Laihaseosmoottori tuotantoon: Haaveista käytännön toteutuksiin 18.09.2020 Juha Kiiskinen

Ottomoottorin puristussytytyksen kehittäminen on jo pitkään ollut insinöörien tavoite.

Haaveet ovat eläneet lähes yhtä pitkään kuin polttomoottorikin, mutta haaveista on jäänyt pitkä matka käytännön toteutuksiin. Puhumattakaan vielä pidemmästä matkasta laihaseosmoottorin sarjatuotantoon.

Laihoilla seoksilla toimivasta polttomoottorista usein käytetään nimitystä HCCI, joka on lyhenne sanoista homogenous charge compression ignition. Suomennettuna tämä karkeasti ottaen tarkoittaa homogeenista (seokseltaan tasakoosteista) puristussytytteistä moottoria.

Kyse on voimalaitteesta, jossa yhdistyvät otto- eli bensiinimoottorin ja dieselmoottorin palamistavat.

Ottomoottorissa palaminen alkaa sytytystulpan kipinän avulla. Palamistapahtuma on kohtuullisen tehokas ja varsin puhdaskin, muttei järin taloudellinen. Tämä johtuu ilman ja polttoaineen varsin rikkaasta seossuhteesta sekä palamistavasta, yleensä kohtalaisen matalasta puristussuhteesta ja pumppaushäviöistä, jotka ovat seurausta tehonsäätöön käytetystä kaasuläpästä.

Haastavaa muttei mahdotonta

Dieselmoottorissa ilma/polttonesteseoksen sytyttäminen tapahtuu korkeassa lämpötilassa suuren paineen alaisena. Palaminen tapahtuu ilmaylimäärällä, joka tekee työprosessista ottomoottoria taloudellisemman. Haittapuolena ovat hankalat ja varsinkin typpioksidien (NO_X) osalta runsaat pakokaasupäästöt.

Toki aihetta HCCI on tutkittu, voimalaitteita kehitetty ja HCCI-moottoreista tehty ainakin prototyyppejä useankin autovalmistajan toimesta mantereelta toiselle. Esimerkiksi Honda, Mercedes-Benz, Volkswagen, General Motors, Hyundai yhteistyössä Delphin kanssa ja Nissan ovat paneutuneet aiheeseen, mutta yleiseen myyntiin sivistyneesti toimivia ratkaisuja ei ainakaan vielä ole ilmaantunut.

Jotta homma ei kävisi liian helpoksi, on HCCI-moottoreissa myös vaikeammin hallittavat puolensa. Näitä ovat saumaton, mielellään huomaamaton siirtyminen kipinäsytytyksestä puristussytytykseen ja päinvastoin, nakuttavan palamisen tehokas kontrolli, matalahko ominaisteho ja tavalliseen ottomoottoriin verrattuna suuremmat häkä- ja hiilivety-raakapäästöt ennen katalysaattoria. Sitä vastoin typenoksideja HCCI-moottori tuottaa kohtalaisen vähän, koska dieselmoottorista poiketen palamisen huippulämpötilat jäävät varsin mataliksi.

Lisäksi on hyvä muistaa, että polttonesteinä bensiini ja dieselöljy – vaikka hiilivetyjä ovatkin – poikkeavat toisistaan. Välteltävän ja moottorin kannalta haitallisen nakuttavan palamisen vuoksi bensiinin tulee kestää puristusta aika lailla, kun taas dieselöljyn tulee riittävän suuren puristuksen alaisena olla herkästi syttyvää.

Periaatteessa HCCI-moottorin tulisi toimia niin bensiinillä kuin dieselöljylläkin, mutta käytännössä tämä on jäänyt teoriakatsannon tasolle.

Mazda piti lupauksensa

Edellä luetelluista valmistajista poiketen Mazda on lähestynyt aihetta HCCI ja sen soveltamista käytäntöön ilmeisen ennakkoluulottomasti. Mazda Skyactiv-X HCCI-moottorin ilmoitettiin tulevan kalenterivuoden 2019 aikana. Ja näin sitten tapahtunutkin, sillä Skyactiv X-moottori pakattiin sekä uusiutuneen Mazda3-mallin että Mazdalle uuden kokoluokan katumaasturi CX-30:n konehuoneeseen vielä edellisvuoden puolella. Ennustetussa ja luvatussa projektiaikataulussa pysyttiin. Tämä ei ole kovin yleistä maailmanajassa, missä useat projektit venyvät tolkuttoman pitkiksi.

