Κινητήρας Mazda SkyActiv G - βενζίνης και SkyActiv D - diesel

Οι αυτοκινητοβιομηχανίες στοχεύουν στη μείωση των εκπομπών CO₂ διαφορετικά. Μερικές φορές είναι, για παράδειγμα, o Συμβιβασμοί που μετατοπίζουν τη χαρά της οδήγησης στο περιθώριο. Ωστόσο, η Mazda αποφάσισε να προχωρήσει σε διαφορετική κατεύθυνση και να μειώσει τις εκπομπές ρύπων με μια νέα λύση all-in-one που δεν αφαιρεί την απόλαυση της οδήγησης. Εκτός από τη νέα σχεδίαση κινητήρων βενζίνης και ντίζελ, η λύση περιλαμβάνει επίσης νέο πλαίσιο, αμάξωμα και κιβώτιο ταχυτήτων. Η μείωση του βάρους ολόκληρου του οχήματος συμβαδίζει με τη νέα τεχνολογία.

Πρόσφατες μελέτες δείχνουν ότι οι συμβατικοί κινητήρες εσωτερικής καύσης θα συνεχίσουν να κυριαρχούν στον κόσμο της αυτοκινητοβιομηχανίας για τα επόμενα 15 χρόνια, επομένως αξίζει να συνεχίσουμε να επενδύουμε μεγάλη προσπάθεια για την ανάπτυξή τους. Όπως γνωρίζετε, το μεγαλύτερο μέρος της χημικής ενέργειας που περιέχεται στο καύσιμο δεν μετατρέπεται σε μηχανικό έργο κατά την καύση, αλλά κυριολεκτικά εξατμίζεται με τη μορφή απορριπτόμενης θερμότητας μέσω των σωλήνων εξάτμισης, του καλοριφέρ κ.λπ. και εξηγούν επίσης τις απώλειες που προκαλούνται από την τριβή του τα μηχανικά μέρη του κινητήρα. Κατά την ανάπτυξη της νέας γενιάς βενζινοκινητήρων και πετρελαιοκινητήρων SkyActiv, μηχανικοί από τη Χιροσίμα της Ιαπωνίας εστίασαν σε έξι βασικούς παράγοντες που επηρεάζουν την κατανάλωση και τις εκπομπές ρύπων:

• αναλογία συμπίεσης,
• αναλογία καυσίμου προς αέρα,
• τη διάρκεια της φάσης καύσης του μείγματος,
• ο χρόνος της φάσης καύσης του μείγματος,
• απώλειες άντλησης,
• τριβή των μηχανικών μερών του κινητήρα.

Στην περίπτωση των βενζινοκινητήρων και των κινητήρων ντίζελ, ο λόγος συμπίεσης και η μείωση των απωλειών τριβής έχουν αποδειχθεί ότι είναι οι πιο σημαντικοί παράγοντες για τη μείωση των εκπομπών ρύπων και της κατανάλωσης καυσίμου.

