Mazda SkyActiv G-motor – benzine en SkyActiv D – diesel

Autofabrikanten streven naar vermindering van CO-uitstoot₂ anders. Soms zijn het bijvoorbeeld o Compromissen die het plezier van het rijden naar de zijlijn verschuiven. Mazda heeft echter besloten een andere richting in te slaan en de uitstoot te verminderen met een nieuwe alles-in-één oplossing die het rijplezier niet wegneemt. Naast het nieuwe ontwerp van benzine- en dieselmotoren omvat de oplossing ook een nieuw chassis, carrosserie en versnellingsbak. Het verminderen van het gewicht van het gehele voertuig gaat hand in hand met nieuwe technologie.

Recente studies tonen aan dat conventionele verbrandingsmotoren de autowereld de komende 15 jaar zullen blijven domineren, dus het is de moeite waard om veel energie te blijven steken in de ontwikkeling ervan. Zoals u weet, wordt de meeste chemische energie in de brandstof niet omgezet in mechanische arbeid tijdens de verbranding, maar verdampt letterlijk in de vorm van afvalwarmte via de uitlaatpijpen, radiator, enz. en ze verklaren ook de verliezen veroorzaakt door wrijving van de mechanische onderdelen van de motor. Bij de ontwikkeling van de nieuwe generatie SkyActiv-benzine- en dieselmotoren hebben ingenieurs uit Hiroshima, Japan, zich gericht op zes hoofdfactoren die het resulterende verbruik en de emissies beïnvloeden:

• compressieverhouding,
• brandstof-luchtverhouding,
• de duur van de verbrandingsfase van het mengsel,
• de tijd van de verbrandingsfase van het mengsel,
• pompverliezen,
• wrijving van de mechanische onderdelen van de motor.

In het geval van benzine- en dieselmotoren zijn compressieverhouding en vermindering van wrijvingsverlies de belangrijkste factoren gebleken bij het verminderen van emissies en brandstofverbruik.

SkyActiv D-motor

De 2191 cc motor is uitgerust met een hogedruk common-rail injectiesysteem met piëzo-elektrische injectoren. Hij heeft een ongewoon lage compressieverhouding van slechts 14,0:1 voor diesel. Het opladen wordt verzorgd door een paar turbocompressoren van verschillende afmetingen, wat een positief effect heeft op het verminderen van de vertraging in de motorrespons op het indrukken van het gaspedaal. De kleppentrein activeert een variabele slag van de uitlaatkleppen, wat leidt tot een snellere opwarming van een koude motor, aangezien een deel van de uitlaatgassen wordt teruggevoerd naar de cilinders. Vanwege de betrouwbare koude start en stabiele verbranding tijdens de opwarmfase, hebben conventionele dieselmotoren een hoge compressieverhouding nodig, die doorgaans in het bereik van 16:1 tot 18:1 ligt. De lage compressieverhouding van 14,0:1 voor de SkyActiv -D-motor maakt het mogelijk om de tijd van het verbrandingsproces te optimaliseren. Naarmate de compressieverhouding afneemt, nemen de cilindertemperatuur en -druk ook af in het bovenste dode punt. In dit geval brandt het mengsel langer, zelfs als er brandstof in de cilinder wordt gespoten net voordat het bovenste dode punt wordt bereikt. Door langdurige verbranding ontstaan ​​in het brandbare mengsel geen plekken met een zuurstoftekort en blijft de temperatuur gelijk, waardoor de vorming van NOx en roet significant wordt geëlimineerd. Met brandstofinjectie en verbranding nabij het bovenste dode punt, is de motor efficiënter. Dit betekent een efficiënter gebruik van de chemische energie in de brandstof en meer mechanische arbeid per eenheid brandstof dan in het geval van een dieselmotor met een hoge compressieverhouding. Het resultaat is een vermindering van het dieselverbruik en een logische CO2-uitstoot met meer dan 20% in vergelijking met een 2,2 MZR-CD-motor die werkt met een compressieverhouding van 16:1.carbon. Zo voldoet de motor ook zonder een extra NOx-verwijderingssysteem aan de Euro 6-emissienorm die in 2015 van kracht wordt. De motor heeft dus geen selectieve katalytische reductie of een NOx-eliminerende katalysator nodig.