Mazdan tapa lähestyä HCCI-tekniikan ydintä on mielenkiintoinen, sillä avuksi on otettu sytytystulpan aktiivinen käyttö. Mazda on antanut luomukselleen nimen  Spark Controlled Compression Ignition (SPCCI), suomennettuna kipinäohjattu puristussytytys.

Kylmäkäynnistyksessä, joutokäynnillä, raskaammilla kuormituksilla ja moottorijarrutuksessa Mazda Skyactiv- X -moottori toimii kuten tavanomainen ottomoottori. Sytytystulppa kipinöi puristustahdin lopussa. Palaminen alkaa sytytystulpan tuntumasta, josta liekkirintama etenee kohti palotilan reunoja. Koska seos on tavanomaisen rikasta (Lambda 1), edellä kuvattu on mahdollista ja toimii stabiililla tavalla.

HCCI-käytössä laihalla (Lambda 2…3) seoksella edellä kuvattu ei onnistu, mutta tästä huolimatta sytytystulpalle on käyttöä.

Tunnelma tiivistyy

Laihaseoskäytössä bensiinin suihkuttaminen tapahtuu kahdessa vaiheessa. Ensimmäinen suihkutus luo tilanteen, missä osa työkierron tarvitsemasta polttoaineesta alkaa höyrystyä männän noustessa puristusvaiheen aikana. Sitten polttoaineinjektori avautuu toisen kerran. Tämän seurauksena sytytystulpan lähelle kehittyy rikkaampi osaseos, joka tulpan avulla sytytettynä kehittää paikallisen tulipallon sylinterin yläosaan. Nyt sekä paine että lämpötila sylinterissä kasvavat – toisin sanottuna tunnelma tiivistyy – jonka seurauksena kovan puristuksen alainen, tehokkaasti höyrystynyt ja laihalle säädetty seoksen loppuosa dieselmäisesti leimahtelee samanaikaisesti palamaan ympäri palotilaa vailla yhtenäisesti etenevää liekkirintamaa.

Jotta Skyactiv-X -laihaseosmoottori toimisi saumattomasti kuten on tarkoitettu, on Mazda ottanut käyttöön varsin kehittynyttä teknologiaa. Voimalaitteen geometrinen puristussuhde 16,3 on ottomoottorille korkea, mutta tätä säädetään aktiivisesti muuttuvalla venttiilienajoituksella ja mekaanisen matalapaineahtimen avulla. Mazdan X-moottorissa on tehokkaasti jäähdytetty pakokaasujen takaisinkierrätys ja ottomoottorille vielä tällä haavaa korkea bensiinin suorasuihkutuksen enimmäispaine 700 bar. Mazdan tavallisessa, toisen sukupolven Skyactiv-G -ottomoottorissa vastaava enimmäispaine merkitään numeroin 300 bar. Lisäksi X-moottorissa on sylinterikohtaiset painetunnistimet, joiden tehtävänä on monitoroida palamisen tehokkuutta.

Kohti vielä parempaa

Mazda Skyactiv-X -moottoriuutuus on ollut kohta vuoden verran myynnissä, mutta sarjatuotantoon saattaminen ei tarkoita voimalaitteen kehitystyön hiipumista. Sitä edelleen tehdään polttomoottoreille kautta linjan niin kulutuksen kuin päästöjenkin pienentämiseksi.

Laihaseosmoottorilla Mazda on selvästi kalliimpi kuin tavallisella ottomoottorilla varustettuna, eikä normimittausten (WLTP) valossa muutaman prosentin polttoaineen kulutusetu vielä saa aikaan valtavia hurraa-huutoja. Edellä todetusta huolimatta usealla ajoneuvovalmistajalla on näkemys, että ottomoottorilla on saavutettavissa 50 % terminen hyötysuhde, ja ainakin osittain laihoilla seoksilla toimivalla ottomoottorilla tämä on helpommin toteutettavissa. Se minkälaista roolia HCCI-moottorit näyttelevät tulevien vuosien polttonesteratkaisuissa, jää nähtäväksi.