Μοτέρ SkyActiv D

Ο κινητήρας των 2191 cc είναι εξοπλισμένος με σύστημα ψεκασμού υψηλής πίεσης common rail με πιεζοηλεκτρικά μπεκ. Διαθέτει ασυνήθιστα χαμηλή αναλογία συμπίεσης μόλις 14,0: 1 για το ντίζελ. Η επαναφόρτιση παρέχεται από ένα ζευγάρι στροβιλοσυμπιεστών διαφορετικών μεγεθών, γεγονός που έχει θετική επίδραση στη μείωση της καθυστέρησης στην απόκριση του κινητήρα στο πάτημα του πεντάλ γκαζιού. Η σειρά βαλβίδων περιλαμβάνει μεταβλητή διαδρομή βαλβίδας, η οποία θερμαίνεται γρηγορότερα όταν ο κινητήρας είναι κρύος, καθώς μερικά από τα καυσαέρια επιστρέφουν στους κυλίνδρους. Λόγω της αξιόπιστης κρύας εκκίνησης και της σταθερής καύσης κατά τη φάση προθέρμανσης, οι συμβατικοί κινητήρες ντίζελ απαιτούν υψηλή αναλογία συμπίεσης, η οποία κυμαίνεται συνήθως από 16:1 έως 18:1. Η χαμηλή αναλογία συμπίεσης 14,0:1 για το SkyActiv -Ο κινητήρας D επιτρέπει τη βελτιστοποίηση του χρόνου της διαδικασίας καύσης. Καθώς ο λόγος συμπίεσης μειώνεται, η θερμοκρασία και η πίεση του κυλίνδρου μειώνονται επίσης στο άνω νεκρό σημείο. Σε αυτή την περίπτωση, το μείγμα καίγεται περισσότερο ακόμη και αν το καύσιμο εγχυθεί στον κύλινδρο λίγο πριν φτάσει στο νεκρό σημείο. Ως αποτέλεσμα της παρατεταμένης καύσης, δεν σχηματίζονται περιοχές με ανεπάρκεια οξυγόνου στο εύφλεκτο μείγμα και η θερμοκρασία παραμένει ομοιόμορφη, έτσι ώστε να αποκλείεται σημαντικά ο σχηματισμός NOx και αιθάλης. Με ψεκασμό καυσίμου και καύση κοντά στο πάνω νεκρό σημείο, ο κινητήρας είναι πιο αποδοτικός. Αυτό σημαίνει πιο αποτελεσματική χρήση της χημικής ενέργειας που περιέχεται στο καύσιμο καθώς και περισσότερη μηχανική εργασία ανά μονάδα καυσίμου από ό,τι στην περίπτωση ενός κινητήρα ντίζελ υψηλής αναλογίας συμπίεσης. Το αποτέλεσμα είναι μείωση της κατανάλωσης ντίζελ και των λογικών εκπομπών CO2 κατά περισσότερο από 20% σε σύγκριση με έναν κινητήρα 2,2 MZR-CD που λειτουργεί με αναλογία συμπίεσης άνθρακα 16: 1. Έτσι, ακόμη και χωρίς πρόσθετο σύστημα αφαίρεσης NOx, ο κινητήρας πληροί το πρότυπο εκπομπών Euro 6 που πρόκειται να τεθεί σε ισχύ το 2015. Έτσι, ο κινητήρας δεν χρειάζεται επιλεκτική καταλυτική αναγωγή ή καταλύτη αποβολής NOx.

Λόγω της χαμηλής συμπίεσης, ο κινητήρας δεν μπορεί να δημιουργήσει αρκετά υψηλή θερμοκρασία για να αναφλεγεί το μείγμα κατά τις κρύες εκκινήσεις, κάτι που μπορεί να οδηγήσει σε πολύ προβληματική εκκίνηση και διακοπτόμενη λειτουργία του κινητήρα, ειδικά το χειμώνα. Για το λόγο αυτό, το SkyActiv-D είναι εξοπλισμένο με κεραμικούς προθερμαντήρες και βαλβίδα εξαγωγής VVL μεταβλητής διαδρομής. Αυτό επιτρέπει στα καυτά καυσαέρια να ανακυκλώνονται εσωτερικά στον θάλαμο καύσης. Η πρώτη ανάφλεξη υποβοηθείται από έναν προθερμαντήρα, ο οποίος επαρκεί για να φτάσουν τα καυσαέρια στην απαιτούμενη θερμοκρασία. Μετά την εκκίνηση του κινητήρα, η βαλβίδα εξαγωγής δεν θα κλείσει όπως ένας κανονικός κινητήρας εισαγωγής. Αντίθετα, παραμένει μισάνοιχτο και τα καυτά καυσαέρια επιστρέφουν στον θάλαμο καύσης. Αυτό αυξάνει τη θερμοκρασία σε αυτό και επομένως διευκολύνει την επακόλουθη ανάφλεξη του μείγματος. Έτσι, ο κινητήρας λειτουργεί ομαλά και χωρίς διακοπές από την πρώτη στιγμή.

