Motor Mazda SkyActiv G - bencinski in SkyActiv D - dizelski
Proizvajalci avtomobilov si prizadevajo zmanjšati emisije CO2 drugače. Včasih gre na primer za kompromise, ki veselje do vožnje preusmerijo na stranski tir. Vendar se je Mazda odločila, da gre v drugo smer in zmanjša emisije z novo rešitvijo vse v enem, ki ne jemlje užitka v vožnji. Rešitev poleg nove zasnove bencinskih in dizelskih motorjev vključuje tudi novo podvozje, karoserijo in menjalnik. Zmanjševanje teže celotnega vozila gre z roko v roki z novo tehnologijo.
Nedavne študije kažejo, da bodo konvencionalni motorji z notranjim zgorevanjem v naslednjih 15 letih še naprej prevladovali v avtomobilskem svetu, zato je vredno še naprej vlagati veliko truda v njihov razvoj. Kot veste, se večina kemične energije, ki jo vsebuje gorivo, med zgorevanjem ne pretvori v mehansko delo, ampak dobesedno izhlapi v obliki odpadne toplote skozi izpušne cevi, radiator itd., Prav tako pa pojasnijo izgube zaradi trenja mehanskih delov motorja. Inženirji iz Hirošime na Japonskem so se pri razvoju nove generacije bencinskih in dizelskih motorjev SkyActiv osredotočili na šest glavnih dejavnikov, ki vplivajo na porabo in emisije:
- kompresijsko razmerje,
- razmerje med gorivom in zrakom,
- trajanje zgorevalne faze mešanice,
- čas zgorevanja zmesi,
- izgube črpanja,
- trenje mehanskih delov motorja.
Pri bencinskih in dizelskih motorjih sta se kompresijsko razmerje in zmanjšanje izgub zaradi trenja izkazala za najpomembnejša dejavnika pri zmanjševanju emisij in porabe goriva.
Motor SkyActiv D
Motor 2191 ccm je opremljen z visokotlačnim sistemom vbrizgavanja Common Rail s piezoelektričnimi injektorji. Odlikuje ga nenavadno nizko kompresijsko razmerje le 14,0: 1 za dizelsko gorivo. Za polnjenje skrbi par turbopolnilnikov različnih velikosti, kar pozitivno vpliva na zmanjšanje zamude pri odzivu motorja na pritisk stopalke za plin. Ventilni ventil vključuje spremenljiv hod ventila, ki se pri hladnem motorju hitreje segreje, saj se del izpušnih plinov vrne v jeklenke. Zaradi zanesljivega hladnega zagona in stabilnega izgorevanja med fazo ogrevanja običajni dizelski motorji zahtevajo visoko kompresijsko razmerje, ki je običajno v razponu od 16: 1 do 18: 1. Nizko kompresijsko razmerje 14,0: 1 za SkyActiv -D motor omogoča optimizacijo časa zgorevalnega procesa. Z zmanjšanjem kompresijskega razmerja se temperatura in tlak jeklenke prav tako znižata na zgornji mrtvi točki. V tem primeru mešanica gori dlje, tudi če gorivo vbrizgate v valj tik preden dosežete zgornjo mrtvo točko. Zaradi dolgotrajnega zgorevanja se v gorljivi zmesi ne tvorijo območja s pomanjkanjem kisika, temperatura pa ostaja enotna, tako da je tvorba NOx in saj tako znatno izključena. Z vbrizgom goriva in zgorevanjem blizu zgornje mrtve točke je motor učinkovitejši. To pomeni učinkovitejšo uporabo kemične energije v gorivu in več mehanskega dela na enoto goriva kot pri dizelskem motorju z visokim kompresijskim razmerjem. Rezultat je zmanjšanje porabe dizelskega goriva in logičnih izpustov CO2 za več kot 20% v primerjavi z 2,2 MZR-CD motorjem, ki deluje s kompresijskim razmerjem 16: 1. Kot rečeno, med zgorevanjem nastaja veliko manj dušikovih oksidov in skoraj nič tehničnega ogljika . Tako tudi brez dodatnega sistema za odstranjevanje NOx motor izpolnjuje emisijski standard Euro 6, ki naj bi začel veljati leta 2015. Tako motor ne potrebuje selektivne katalitične redukcije ali katalizatorja, ki odstranjuje NOx.
