Današnja tema – naslov vam otkriva 50 posto onoga što trebate znati. Mazdina inženjerska ludost i prijavljeni američki patent (US 2022/0034265 A1) otkrivaju još dodatnih 10 posto, jasno pokazujući da je ovaj japanski proizvođač automobila zaista ozbiljan u istraživanju ovog zanemarenog i nedovoljno iskorištenog aspekta dizajna motora s unutarnjim izgaranjem.
A što je s preostalih 40 posto? Iako je vijest o ovom patentu prvi put izašla 2022. godine, nitko se dosad nije potrudio prikazati kako ovaj patent zapravo funkcionira ili ga raščlaniti na način koji je razumljiv.
Usput rečeno, vrijedno je divljenja što najmanji japanski proizvođač automobila i dalje razmišlja izvan okvira konvencionalnog, dok se u isto vrijeme suzdržava od jednostavnog rješenja u obliku električnog pomoćnog motora – što većina drugih proizvođača već čini.
Pa što čini ovaj dizajn toliko superiornijim u odnosu na druge Mazdine motore, poput potpuno novog i jedinstvenog rotacijskog motora koji su nedavno razvili ili Skyactiv-X motora s posebnim sustavom ispiranja?
"Slušanje" taktova motora
Budući da tradicionalni dvotaktni motori zahtijevaju da se pri svakoj rotaciji radilice dogodi jedan ciklus izgaranja, usis zraka i dovod goriva podešeni su tako da se otvaraju i zatvaraju u skladu s kretanjem klipa. Ono što ovom dizajnu nedostaje u preciznoj kontroli, nadoknađuje učinkovitošću — jer radilici je potrebna samo jedna rotacija za dovršenje cijelog ciklusa izgaranja, dok četverotaktni motor za isto treba dvije rotacije. Također, nema potrebe za bregastim osovinama ni ventilima u glavi motora, što ga čini lakšim i znatno kompaktnijim dizajnom.
Međutim, dvotaktni motori zahtijevaju miješanje goriva s uljem kako bi proces izgaranja funkcionirao, a već se dugo zna da odvajanje goriva i ulja rezultira čišćim sagorijevanjem i manjim problemima s održavanjem na duže staze. No to automatski znači prelazak na četverotaktni motor, koji je znatno složeniji i nezgrapniji.
S obzirom na to da četverotaktni motor nudi prednosti poput ispušnog sustava koji poboljšava učinkovitost i smanjuje emisije stakleničkih plinova, varijabilnog upravljanja ventilima, boljeg podmazivanja i hlađenja te mnogo više, ima smisla da Mazda posegne za rješenjima iz svog postojećeg inženjerskog portfelja.
U međuvremenu, vjerojatno bismo trebali spomenuti zaboravljeni dizajn dvotaktnog dizelskog motora, koji doista postoji, ali se uglavnom koristi u industrijskim primjenama. Ova konfiguracija motora ne oslanja se na ventilaciju kartera za ciklus izgaranja, već koristi mehanički punjač na remeni pogon, zajedno s ispušnim ventilom za čišće sagorijevanje i efikasnije izbacivanje ispušnih plinova.
Kako bi izvukla najbolje iz oba svijeta, Mazda je uzela različite elemente iz svih ovih dizajna i uklopila ih u jedan patent. Riječ je o dvotaktnom motoru koji koristi pametan sustav ventila iz Mazdinog četverotaktnog Skyactiv pogona, tehnike ispiranja ispušnim plinovima (EGR) iz dizelskih motora s visokim kompresijskim omjerom, te mehanički punjač — a sve to isporučuje snagu na kotače pri svakoj rotaciji radilice.
Pa, kako to funkcionira? I još važnije — je li ovakav motor uopće moguće skalirati za širu primjenu?
2 + 4 = Dizelski motor?
Za razliku od prosječnog dvotaktnog motora, Mazdin patent se oslanja na unutarnji sustav ventila koji je dio procesa izgaranja, pri čemu nije potrebno miješanje ulja s gorivom za rad motora. Koristi se bregasta osovina, kao i usisni i ispušni ventili, zajedno s remenski pogonjenim kompresorom, slično kao kod superpunjenih dvotaktnih dizelskih motora.
