Compania Mazda și-a propus două obiective majore pentru automobilele produse: să ofere clintului o experiență plăcută în timpul condusului și în același timp să reducă substanțial consumul de combustibil și nivelul de emisii poluante.
Până în 2015 compania are în vedere reducerea consumului de combustibil pe gama de automobile cu 30%, comparativ cu anul 2008. Pentru a realiza acest obiectiv Mazda a demarat programul SKYACTIV care presupune optimizarea tuturor componentelor automobilului care au impact asupra performanţelor (dinamice și de consum).
Într-un motor cu ardere internă convențional aproximativ 70-80% din energia disponibilă în combustibil este pierdută înainte de a ajunge la roțile motoare. Obiectivul Mazda este de a îmbunătății procesul de combustie prin creșterea raportului de comprimare.
Skyactiv-G este programul Mazda de optimizare a motoarelor pe benzină.
Un raport de comprimare mare îmbunătățește considerabil eficiența termică a motorului. O valoare uzuală a raportului de comprimare pentru motoarele pe benzină actuale este în jur de 10:1 până la 12:1. Dacă raportul de comprimare este ridicat de la 10:1 la 15:1 eficiența termică a motorului este îmbunătățită cu aproximativ 10%.
Creșterea teoretică a cuplului motor în funcție de raportul de comprimare
În funcție de tehnologia utilizată pentru sistemul de injecție și pentru sistemul de distribuție, motoarele pe benzină actuale ajung la valori ale raportului de comprimare în jurul de 10.0:1 sau 11.0:1. Ferrari 458 Italia are un motor pe benzină cu raport de comprimare de 12.5:1, dar utilizează doar combustibil premium cu cifra octanică 98 sau 100.
Exemple de rapoarte de comprimare pentru motoarele pe benzină
Creșterea pierderilor de cuplu, datorită intensificării procesului de detonație, este principalul motiv pentru care raportul de comprimare este limitat. Detonația este un proces distructiv, nedorit, în care amestecul aer-combustibil se autoaprinde și arde foarte rapid, exploziv. Apariția detonației este favorizată la temperaturi și presiuni înalte.
Pentru a diminua riscul apariției detonației temperatura din cilindru, la sfârșitul cursei de comprimare, trebuie redusă.
Gazele arse reziduale, care rămân în cilindru după cursă de evacuare, au un impact foarte mare asupra temperaturii din cilindru. De exemplu, la un motor pe benzină, cu un raport de comprimare de 10:1, dacă temperatura gazelor de evacuare este de 750 °C iar temperatura aerul de admisie este de 25 °C, dacă 10% din gazele arse rămân în cilindru, după evacuare, temperatura amestecului aer-combustibil din cilindru va crește cu 70 °C înainte de comprimare și cu 160 °C la sfârșitul cursei de comprimare.
Dacă procentul de gaze arse reziduale din cilindru se poate reduce de la 8% la 4% temperatura la sfârșitul cursei de comprimare (PMI) are aceeași valoare ca în cazul în care am mări raportul de comprimare de la 11:1 la 14:1.
Pe reducerea procentului de gaze arse reziduale s-a bazat dezvoltarea motorul Skyactiv-G, pentru a permite
funcționarea fără detonație.
La o galerie de evacuare clasică, de exemplu la un motor cu 4 cilindri, gazele arse sunt preluate individual de 4 conducte care converg într-o singură conductă.
Dacă ordinea de aprindere a motorului este 1-3-4-2, pe fază de admisiei a cilindrului 1 se suprapune faza de evacuare a cilindrului 3. De asemenea, datorită suprapunerii deschiderii supapelor celor doi cilindri, presiunea gazelor de evacuare accentuează pătrunderea gazelor din evacuare înapoi în cilindrul 1. Pătrunderea gazelor arse în cilindrul care se află pe fază de admisie are ca efect creșterea temperaturii la sfârșitul fazei de comprimare, ceea ce favorizează detonația.
Acest fenomen este prezent atât la turații joase cât și la turațiile înalte ale motorului.
Una din metodele de reducere a procentului de gaze arse din cilindru, deci implicit a temperaturii la sfârșitul cursei de comprimare, este utilizarea unui sistem de evacuare 4-2-1.