Zaradi nizkega stiskanja motor ne more ustvariti dovolj visoke temperature, da bi vžigal mešanico med hladnim zagonom, kar lahko privede do zelo problematičnega zagona in občasnega delovanja motorja, zlasti pozimi. Zaradi tega je SkyActiv-D opremljen s keramičnimi vžigalnimi svečkami in izpušnim ventilom VVL s spremenljivim hodom. To omogoča vročo kroženje vročih izpušnih plinov v zgorevalni komori. Pri prvem vžigu pomaga vžigalna svečka, ki zadošča, da izpušni plini dosežejo zahtevano temperaturo. Po zagonu motorja se izpušni ventil ne zapre kot običajni sesalni motor. Namesto tega ostane odprt in vroči izpušni plini se vrnejo v zgorevalno komoro. To dvigne temperaturo v njem in zato olajša poznejši vžig mešanice. Tako motor teče nemoteno in brez prekinitev od prvega trenutka.
V primerjavi z dizelskim motorjem 2,2 MZR-CD se je za 25 % zmanjšalo tudi notranje trenje. To se odraža ne samo v nadaljnjem zmanjšanju skupnih izgub, ampak tudi v hitrejšem odzivu in izboljšani učinkovitosti. Druga prednost nižjega kompresijskega razmerja je nižji največji tlak v valjih in s tem manjša obremenitev posameznih komponent motorja. Zaradi tega ni potrebe po tako robustni zasnovi motorja, kar ima za posledico dodatne prihranke pri teži. Glava valja z integriranim razdelilnikom ima tanjše stene in tehta tri kilograme manj kot prej. Aluminijasti blok cilindrov je lažji za 25 kg. Teža batov in ročične gredi se je zmanjšala še za 25 odstotkov. Posledično je skupna teža motorja SkyActiv-D za 20 % manjša kot pri motorju 2,2 MZR-CD, ki je bil uporabljen do sedaj.
Motor SkyActiv-D uporablja dvostopenjsko polnjenje. To pomeni, da je opremljen z enim majhnim in enim velikim turbopolnilnikom, od katerih vsak deluje v različnem območju hitrosti. Manjša se uporablja pri nizkih in srednjih vrtljajih. Zaradi manjše vztrajnosti vrtljivih delov izboljša krivuljo navora in odpravi tako imenovani turbo učinek, torej zamudo pri odzivu motorja na nenadni skok pospeševalnika pri nizki hitrosti, ko v izpuhu ni dovolj pritiska . cev za hitro obračanje turbine turbopolnilnika. Nasprotno pa je večji turbopolnilnik popolnoma vklopljen v območju srednjih hitrosti. Skupaj oba turbopolnilnika motorju zagotavljata ravno krivuljo navora pri nizkih vrtljajih in veliko moč pri visokih vrtljajih. Zaradi zadostnega dovoda zraka iz turbopolnilnikov v širokem območju vrtljajev so emisije NOx in delcev čim manjše.
Doslej za Evropo izdelujejo dve različici motorja 2,2 SkyActiv-D. Najmočnejši ima največjo moč 129 kW pri 4500 vrt / min in največji navor 420 Nm pri 2000 vrt / min. Šibkejši ima 110 kW pri 4500 vrt / min in navor 380 Nm v območju 1800-2600 vrt / min, pri maks. hitrost obeh motorjev je 5200. V praksi motor deluje precej letargično do 1300 vrt / min, od te meje začne povečevati hitrost, medtem ko za normalno vožnjo zadostuje, da ga vzdržujete pri okoli 1700 vrtljajih na minuto ali več tudi za potrebe gladkega pospeška.
