Motore Mazda SkyActiv G - benzina e SkyActiv D - diesel
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Le case automobilistiche mirano a ridurre le emissioni di CO2 diversamente. A volte sono, ad esempio, o Compromessi che spostano la gioia di guidare ai margini. Tuttavia, Mazda ha deciso di andare in una direzione diversa e tagliare le emissioni con una nuova soluzione all-in-one che non toglie il piacere di guidare. Oltre al nuovo design dei motori a benzina e diesel, la soluzione include anche nuovo telaio, carrozzeria e cambio. La riduzione del peso dell'intero veicolo va di pari passo con la nuova tecnologia.
Studi recenti mostrano che i motori a combustione convenzionale continueranno a dominare il mondo automobilistico per i prossimi 15 anni, quindi vale la pena continuare a investire molti sforzi nello sviluppo di essi. Come sapete, la maggior parte dell'energia chimica contenuta nel carburante non viene convertita in lavoro meccanico durante la combustione, ma evapora letteralmente sotto forma di calore disperso attraverso i tubi di scarico, radiatore, ecc. e spiegano anche le perdite causate dall'attrito di le parti meccaniche del motore. Nello sviluppo della nuova generazione di motori a benzina e diesel SkyActiv, gli ingegneri di Hiroshima, in Giappone, si sono concentrati su sei fattori principali che influenzano i consumi e le emissioni risultanti:
- rapporto di compressione,
- rapporto carburante/aria,
- la durata della fase di combustione della miscela,
- il tempo della fase di combustione della miscela,
- perdite di pompaggio,
- attrito delle parti meccaniche del motore.
Nel caso dei motori a benzina e diesel, il rapporto di compressione e la riduzione della perdita per attrito si sono rivelati i fattori più importanti per la riduzione delle emissioni e del consumo di carburante.
Motore SkyActiv D
Il motore di 2191 cc è dotato di un sistema di iniezione common rail ad alta pressione con iniettori piezoelettrici. Presenta un rapporto di compressione insolitamente basso di appena 14,0: 1 per il diesel. La ricarica è fornita da una coppia di turbocompressori di diverse dimensioni, che ha un effetto positivo sulla riduzione del ritardo nella risposta del motore alla pressione del pedale dell'acceleratore. Il treno valvole include una corsa variabile della valvola, che si riscalda più velocemente quando il motore è freddo, poiché alcuni dei gas di scarico ritornano ai cilindri. Grazie all'affidabile avviamento a freddo e alla combustione stabile durante la fase di riscaldamento, i motori diesel convenzionali richiedono un elevato rapporto di compressione, che è tipicamente compreso tra 16: 1 e 18: 1. Il basso rapporto di compressione di 14,0: 1 per SkyActiv -D Il motore permette di ottimizzare i tempi del processo di combustione. Quando il rapporto di compressione diminuisce, anche la temperatura e la pressione del cilindro diminuiscono al punto morto superiore. In questo caso la miscela brucia più a lungo anche se il carburante viene iniettato nel cilindro poco prima di raggiungere il punto morto superiore. A causa della combustione prolungata, nella miscela combustibile non si formano aree con carenza di ossigeno e la temperatura rimane uniforme, in modo che la formazione di NOx e fuliggine venga significativamente eliminata. Con l'iniezione di carburante e la combustione vicino al punto morto superiore, il motore è più efficiente. Ciò significa un uso più efficiente dell'energia chimica contenuta nel carburante e un maggior lavoro meccanico per unità di carburante rispetto a un motore diesel ad alta compressione. Il risultato è una riduzione del consumo di gasolio e delle emissioni logiche di CO2 di oltre il 20% rispetto a un motore 2,2 MZR-CD funzionante con un rapporto di compressione 16: 1. carbonio. Pertanto, anche senza un ulteriore sistema di rimozione degli NOx, il motore soddisfa la norma sulle emissioni Euro 6 che entrerà in vigore nel 2015. Pertanto, il motore non necessita di una riduzione catalitica selettiva o di un catalizzatore per l'eliminazione di NOx.