Σε σύγκριση με τον κινητήρα ντίζελ 2,2 MZR-CD, η εσωτερική τριβή έχει επίσης μειωθεί κατά 25%. Αυτό αντικατοπτρίζεται όχι μόνο σε περαιτέρω μείωση των συνολικών απωλειών, αλλά και σε ταχύτερη απόκριση και βελτιωμένη απόδοση. Ένα άλλο πλεονέκτημα της χαμηλότερης σχέσης συμπίεσης είναι οι χαμηλότερες μέγιστες πιέσεις των κυλίνδρων και επομένως λιγότερη πίεση σε μεμονωμένα εξαρτήματα του κινητήρα. Για το λόγο αυτό, δεν υπάρχει ανάγκη για τόσο στιβαρό σχεδιασμό κινητήρα, με αποτέλεσμα περαιτέρω εξοικονόμηση βάρους. Η κυλινδροκεφαλή με ενσωματωμένη πολλαπλή έχει λεπτότερα τοιχώματα και ζυγίζει τρία κιλά λιγότερο από πριν. Το μπλοκ κυλίνδρων αλουμινίου είναι ελαφρύτερο κατά 25 kg. Το βάρος των εμβόλων και του στροφαλοφόρου άξονα έχει μειωθεί κατά 25 τοις εκατό ακόμη. Ως αποτέλεσμα, το συνολικό βάρος του κινητήρα SkyActiv-D είναι 20% χαμηλότερο από αυτό του κινητήρα 2,2 MZR-CD που χρησιμοποιήθηκε μέχρι τώρα.

Ο κινητήρας SkyActiv-D χρησιμοποιεί υπερφόρτιση δύο σταδίων. Αυτό σημαίνει ότι είναι εξοπλισμένο με έναν μικρό και έναν μεγάλο υπερσυμπιεστή, ο καθένας από τους οποίους λειτουργεί σε διαφορετικό εύρος στροφών. Το μικρότερο χρησιμοποιείται σε χαμηλές και μεσαίες στροφές. Λόγω της χαμηλότερης αδράνειας των περιστρεφόμενων μερών, βελτιώνει την καμπύλη ροπής και εξαλείφει το λεγόμενο turbo effect, δηλαδή την καθυστέρηση στην απόκριση του κινητήρα σε ένα ξαφνικό άλμα γκαζιού σε χαμηλή ταχύτητα όταν δεν υπάρχει αρκετή πίεση στην εξάτμιση . σωλήνας διακλάδωσης για γρήγορη περιστροφή της τουρμπίνας του υπερσυμπιεστή. Αντίθετα, ο μεγαλύτερος υπερσυμπιεστής εμπλέκεται πλήρως στη γκάμα των μεσαίων ταχυτήτων. Μαζί, και οι δύο υπερσυμπιεστές παρέχουν στον κινητήρα μια επίπεδη καμπύλη ροπής στις χαμηλές στροφές και υψηλή ισχύ στις υψηλές στροφές. Χάρη στην επαρκή παροχή αέρα από τους υπερσυμπιεστές σε μεγάλο εύρος στροφών, οι εκπομπές NOx και σωματιδίων περιορίζονται στο ελάχιστο.

Μέχρι στιγμής, δύο εκδόσεις του κινητήρα 2,2 SkyActiv-D παράγονται για την Ευρώπη. Το ισχυρότερο έχει μέγιστη ισχύ 129 kW στις 4500 rpm και μέγιστη ροπή 420 Nm στις 2000 rpm. Το πιο αδύναμο έχει 110 kW στις 4500 rpm και ροπή 380 Nm στην περιοχή 1800-2600 rpm, στο max. οι στροφές και των δύο κινητήρων είναι 5200. Στην πράξη, ο κινητήρας λειτουργεί μάλλον νωθρά μέχρι τις 1300 σ.α.λ., από αυτό το όριο αρχίζει να αποκτά ταχύτητα, ενώ για κανονική οδήγηση αρκεί να διατηρείται στις 1700 σ.α.λ. ή περισσότερο ακόμα και για τις ανάγκες της ομαλής επιτάχυνσης.