Motor SkyActiv G
Atmosferski bencinski motor z oznako Skyactiv-G ima nenavadno visoko kompresijsko razmerje 14,0 : 1, ki je trenutno najvišje v množično proizvedenih osebnih avtomobilih. Povečanje kompresijskega razmerja poveča toplotno učinkovitost bencinskega motorja, kar na koncu pomeni nižje vrednosti CO2 in s tem manjšo porabo goriva. Tveganje, povezano z visokim kompresijskim razmerjem pri bencinskih motorjih, je tako imenovano knocking combustion – detonacija in posledično zmanjšanje navora ter prekomerna obraba motorja. Motor Skyactiv-G uporablja zmanjšanje količine in tlaka preostalih vročih plinov v zgorevalni komori, da prepreči izgorevanje zmesi zaradi visokega kompresijskega razmerja. Zato se uporablja izpušna cev v konfiguraciji 4-2-1. Zaradi tega je izpušna cev razmeroma dolga in tako učinkovito preprečuje povratek izpušnih plinov v zgorevalno komoro takoj po izpustu iz nje. Posledično znižanje temperature zgorevanja učinkovito preprečuje nastanek detonacijskega zgorevanja – detonacije. Kot drugo sredstvo za preprečevanje detonacije je bil skrajšan čas gorenja mešanice. Hitrejše gorenje zmesi pomeni krajši čas, v katerem je nezgorela zmes goriva in zraka izpostavljena visokim temperaturam, tako da do detonacije sploh ne pride. Spodnji del batov je opremljen tudi s posebnimi vdolbinami, tako da se plameni goreče zmesi, ki nastajajo v več smereh, lahko širijo brez križanja, sistem za vbrizgavanje pa je opremljen tudi z novo razvitimi injektorji z več luknjami, ki omogočajo gorivo, ki se razprši.
Za povečanje učinkovitosti motorja je treba zmanjšati tudi tako imenovane črpalne izgube. To se zgodi pri nižjih obremenitvah motorja, ko bat sesa zrak, ko se premika navzdol med fazo sesanja.Količino zraka, ki vstopa v valj, običajno nadzira dušilni ventil, ki se nahaja v sesalnem traktu. Pri majhnih obremenitvah motorja je potrebna le majhna količina zraka. Dušilna loputa je skoraj zaprta, kar vodi do dejstva, da je tlak v sesalnem traktu in v valju pod atmosferskim. Zato mora bat premagati znaten podtlak - skoraj vakuum, kar negativno vpliva na porabo goriva. Mazdini oblikovalci so uporabili neskončno spremenljivo krmiljenje sesalnih in izpušnih ventilov (S-VT), da bi zmanjšali izgube črpalke. Ta sistem vam omogoča nadzor količine vsesanega zraka z uporabo ventilov namesto plina. Pri nizkih obremenitvah motorja je potrebno zelo malo zraka. Tako sistem spremenljivega krmiljenja ventilov ohranja sesalne ventile odprte na začetku kompresijske faze (ko se bat dvigne) in jih zapre šele, ko je v valju potrebna količina zraka. Tako sistem S-VT na koncu zmanjša črpalne izgube za 20 % in izboljša učinkovitost zgorevalnega procesa. Podobno rešitev že dlje časa uporablja BMW in ta sistem imenuje Dvojni VANOS.
Pri uporabi tega sistema za nadzor količine vsesanega zraka obstaja nevarnost nezadostnega zgorevanja zmesi zaradi nižjega tlaka, saj dovodni ventili ostanejo odprti na začetku faze stiskanja. V zvezi s tem so Mazdini inženirji uporabili visoko kompresijsko razmerje motorja Skyactiv G 14,0: 1, kar pomeni višjo temperaturo in tlak v jeklenki, zato proces zgorevanja ostaja stabilen in motor deluje bolj ekonomično.
Nizki učinkovitosti motorja olajšata tudi njegova lahka zasnova in manjše mehansko trenje gibljivih delov. Motor Skyactiv G ima v primerjavi z nameščenim bencinskim motorjem 2,0 MZR 20% lažjih batov, 15% lažjih ojnic in manjših glavnih ležajev ročične gredi, kar ima za posledico skupno zmanjšanje teže za 10%. S prepolovitvijo trenja ventilov in trenja batnih obročev za skoraj 40%se je skupno mehansko trenje motorja zmanjšalo za 30%.
Vse omenjene spremembe so povzročile boljšo okretnost motorja pri nizkih do srednjih vrtljajih in 15 -odstotno zmanjšanje porabe goriva v primerjavi s klasičnim 2,0 MZR. Danes so te pomembne emisije CO2 celo nižje od 2,2 MZR-CD dizelskega motorja, ki je v uporabi danes. Prednost je tudi uporaba klasičnega bencina BA 95.
Vsi bencinski in dizelski motorji SkyActiv v Evropi bodo opremljeni s sistemom i-stop, to je sistemom za zaustavitev in zagon, ki samodejno izklopi motor ob ustavitvi. Sledili bodo drugi električni sistemi, regenerativno zaviranje itd.
