, które uniemożliwiają stosowanie tak wysokiego stopnia sprężania jest duży spadek momentu obrotowego spowodowany przez spalanie stukowe, które jest niszczące dla silnika. Spalanie stukowe to nieprawidłowe i zbyt wczesne spalanie mieszanki paliwowo-powietrznej, w wyniku którego następuje gwałtowne i niekontrolowane zapalenie się mieszanki powodujące nagły wzrost siły gazowej odziaływującej na elementy silnika, głównie układ korbowo-tłokowy. Objawem są charakterystyczne stuki. Spalanie stukowe jest wynikiem wielu czynników, m.in. wysokiej temperatury i ciśnienia panujących w komorze spalania. Konstruktorzy Mazdy doszli do wniosku, że w silniku ZI z wysokim stopniem sprężania, np. 14:1, w celu uniknięcia wystąpienia spalania stukowego należy obniżyć temperaturę panującą w komorze spalania przez zmniejszenie ilości tzw. gazów resztkowych przedostających się do cylindrów. W silniku 4-cylindrowym z kolektorem wydechowym o małej długości, fala spalin o wysokim ciśnieniu wydobywająca się po otwarciu zaworów wydechowych z cylindra numer 3 dociera na przykład do cylindra numer 1, który kończy suw wydechu. W wyniku tego spaliny, które właśnie wypłynęły z jednego cylindra, są zmuszane do powrotu do komory spalania innego cylindra, podnosząc panującą w nim temperaturę. Według badań Mazdy, w silniku o stopniu sprężania 10:1 temperatura gazów resztkowych wynosi ok. 750°C, ale jeśli tych gazów przedostanie się do cylindra tylko 10%, temperatura w komorze spalania wzrośnie o ok. 160°C. Konstruktorzy Mazdy wydłużyli więc długość kanałów kolektora wylotowego w silniku Skyactiv G, a wspomniany efekt jest ograniczony do bardzo niskich prędkości obrotowych silnika. Jednak długi kolektor wylotowy bardzo ochładza spaliny, co jest niekorzystne dla działania katalizatora. Aby poprawić odporność na spalanie stukowe, skrócono czas spalania mieszanki paliwowo-powietrznej. Im szybsze spalanie, tym krótszy jest czas wystawienia na działanie wysokiej temperatury nie zapalonej jeszcze mieszanki paliwowo-powietrznej, co zmniejsza prawdopodobieństwo wystąpienia spalania stukowego. Poza tym, w celu wytworzenia w komorze spalania maksymalnie jednorodnej mieszanki zastosowano typowe instrumenty, jak zwiększenie ciśnienia wtrysku, wtryskiwacze wielootworowe oraz tłok o specjalnej konstrukcji denka. Konstrukcja denka tłoka ma tu kluczowe znaczenie, gdyż przy wysokim ciśnieniu wtrysku paliwa czoło płomienia może uderzać o tłok, co jest zjawiskiem niekorzystnym.
Na bazie takich doświadczeń powstał silnik Skyactiv X o stopniu sprężania 16:1 z bezpośrednim wtryskiem benzyny i doładowany kompresorem (z 2 l pojemności uzyskano moc maks. 190 KM). Do silnika doprowadzana jest bardzo uboga mieszanka paliwowo-powietrzna, którą trudno zapalić mimo tak wysokiego stopnia sprężania. Zapłon następuje od świecy zapłonowej, wokół której znajduje się niewielka ilość bogatej mieszanki. Proces ten nazwano ognistą kulą, ale zapłon iskrowy jest używany do sterowania zapłonem samoczynnym.
Wytworzenie bogatej mieszanki przy świecy zapłonowej jest stosowane w niektórych silnikach z bezpośrednim wtryskiem benzyny, ale mają one znacznie niższy stopień sprężania. Zdaniem Mazdy, silnik Skyactiv X ma o 10% wyższym moment obrotowy i o 20% niższe zużycie paliwa niż Skyactiv G.
Rozwój konstrukcyjny silników i ich osprzętu jest spowodowany nową normą emisji spalin, która zacznie obowiązywać od 2020 roku. W silnikach z zapłonem samoczynnym problemem może okazać się ograniczenie emisji tlenków azotu, stąd konieczny jest nowy system eliminowania NOX. Rozpowszechnia się technologia selektywnej redukcji katalitycznej (płyn AdBlue) oraz nowej generacji filtrów cząstek stałych. W silnikach benzynowych z bezpośrednim wtryskiem paliwa zostaną wprowadzone filtry cząstek stałych (GPF).

Pełny artykuł przeczytają Państwo wydaniu nr 8/2017 Auto Moto Serwisu