Usisna sjedala ventila su također jedinstvena, jer su obrađena tako da usmjeravaju sabijeni zrak prema stijenci cilindra, što rezultira izvrsnim ispiranjem. Ukratko, kad se usisni ventil otvori, ispušni plinovi iz prethodnog ciklusa se potiskuju na suprotnu stranu komore svježim zrakom. Budući da se sve to događa istovremeno, zahvaljujući sinkronom okretanju radilice i bregaste osovine, održava se dvotaktni ciklus.
Kako je riječ o modernom dizajnu automobilske motorizacije namijenjenom cestovnim vozilima, Mazda je odlučila ugraditi varijabilnu bregastu osovinu za potpunu kontrolu recirkulacije ispušnih plinova (EGR) i tajminga. To omogućuje zadržavanje ispušnih plinova u komori izgaranja pri niskim okretajima, što rezultira povećanim kompresijskim omjerom, boljom učinkovitošću i većom snagom. Nadalje, ovo daje motoru dovoljno topline i kompresije da može nastaviti raditi bez svjećice, kao dizelski motor.
Slično kao kod dizelskog motora, tlak izgaranja u ovom dizajnu vjerojatno premašuje 700 bara (10.152 psi), što je čak i trostruko više nego kod konvencionalnih benzinskih motora. Potencijalne prednosti su bolja potrošnja goriva pri nižim brzinama, čišće izgaranje te omjer zraka i goriva od 14,7:1, barem na papiru.
Rezultat bi mogao biti motor koji može nastaviti ciklirati na preostalim ispušnim plinovima u komori izgaranja pri malim opterećenjima, pri čemu je potreban samo mali dodatak svježeg goriva i kisika da bi motor ostao u radu. Međutim, kada se papučica gasa pritisne do kraja, mehanički punjač odmah ulazi u akciju, zajedno sa svim ventilima, svjećicama i Skyactiv sustavima s promjenjivim vremenom otvaranja ventila.
Što se tiče stvarnih razina učinkovitosti, praktične primjene, kao i troškova održavanja i proizvodnje, to je još uvijek neizvjesno. To nas dovodi do nekih zabrinutosti (ali i pohvala) koje se upućuju ovom hibridnom dizajnu motora.
Dvotaktna genijalnost ili samo još jedan Mazdin patentni promašaj?
Naravno, ne možemo završiti cijeli ovaj članak a da ne priznamo činjenicu da Mazda nije prva koja je krenula u smjeru hibridnog dvotaktnog/četverotaktnog “Frankenstein” dizajna. Australska tvrtka iz Pertha, zvana Orbital, provela je desetljeća razvijajući nešto vrlo slično za automobilski sektor — no sve je na kraju propalo krajem 1990-ih. Tvrtka i dalje postoji, ali danas svoje tehnologije primjenjuje uglavnom u vojnim dronovima.
Kombinacija niske učinkovitosti u potrošnji goriva, veće emisije zbog miješanja ili ubrizgavanja ulja, te povećanog rizika od ozbiljnih kvarova nakon 160.000 kilometara, učinila je razvoj dvotaktnih automobila slijepom ulicom. Zato se o toj temi gotovo ništa nije čulo sve do sada.
No kada se ovaj novi patent kombinira s Mazdinim revolucionarnim rotacijskim motorom i svim prednostima Skyactiv-X tehnologije promjenjivog upravljanja ventilima i radnog ciklusa, možda se otvara novi, do sada neistražen put.
Ono što se izgubi na konjskim snagama zbog nižih okretaja motora moglo bi se lako nadoknaditi podešavanjem vremena otvaranja i zatvaranja ventila unutar tog raspona brzine vrtnje, čime bi se količina okretnog momenta proizvedenog u svakom taktu mogla zadržati unutar raspona snage sličnog onome kod dizelskih motora. Nasuprot tome, gotovo 15:1 omjer kompresije u četverotaktnom benzinskom motoru koji koristi obični benzin doveo bi do toga da se smjesa zapali već samom kompresijom, puno prije nego što klip dođe blizu gornje mrtve točke.
Taj visoki stupanj kompresije, u kombinaciji s ostatkom topline dobivene iz napredne EGR tehnologije, mogao bi omogućiti izuzetno siromašnu smjesu da obavi svoj zadatak, a pritom i dalje isporučuje obilje okretnog momenta pri niskim okretajima, te snagu karakterističnu za četverotaktne motore kad se papučica gasa stisne do kraja. Dodatak druge svjećice po cilindru, kao što se koristi u Skyactiv-X motorima, mogao bi također omogućiti da dvotaktni radni ciklus na 4.000 okretaja u minuti (što bi bilo 8.000 okretaja u četverotaktnom motoru) i dalje održava snagu kad se traži maksimalna isporuka energije.