Door de lage compressie kan de motor geen temperatuur genereren die hoog genoeg is om het mengsel te ontsteken tijdens koude starts, wat kan leiden tot zeer problematisch starten en intermitterende werking van de motor, vooral in de winter. Om deze reden is SkyActiv-D uitgerust met keramische gloeibougies en een VVL-uitlaatklep met variabele slag. Hierdoor kunnen hete uitlaatgassen intern in de verbrandingskamer worden gerecirculeerd. De eerste ontsteking wordt ondersteund door een gloeibougie, die voldoende is om de uitlaatgassen op temperatuur te laten komen. Na het starten van de motor zal de uitlaatklep niet sluiten zoals bij een normale inlaatmotor. In plaats daarvan blijft hij op een kier staan ​​en keren de hete uitlaatgassen terug naar de verbrandingskamer. Dit verhoogt de temperatuur erin en vergemakkelijkt zo de daaropvolgende ontbranding van het mengsel. Zo loopt de motor vanaf het eerste moment soepel en zonder onderbreking.

In vergelijking met de 2,2 MZR-CD dieselmotor is de interne wrijving ook met 25% verminderd. Dit komt niet alleen tot uiting in een verdere vermindering van de totale verliezen, maar ook in een snellere respons en verbeterde prestaties. Een ander voordeel van een lagere compressieverhouding is een lagere maximale cilinderdruk en dus minder belasting van individuele motorcomponenten. Om deze reden is er geen behoefte aan een dergelijk robuust motorontwerp, wat resulteert in verdere gewichtsbesparingen. De cilinderkop met geïntegreerd spruitstuk heeft dunnere wanden en weegt drie kilogram minder dan voorheen. Het aluminium cilinderblok is 25 kg lichter. Het gewicht van de zuigers en krukas is met nog eens 25 procent verminderd. Als gevolg hiervan is het totale gewicht van de SkyActiv-D-motor 20% lager dan dat van de tot nu toe gebruikte 2,2 MZR-CD-motor.

De SkyActiv-D-motor maakt gebruik van tweetraps supercharger. Dit betekent dat hij is uitgerust met een kleine en een grote turbo, elk met een ander toerentalbereik. De kleinere wordt gebruikt bij lage en gemiddelde toerentallen. Door de lagere traagheid van de roterende delen verbetert het de koppelcurve en elimineert het het zogenaamde turbo-effect, dat wil zeggen de vertraging in de reactie van de motor op een plotselinge gassprong bij lage snelheid wanneer er niet genoeg druk in de uitlaat is . aftakleiding voor snel draaien van de turbocompressorturbine. Daarentegen is de grotere turbocompressor volledig ingeschakeld in het middentoerenbereik. Samen zorgen beide turbocompressoren voor een vlakke koppelkromme bij lage toerentallen en een hoog vermogen bij hoge toerentallen. Dankzij de voldoende luchttoevoer van de turbocompressoren over een breed toerentalbereik wordt de uitstoot van NOx en fijnstof tot een minimum beperkt.

Tot nu toe worden er voor Europa twee versies van de 2,2 SkyActiv-D-motor geproduceerd. De sterkere heeft een maximaal vermogen van 129 kW bij 4500 tpm en een maximumkoppel van 420 Nm bij 2000 tpm. De zwakkere heeft 110 kW bij 4500 tpm en een koppel van 380 Nm in het bereik van 1800-2600 tpm, bij max. het toerental van beide motoren is 5200. In de praktijk werkt de motor nogal lusteloos tot 1300 tpm, vanaf deze limiet begint hij snelheid te krijgen, terwijl het voor normaal rijden voldoende is om hem op ongeveer 1700 tpm of meer te houden, zelfs voor de soepele acceleratie nodig.