A causa della bassa compressione, il motore non può generare una temperatura sufficientemente elevata per accendere la miscela durante le partenze a freddo, il che può portare a avviamenti molto problematici e funzionamento intermittente del motore, soprattutto in inverno. Per questo motivo SkyActiv-D è dotato di candelette in ceramica e valvola di scarico VVL a corsa variabile. Ciò consente il ricircolo dei gas di scarico caldi all'interno della camera di combustione. La prima accensione è assistita da una candeletta, sufficiente affinché i gas di scarico raggiungano la temperatura richiesta. Dopo aver avviato il motore, la valvola di scarico non si chiuderà come un normale motore di aspirazione. Invece, rimane socchiuso e i gas di scarico caldi ritornano nella camera di combustione. Ciò aumenta la temperatura al suo interno e quindi facilita la successiva accensione della miscela. Pertanto, il motore funziona senza intoppi e senza interruzioni fin dal primo momento.
Rispetto al motore diesel 2,2 MZR-CD, anche l'attrito interno è stato ridotto del 25%. Ciò si riflette non solo in un'ulteriore riduzione delle perdite complessive, ma anche in una risposta più rapida e in prestazioni migliori. Un altro vantaggio di un rapporto di compressione inferiore sono le pressioni massime dei cilindri più basse e quindi meno sollecitazioni sui singoli componenti del motore. Per questo motivo, non è necessario un design del motore così robusto, con conseguente ulteriore risparmio di peso. La testata con collettore integrato ha pareti più sottili e pesa tre chilogrammi in meno rispetto a prima. Il monoblocco in alluminio è più leggero di 25 kg. Il peso dei pistoni e dell'albero motore è stato ridotto di un altro 25%. Di conseguenza, il peso complessivo del motore SkyActiv-D è inferiore del 20% rispetto a quello del motore 2,2 MZR-CD finora utilizzato.
Il motore SkyActiv-D utilizza la sovralimentazione a due stadi. Ciò significa che è dotato di un turbocompressore piccolo e uno grande, ciascuno operante a un diverso intervallo di velocità. La più piccola si usa ai bassi e medi regimi. Grazie alla minore inerzia delle parti rotanti, migliora la curva di coppia ed elimina il cosiddetto effetto turbo, cioè il ritardo nella risposta del motore ad un improvviso salto dell'acceleratore a bassa velocità quando non c'è abbastanza pressione nello scarico . tubo di derivazione per la rotazione rapida della turbina del turbocompressore. Al contrario, il turbocompressore più grande è completamente inserito nella gamma di velocità media. Insieme, entrambi i turbocompressori forniscono al motore una curva di coppia piatta ai bassi regimi e una potenza elevata agli alti regimi. Un'alimentazione d'aria sufficiente dai turbocompressori su un'ampia gamma di velocità riduce al minimo le emissioni di NOx e di particolato.
Finora sono state prodotte due versioni del motore 2,2 SkyActiv-D per l'Europa. Il più potente ha una potenza massima di 129 kW a 4500 giri/min e una coppia massima di 420 Nm a 2000 giri/min. Il più debole ha 110 kW a 4500 giri/min e una coppia di 380 Nm nell'intervallo 1800-2600 giri/min, a max. la velocità di entrambi i motori è 5200. In pratica il motore agisce piuttosto letargico fino a 1300 giri/min, da questo limite inizia a prendere velocità, mentre per la guida normale è sufficiente mantenerlo a circa 1700 giri/min o più anche per le esigenze di accelerazione regolare.