Završna razmatranja o patentu
Govoreći o paljenju i izgaranju, postoji određena zabrinutost u vezi s vijekom trajanja i čistoćom ventila i sjedišta ventila zbog nakupljanja ugljikovih naslaga. Današnji četverotaktni motori s direktnim ubrizgavanjem i EGR sustavima već su dovoljno problematični. Budući da su dvotaktni motori poznati po zaprljavanju svjećica, Mazda će imati pune ruke posla ako želi osigurati čisto izgaranje koje je istovremeno dugotrajno.
Druga zabrinutost odnosi se na količinu topline koju bi ovaj dizajn motora sigurno stvarao, kao i na gubitak smjese tijekom procesa ispiranja, osobito kada na scenu stupi sustav promjenjivog upravljanja ventilima.
Zatim je tu i pitanje ubrizgavanja goriva, jer bi za pravilan rad ovaj dizajn možda ipak zahtijevao ubrizgavanje kroz usisni kanal (port-injection). Razlog tome je što su motori s direktnim ubrizgavanjem poznati po tome da prerano zaprljaju usisne ventile i usisne kolektore. Nasuprot tome, tradicionalno ubrizgavanje kroz usisnu granu daleko bolje održava te dijelove čistima – pogotovo kada se koristi gorivo višeg standarda (Top Tier).
I na kraju, tu su i svi oni koji vole sami raditi na svojim vozilima – složenost ovakvog motora donosi ozbiljne izazove kad je riječ o „uradi sam” održavanju i generalnim reparaturama. Ako tome pridodamo još i pomoćni Wankelov rotacijski motor, dobijemo pravu inženjersku zbrku. No pravo je pitanje: hoće li sve to zaista funkcionirati?
Zaključak: Genijalnost ili pretjerana kompleksnost?
Prednosti
- Kompaktan dizajn i manje pokretnih dijelova
- Nema potrebe za tradicionalnim bregastim osovinama kao u klasičnim 4-taktnim motorima.
- Manje mase i volumena = bolja iskoristivost prostora u vozilu.
- Visoka učinkovitost pri niskim okretajima
- Svaki okretaj radilice rezultira izgaranjem, što omogućuje isporuku okretnog momenta sličnu dizelskom motoru.
- Napredno upravljanje ventilima i EGR tehnologija
- Poboljšano izgaranje i veća toplinska učinkovitost.
- Smanjena emisija stakleničkih plinova.
- Mogućnost rada bez svjećice pri niskim opterećenjima
- Zahvaljujući visokom stupnju kompresije i toplinskoj energiji zadržanoj iz ispušnih plinova.
- Dva svjećice po cilindru (kao kod Skyactiv-X)
- Stabilnije izgaranje u zahtjevnim uvjetima (visoki okretaji, opterećenje, start/stop).
Nedostaci i izazovi
Nakupljanje ugljikovih naslaga (Rizik prljanja ventila i sjedišta zbog povijesne “slabosti” 2-taktnih sustava, čak i uz direktno ubrizgavanje).
Pregrijavanje i termička opterećenja (Intenzivno ispiranje i kontinuirano izgaranje stvara velike količine topline koje je teško kontrolirati.)
Gubitak smjese tijekom ispiranja (Posebno kad se koristi promjenjivo upravljanje ventilima – gubi se gorivo i zrak u ispuhu.)
Složenost u održavanju i servisiranju (Kombinacija ventila, EGR sustava, dvostrukih svjećica i mogućeg rotacijskog pomoćnog motora čini motor kompliciranim za popravke i DIY održavanje.)
Upitna skalabilnost i tržišna primjena (Iako konceptualno inovativan, ostaje pitanje može li se ovaj motor učinkovito proizvoditi i komercijalno primijeniti.)
Mazda je još jednom pokazala svoju sklonost prema tehničkoj nekonvencionalnosti, spajajući najbolje karakteristike 2-taktnih i 4-taktnih sustava s modernom Skyactiv tehnologijom. No pravi izazov neće biti na papiru – već u pouzdanosti, održavanju i troškovima masovne primjene.
