Mazda SkyActiv G-motor - bensin och SkyActiv D - diesel

Biltillverkare strävar efter att minska koldioxidutsläppen₂ annorlunda. Ibland är det till exempel o Kompromisser som skjuter körglädjen åt sidan. Mazda har dock bestämt sig för att gå i en annan riktning och minska utsläppen med en ny integrerad lösning som inte berövar föraren körglädje. Förutom den nya designen av bensin- och dieselmotorerna innehåller lösningen även ett nytt chassi, kaross och växellåda. Att minska vikten på hela fordonet går hand i hand med ny teknik.

Nyligen genomförda studier tyder på att konventionella förbränningsmotorer kommer att fortsätta att dominera bilvärlden under de kommande 15 åren, så det är värt att fortsätta satsa mycket på deras utveckling. Som bekant omvandlas det mesta av den kemiska energin som finns i bränslet inte till mekaniskt arbete under förbränningen, utan förångas bokstavligen som spillvärme genom avgasrören, kylaren etc. och de förklarar också de förluster som orsakas av friktionen i mekaniska delar av motorn. När ingenjörerna i Hiroshima, Japan utvecklade den nya generationen SkyActiv bensin- och dieselmotorer, fokuserade de på sex nyckelfaktorer som påverkar den resulterande förbrukningen och utsläppen:

• kompressionsförhållande,
• bränsle till luft förhållande
• varaktigheten av blandningens förbränningsfas,
• tiden för blandningens förbränningsfas,
• pumpförluster
• friktion hos motorns mekaniska delar.

När det gäller bensin- och dieselmotorer har kompressionsförhållandet och minskningen av friktionsförluster visat sig vara de viktigaste faktorerna för att minska utsläppen och bränsleförbrukningen.

Motor SkyActiv D

Motorn på 2191 cc är utrustad med ett högtrycks common rail-insprutningssystem med piezoelektriska insprutare. Den har ett ovanligt lågt kompressionsförhållande på bara 14,0:1 för diesel. Uppladdningen tillhandahålls av ett par turboladdare i olika storlekar, vilket har en positiv effekt på att minska fördröjningen i motorns reaktion på att trycka på gaspedalen. Ventiltåget inkluderar avgasventiler med justerbara slag, vilket leder till snabbare uppvärmning av en kall motor, eftersom en del av avgaserna återförs till cylindrarna. På grund av den tillförlitliga kallstarten och stabila förbränningsprocessen under uppvärmningsfasen kräver konventionella dieselmotorer ett högt kompressionsförhållande, vilket vanligtvis ligger i intervallet 16:1 till 18:1. Det låga kompressionsförhållandet på 14,0:1 för SkyActiv-D-motorn gör det möjligt att optimera tiden för förbränningsprocessen. När kompressionsförhållandet minskar minskar även temperaturen och trycket i cylindern vid övre dödpunkten. I det här fallet brinner blandningen längre, även om bränsle sprutas in i cylindern precis innan den når övre dödpunkten. Som ett resultat av lång förbränning bildas inte syrebristiga områden i den brännbara blandningen och temperaturen förblir enhetlig, så att bildningen av NOx och sot elimineras avsevärt. På grund av det faktum att bränsleinsprutning och förbränning sker nära övre dödpunkten är motorn mer effektiv. Detta innebär en effektivare användning av den kemiska energin som finns i bränslet, samt mer mekaniskt arbete per bränsleenhet, än vad som är fallet med en dieselmotor med hög kompression. Resultatet är en minskning av dieselbränsleförbrukningen och logiska CO2-utsläpp på mer än 20 % jämfört med en 2,2 MZR-CD-motor som körs med ett kompressionsförhållande på 16: 1. Som redan nämnts producerar förbränningsprocessen mycket mindre kväveoxider och nästan inget tekniskt kol. Även utan ytterligare NOx-avskiljningssystem uppfyller motorn Euro 6-emissionsstandarden, som bör träda i kraft 2015. Motorn behöver således inte vare sig selektiv katalytisk reduktion eller en NOx-avlägsnande katalysator.

På grund av låg kompression kan motorn inte producera en tillräckligt hög temperatur för att antända blandningen vid kallstarter, vilket kan leda till mycket problematisk start och oregelbunden motordrift, särskilt på vintern. Av denna anledning är SkyActiv-D utrustad med keramiska glödstift och en VVL-avgasventil med variabel slaglängd. Detta säkerställer intern återcirkulation av heta avgaser i förbränningskammaren. Den första tändningen underlättas av ett glödstift, vilket räcker för att få avgaserna till önskad temperatur. Efter att ha startat motorn stängs inte avgasventilen som den skulle göra i en konventionell insugsmotor. Istället står den på glänt och de heta avgaserna återgår till förbränningskammaren. Detta höjer temperaturen i den och underlättar därför den efterföljande antändningen av blandningen. Således går motorn smidigt och felfritt från första stund.