Motore SkyActiv G
Il motore a benzina aspirato, designato Skyactiv-G, ha un rapporto di compressione insolitamente alto di 14,0:1, attualmente il più alto in un'autovettura prodotta in serie. L'aumento del rapporto di compressione aumenta l'efficienza termica del motore a benzina, il che alla fine significa valori di CO2 inferiori e quindi un consumo di carburante inferiore. Il rischio associato ad un elevato rapporto di compressione nel caso di motori a benzina è la cosiddetta combustione con detonazione - detonazione e la conseguente riduzione della coppia ed eccessiva usura del motore. Per evitare la combustione per battito in testa della miscela dovuta all'elevato rapporto di compressione, il motore Skyactiv-G utilizza una riduzione della quantità e della pressione dei gas caldi residui nella camera di combustione. Pertanto, viene utilizzato un tubo di scarico in una configurazione 4-2-1. Per questo motivo il condotto di scarico è relativamente lungo e quindi impedisce efficacemente ai gas di scarico di ritornare nella camera di combustione subito dopo essere stati scaricati da essa. Il conseguente calo della temperatura di combustione previene efficacemente il verificarsi della detonazione combustione - detonazione. Come altro mezzo per prevenire la detonazione, il tempo di combustione della miscela è stato ridotto. Una combustione più rapida della miscela significa un tempo più breve durante il quale la miscela incombusta di carburante e aria è esposta a temperature elevate, in modo che la detonazione non abbia il tempo di verificarsi. La parte inferiore dei pistoni è inoltre provvista di apposite rientranze in modo che le fiamme della miscela incandescente che si formano in più direzioni possano espandersi senza incrociarsi, inoltre il sistema di iniezione è stato dotato di iniettori multiforo di nuova concezione, che consentono il combustibile da atomizzare.
È inoltre necessario ridurre le cosiddette perdite di pompaggio per aumentare l'efficienza del motore. Ciò si verifica a bassi carichi del motore quando il pistone aspira aria mentre scende durante la fase di aspirazione.La quantità di aria che entra nel cilindro è solitamente controllata da una valvola a farfalla situata nel tratto di aspirazione. A carichi leggeri del motore, è necessaria solo una piccola quantità d'aria. La valvola a farfalla è quasi chiusa, il che porta al fatto che la pressione nel tratto di aspirazione e nel cilindro è inferiore a quella atmosferica. Pertanto, il pistone deve superare una significativa pressione negativa, quasi un vuoto, che influisce negativamente sul consumo di carburante. I progettisti Mazda hanno utilizzato la fasatura infinitamente variabile delle valvole di aspirazione e scarico (S-VT) per ridurre al minimo le perdite della pompa. Questo sistema consente di controllare la quantità di aria aspirata utilizzando le valvole anziché l'acceleratore. A bassi carichi del motore, è necessaria pochissima aria. Pertanto, il sistema di fasatura variabile delle valvole mantiene aperte le valvole di aspirazione all'inizio della fase di compressione (quando il pistone si alza) e le chiude solo quando la quantità d'aria richiesta è nel cilindro. Pertanto, il sistema S-VT alla fine riduce le perdite di pompaggio del 20% e migliora l'efficienza del processo di combustione. Una soluzione simile è stata utilizzata da tempo dalla BMW, chiamando questo sistema Doppio VANOS.
Quando si utilizza questo sistema di controllo del volume dell'aria aspirata, esiste il rischio di una combustione insufficiente della miscela a causa della pressione inferiore, poiché le valvole di aspirazione rimangono aperte all'inizio della fase di compressione. A questo proposito, gli ingegneri Mazda hanno utilizzato l'alto rapporto di compressione del motore Skyactiv G di 14,0: 1, il che significa una temperatura e una pressione più elevate nel cilindro, quindi il processo di combustione rimane stabile e il motore funziona in modo più economico.
La bassa efficienza del motore è inoltre facilitata dal suo design leggero e dal minore attrito meccanico delle parti in movimento. Rispetto al motore a benzina 2,0 MZR installato, il motore Skyactiv G presenta pistoni più leggeri del 20%, bielle più leggere del 15% e cuscinetti principali dell'albero motore più piccoli, con una riduzione del peso complessivo del 10%. Dimezzando l'attrito delle valvole e l'attrito delle fasce elastiche di quasi il 40%, l'attrito meccanico totale del motore è stato ridotto del 30%.
Tutte le modifiche citate hanno portato a una migliore manovrabilità del motore a regimi medio-bassi e una riduzione del 15% dei consumi di carburante rispetto al classico 2,0 MZR. Oggi, queste importanti emissioni di CO2 sono persino inferiori rispetto al motore diesel 2,2 MZR-CD attualmente in uso. Il vantaggio è anche l'utilizzo della classica benzina BA 95.
Tutti i motori SkyActiv benzina e diesel in Europa saranno dotati di un sistema i-stop, ovvero un sistema stop-start per spegnere automaticamente il motore quando è fermo. Seguiranno altri sistemi elettrici, frenata rigenerativa, ecc.