SkyActiv G-motor

De atmosferische benzinemotor, genaamd Skyactiv-G, heeft een ongewoon hoge compressieverhouding van 14,0:1, momenteel de hoogste in een in massa geproduceerde personenauto. Het verhogen van de compressieverhouding verhoogt het thermisch rendement van de benzinemotor, wat uiteindelijk lagere CO2-waarden en dus een lager brandstofverbruik betekent. Het risico van een hoge compressieverhouding bij benzinemotoren is de zogenaamde kloppende verbranding - ontploffing en de daaruit voortvloeiende vermindering van het koppel en overmatige motorslijtage. Om kloppende verbranding van het mengsel als gevolg van de hoge compressieverhouding te voorkomen, gebruikt de Skyactiv-G-motor een vermindering van zowel de hoeveelheid als de druk van de resterende hete gassen in de verbrandingskamer. Daarom wordt een uitlaatpijp in een 4-2-1-configuratie gebruikt. Om deze reden is de uitlaatpijp relatief lang en wordt zo effectief voorkomen dat uitlaatgassen direct na het verlaten ervan terugkeren naar de verbrandingskamer. De resulterende daling van de verbrandingstemperatuur voorkomt effectief het optreden van detonatieverbranding - detonatie. Als een ander middel om ontploffing te voorkomen, is de brandtijd van het mengsel verkort. Snellere verbranding van het mengsel betekent een kortere tijd waarin het onverbrande mengsel van brandstof en lucht wordt blootgesteld aan hoge temperaturen, zodat ontploffing helemaal geen tijd krijgt. Het onderste deel van de zuigers is ook voorzien van speciale uitsparingen zodat de vlammen van het zich vormende brandende mengsel in vele richtingen kunnen uitzetten zonder elkaar te kruisen, en het injectiesysteem is ook uitgerust met nieuw ontwikkelde multi-hole injectoren, waardoor de brandstof te vernevelen.

Het is ook noodzakelijk om de zogenaamde pompverliezen te verminderen om de efficiëntie van de motor te verhogen. Dit gebeurt bij lagere motorbelastingen wanneer de zuiger lucht aanzuigt terwijl deze naar beneden beweegt tijdens de inlaatfase.De hoeveelheid lucht die de cilinder binnenkomt, wordt meestal geregeld door een smoorklep in het inlaatkanaal. Bij lichte motorbelastingen is slechts een kleine hoeveelheid lucht nodig. De gasklep is bijna gesloten, wat ertoe leidt dat de druk in het inlaatkanaal en in de cilinder onder de atmosferische druk is. Daarom moet de zuiger een aanzienlijke negatieve druk overwinnen - bijna een vacuüm, wat het brandstofverbruik negatief beïnvloedt. Mazda's ontwerpers gebruikten oneindig variabele inlaat- en uitlaatkleptiming (S-VT) om pompverliezen te minimaliseren. Met dit systeem kunt u de hoeveelheid inlaatlucht regelen met behulp van kleppen in plaats van een gashendel. Bij lage motorbelastingen is zeer weinig lucht nodig. Zo houdt het variabele kleptimingsysteem de inlaatkleppen open aan het begin van de compressiefase (wanneer de zuiger omhoog gaat) en sluit ze pas wanneer de vereiste hoeveelheid lucht in de cilinder zit. Zo vermindert het S-VT-systeem uiteindelijk de pompverliezen met 20% en verbetert het de efficiëntie van het verbrandingsproces. Een vergelijkbare oplossing wordt al lange tijd door BMW gebruikt, dit systeem genaamd Dubbele VANOS.

Bij gebruik van deze inlaatluchtvolumeregeling bestaat het risico van onvoldoende verbranding van het mengsel door de lagere druk, aangezien de inlaatkleppen open blijven aan het begin van de compressiefase. In dit opzicht gebruikten de Mazda-ingenieurs de hoge compressieverhouding van de Skyactiv G-motor van 14,0:1, wat een hogere temperatuur en druk in de cilinder betekent, zodat het verbrandingsproces stabiel blijft en de motor zuiniger loopt.

Het lage rendement van de motor wordt ook mogelijk gemaakt door het lichtgewicht ontwerp en de minder mechanische wrijving van bewegende delen. Vergeleken met de geïnstalleerde 2,0 MZR-benzinemotor heeft de Skyactiv G-motor 20% lichtere zuigers, 15% lichtere drijfstangen en kleinere hoofdlagers van de krukas, wat resulteert in een totale gewichtsvermindering van 10%. Door de wrijving van de kleppen en de wrijving van de zuigerveren met bijna 40% te halveren, is de totale mechanische wrijving van de motor met 30% verminderd.

Alle genoemde aanpassingen resulteerden in een betere manoeuvreerbaarheid van de motor bij lage tot middelhoge toerentallen en een 15% lager brandstofverbruik in vergelijking met de klassieke 2,0 MZR. Tegenwoordig zijn deze belangrijke CO2-emissies zelfs lager dan de 2,2 MZR-CD-dieselmotor die vandaag in gebruik is. Het voordeel is ook het gebruik van klassieke BA 95 benzine.

Alle SkyActiv-benzine- en dieselmotoren in Europa zullen worden uitgerust met een i-stop-systeem, d.w.z. een stop-startsysteem om de motor automatisch uit te schakelen wanneer deze wordt gestopt. Andere elektrische systemen, regeneratief remmen, enz. zullen volgen.