Κινητήρας SkyActiv G

Ο ατμοσφαιρικός βενζινοκινητήρας, με την ονομασία Skyactiv-G, έχει ασυνήθιστα υψηλή αναλογία συμπίεσης 14,0:1, επί του παρόντος τον υψηλότερο σε επιβατικό αυτοκίνητο μαζικής παραγωγής. Η αύξηση της σχέσης συμπίεσης αυξάνει τη θερμική απόδοση του βενζινοκινητήρα, πράγμα που σημαίνει τελικά χαμηλότερες τιμές CO2 και συνεπώς χαμηλότερη κατανάλωση καυσίμου. Ο κίνδυνος που σχετίζεται με την υψηλή σχέση συμπίεσης στην περίπτωση των βενζινοκινητήρων είναι η λεγόμενη κρουστική καύση - έκρηξη και η επακόλουθη μείωση της ροπής και η υπερβολική φθορά του κινητήρα. Για να αποφευχθεί η κρουστική καύση του μείγματος λόγω της υψηλής αναλογίας συμπίεσης, ο κινητήρας Skyactiv-G χρησιμοποιεί μείωση της ποσότητας καθώς και της πίεσης των υπολειμματικών καυτών αερίων στον θάλαμο καύσης. Επομένως, χρησιμοποιείται ένας σωλήνας εξάτμισης σε διαμόρφωση 4-2-1. Για το λόγο αυτό, ο σωλήνας εξάτμισης είναι σχετικά μακρύς και έτσι εμποδίζει αποτελεσματικά τα καυσαέρια να επιστρέψουν στον θάλαμο καύσης αμέσως μετά την εκκένωση από αυτόν. Η προκύπτουσα πτώση της θερμοκρασίας καύσης αποτρέπει αποτελεσματικά την εμφάνιση έκρηξης καύσης - έκρηξης. Ως άλλο μέσο πρόληψης της έκρηξης, ο χρόνος καύσης του μείγματος έχει μειωθεί. Ταχύτερη καύση του μείγματος σημαίνει μικρότερο χρονικό διάστημα κατά το οποίο το άκαυστο μείγμα καυσίμου και αέρα εκτίθεται σε υψηλές θερμοκρασίες, έτσι ώστε η έκρηξη να μην έχει καθόλου χρόνο να συμβεί. Το κάτω μέρος των εμβόλων είναι επίσης εφοδιασμένο με ειδικές εσοχές, έτσι ώστε οι φλόγες του καιόμενου μείγματος που σχηματίζεται σε πολλές κατευθύνσεις να μπορούν να διαστέλλονται χωρίς να διασταυρώνονται μεταξύ τους, ενώ το σύστημα έγχυσης έχει επίσης εξοπλιστεί με νέα μπεκ πολλαπλών οπών, που επιτρέπει την καύσιμο που πρόκειται να ψεκαστεί.