Acesta presupune o galerie de evacuare care preia gazele arse de la cei 4 cilindri prin 4 conducte separate. După o anumită lungime, cele 4 conducte converg în 2 și într-un final, înainte de a intra în catalizator, se unesc într-o singură conductă.
La o galerie cu traseu lung al gazelor de evacuare, de tipul 4-2-1, unda de presiune a gazelor de evacuare a cilindrului 3 trebuie să parcurgă o distanță mai mare până la cilindrul 1 . Din acest motiv contrapresiunea din galeria de evacuare nu impactează umplerea cilindrului 1 cu aer proaspăt. Acest efect se menține pe întreaga plajă de turație a motorului.
Lungimea traseului de evacuare are un impact negativ asupra timpului de amorsare al catalizatorului. La pornirea la rece a motorului gazele de evacuare se răcesc până să ajungă la catalizator și întârzie punerea în funcțiune al acestuia (temperatura optimă). Din acest motiv emisiile poluante ale motorului sunt mai mari comparativ cu un motor cu galerie de evacuare clasică.
Pentru a elimina acest dezavantaj inginerii de la Mazda au optimizat procesul de injecție de benzină. La pornirea la rece a motorului momentul injecției a fost mult întârziat astfel încât procesul de ardere a amestecului aer-combustibil să aibă loc parțial pe galeria de evacuare. Astfel gazele de evacuare au temperatura necesară la pătrunderea în catalizator chiar dacă lungimea galeriei de evacuare este considerabilă.
Totuși, dacă întârzierea este prea mare atunci arderea devine instabilă. Pentru a compensa acest efect pentru motorul Skyactiv-G s-a adoptat un piston cu o cavitate centrală.
Această geometrie a pistonului împreună cu optimizarea procesului de injecție directă de benzină au avut ca efect crearea unui spațiu în care să se inițieze arderea, în jurul bujiei, fără ca frontul de flacără să aibă contact cu pereții pistonului. Astfel se reduc pierderile de căldură, arderea se stabilizează și frontul de flacără se propagă în toată camera de ardere.
Pentru îmbunătățirea randamentului motorul Skyactiv-G a fost optimizat și pe partea mecanică. Comparativ cu generația anterioară de motoare pe benzină rezistențele mecanice au fost reduse cu aproximativ 30% printr-o serie de tehnologii:
- reducerea maselor pieselor în mișcare prin optimizarea geometriei (piston, bielă, arbore cotit)
- optimizarea sistemului de distribuție prin reducerea pierderilor prin frecare
- reducerea pierderilor din sistemul de ungere prin optimizarea traseului uleiului prin motor
- reducerea pierderilor din sistemul de răcire prin optimizarea traseului lichidului de răcire și a pompei de apă
Toate aceste tehnologii combinate au condus la obținerea unor performanțe notabile. Comparativ cu generaţia anterioară de motoare pe benzină (ex. 2.0 litri, MZR) motorul de 2.0 litri cu injecție directă de benzină, aspirat, pe anumite puncte de funcționare are un consum specific efectiv de combustibil redus cu 15%. Mai mult, motorul Skyactiv-G 2.0 litri are un consum de combustibil comparabil cu motorul Mazda diesel de 2.2 litri.
În ceea ce privește performanțele dinamice ale motorului Skyactiv-G progresele sunt de asemenea substanțiale.
Comparativ cu un motor Mazda 2.0 litri, injecție indirectă pe toată plajă de turație, cuplul motor este mai mare cu aproximativ 15%. Comparativ cu motorul Mazda de 2.0 litri și injecție directă (MZR) cuplul motor este mai mare cu aproximativ 10%.
Mazda a aplicat tehnologia Skyactiv-G pe mai multe motoare pe benzină, de cilindree diferită. Performanțele acestor motoare sunt centralizate în tabelul de mai jos.
Cu tehnologia Skyactiv-G Mazda reușește să îmbine performanțele dinamice ridicate și consumul redus de combustibil pe același motor. Din punct de vedere tehnologic motorul Mazda Skyactiv-G se situează într-o poziție de top și reușește să redefinească limitările motoarelor cu ardere internă.