Είναι επίσης απαραίτητο να μειωθούν οι λεγόμενες απώλειες άντλησης προκειμένου να αυξηθεί η απόδοση του κινητήρα. Αυτό συμβαίνει σε χαμηλότερα φορτία κινητήρα όταν το έμβολο τραβάει αέρα καθώς κινείται προς τα κάτω κατά τη φάση εισαγωγής.Η ποσότητα αέρα που εισέρχεται στον κύλινδρο συνήθως ελέγχεται από μια βαλβίδα γκαζιού που βρίσκεται στο σωλήνα εισαγωγής. Σε ελαφρά φορτία κινητήρα, απαιτείται μόνο μικρή ποσότητα αέρα. Η βαλβίδα γκαζιού είναι σχεδόν κλειστή, γεγονός που οδηγεί στο γεγονός ότι η πίεση στην οδό εισαγωγής και στον κύλινδρο είναι κάτω από την ατμοσφαιρική. Επομένως, το έμβολο πρέπει να ξεπεράσει μια σημαντική αρνητική πίεση - σχεδόν ένα κενό, το οποίο επηρεάζει αρνητικά την κατανάλωση καυσίμου. Οι σχεδιαστές της Mazda χρησιμοποίησαν απεριόριστα μεταβλητό χρονισμό βαλβίδων εισαγωγής και εξαγωγής (S-VT) για να ελαχιστοποιήσουν τις απώλειες της αντλίας. Αυτό το σύστημα σάς επιτρέπει να ελέγχετε την ποσότητα του αέρα εισαγωγής χρησιμοποιώντας βαλβίδες αντί για γκάζι. Σε χαμηλά φορτία κινητήρα, απαιτείται πολύ λίγος αέρας. Έτσι, το σύστημα μεταβλητού χρονισμού της βαλβίδας διατηρεί τις βαλβίδες εισαγωγής ανοιχτές στην αρχή της φάσης συμπίεσης (όταν το έμβολο ανεβαίνει) και τις κλείνει μόνο όταν η απαιτούμενη ποσότητα αέρα βρίσκεται στον κύλινδρο. Έτσι, το σύστημα S-VT μειώνει τελικά τις απώλειες άντλησης κατά 20% και βελτιώνει την απόδοση της διαδικασίας καύσης. Μια παρόμοια λύση χρησιμοποιεί η BMW εδώ και πολύ καιρό, ονομάζοντας αυτό το σύστημα Διπλό VANOS.

Όταν χρησιμοποιείτε αυτό το σύστημα ελέγχου όγκου αέρα εισαγωγής, υπάρχει κίνδυνος ανεπαρκούς καύσης του μείγματος λόγω της χαμηλότερης πίεσης, καθώς οι βαλβίδες εισαγωγής παραμένουν ανοιχτές στην αρχή της φάσης συμπίεσης. Από αυτή την άποψη, οι μηχανικοί της Mazda χρησιμοποίησαν την υψηλή αναλογία συμπίεσης του κινητήρα Skyactiv G 14,0: 1, που σημαίνει υψηλότερη θερμοκρασία και πίεση στον κύλινδρο, έτσι ώστε η διαδικασία καύσης να παραμένει σταθερή και ο κινητήρας να λειτουργεί πιο οικονομικά.

Η χαμηλή απόδοση του κινητήρα διευκολύνεται επίσης από τον ελαφρύ σχεδιασμό του και τη λιγότερη μηχανική τριβή των κινούμενων μερών. Σε σύγκριση με τον εγκατεστημένο κινητήρα βενζίνης 2,0 MZR, ο κινητήρας Skyactiv G διαθέτει 20% ελαφρύτερα έμβολα, 15% ελαφρύτερες μπιέλες και μικρότερα κύρια ρουλεμάν στροφαλοφόρου, με αποτέλεσμα τη συνολική μείωση του βάρους κατά 10%. Μειώνοντας στο μισό την τριβή των βαλβίδων και την τριβή των δακτυλίων του εμβόλου κατά σχεδόν 40%, η συνολική μηχανική τριβή του κινητήρα έχει μειωθεί κατά 30%.

Όλες οι τροποποιήσεις που αναφέρθηκαν είχαν ως αποτέλεσμα καλύτερους ελιγμούς του κινητήρα στις χαμηλές έως μεσαίες στροφές και 15% μείωση στην κατανάλωση καυσίμου σε σύγκριση με το κλασικό 2,0 MZR. Σήμερα, αυτές οι σημαντικές εκπομπές CO2 είναι ακόμη χαμηλότερες από τον κινητήρα ντίζελ 2,2 MZR-CD που χρησιμοποιείται σήμερα. Το πλεονέκτημα είναι επίσης η χρήση της κλασικής βενζίνης BA 95.

Όλοι οι κινητήρες βενζίνης και ντίζελ SkyActiv στην Ευρώπη θα είναι εξοπλισμένοι με σύστημα i-stop, δηλαδή σύστημα stop-start για αυτόματη απενεργοποίηση του κινητήρα όταν σταματά. Θα ακολουθήσουν και άλλα ηλεκτρικά συστήματα, αναγεννητική πέδηση κ.λπ.