Jämfört med 2,2 MZR-CD dieselmotorn har den inre friktionen också minskat med 25 %. Detta återspeglas inte bara i en ytterligare minskning av totala förluster, utan också i snabbare respons och förbättrad prestanda. En annan fördel med ett lägre kompressionsförhållande är lägre maximala cylindertryck och därför mindre belastning på enskilda motorkomponenter. Av denna anledning finns det inget behov av en så robust motordesign, vilket resulterar i ytterligare viktbesparingar. Topplocket med integrerat grenrör har tunnare väggar och väger tre kilo mindre än tidigare. Cylinderblocket i aluminium är 25 kg lättare. Vikten på kolvarna och vevaxeln har minskat med ytterligare 25 procent. Som ett resultat är den totala vikten för SkyActiv-D-motorn 20 % lägre än den för 2,2 MZR-CD-motorn som hittills använts.

SkyActiv-D-motorn använder tvåstegs överladdning. Det betyder att den är utrustad med en liten och en stor turboladdare, som var och en arbetar i olika hastighetsintervall. Den mindre används vid låga och medelhöga hastigheter. Tack vare den lägre trögheten hos de roterande delarna förbättrar den vridmomentkurvans förlopp och eliminerar den så kallade turboeffekten, det vill säga fördröjningen i motorns svar på en kraftig ökning av gaspedalen vid låg hastighet när det inte finns tillräckligt med tryck i avgasröret. rör för snabb vridning av turboladdarens turbin. Däremot är den större turboladdaren helt inkopplad i medelhastighetsområdet. Båda turboladdarna ger tillsammans motorn en platt vridmomentkurva vid låga varv och stark kraft vid höga varv. Tack vare den tillräckliga lufttillförseln från turboladdarna över ett brett hastighetsområde hålls NOx- och partikelutsläppen till ett minimum.

Hittills produceras två versioner av 2,2 SkyActiv-D-motorn för Europa. Den starkare har en maximal effekt på 129 kW vid 4500 rpm och ett maximalt vridmoment på 420 Nm vid 2000 rpm. Den svagare har 110 kW vid 4500 rpm och 380 Nm vridmoment i området 1800-2600 rpm, vid max. varvtalet på båda motorerna är 5200. I praktiken agerar motorn ganska slö upp till 1300 rpm, från denna gräns börjar den ta fart, medan det för normal körning räcker med att hålla den runt 1700 rpm och mer jämnt för behoven hos mjuk acceleration.

Motor SkyActiv G

Den naturligt aspirerade bensinmotorn, betecknad Skyactiv-G, har ett ovanligt högt kompressionsförhållande på 14,0:1, för närvarande den högsta i en masstillverkad personbil. Att öka kompressionsförhållandet ökar bensinmotorns termiska effektivitet, vilket i slutändan innebär lägre CO2-värden och därmed lägre bränsleförbrukning. Risken förknippad med ett högt kompressionsförhållande när det gäller bensinmotorer är den så kallade knackande förbränningen - detonation och den resulterande minskningen av vridmoment och överdrivet motorslitage. För att förhindra knackande förbränning av blandningen på grund av det höga kompressionsförhållandet, använder Skyactiv-G-motorn en minskning av såväl kvantiteten som trycket av de kvarvarande heta gaserna i förbränningskammaren. Därför används ett avgasrör i en 4-2-1-konfiguration. Av denna anledning är avgasröret relativt långt och förhindrar således effektivt avgaserna från att återvända till förbränningskammaren omedelbart efter att de har tömts ut därifrån. Den resulterande minskningen av förbränningstemperaturen förhindrar effektivt förekomsten av detonationsförbränning - detonation. Som ett annat sätt att förhindra detonation har blandningens brinntid reducerats. Snabbare förbränning av blandningen innebär en kortare tid under vilken den oförbrända blandningen av bränsle och luft utsätts för höga temperaturer, så att detonation inte hinner inträffa alls. Den nedre delen av kolvarna är också försedd med speciella urtag så att lågorna i den brinnande blandningen som bildas i många riktningar kan expandera utan att korsa varandra, och insprutningssystemet har även utrustats med nyutvecklade flerhålsinjektorer, vilket möjliggör bränsle som ska finfördelas.

Det är också nödvändigt att minska de så kallade pumpförlusterna för att öka motorns effektivitet. Detta sker vid lägre motorbelastning när kolven drar in luft när den rör sig nedåt under insugningsfasen.Mängden luft som kommer in i cylindern styrs vanligtvis av en gasspjäll som sitter i insugningskanalen. Vid lätt motorbelastning krävs endast en liten mängd luft. Strypventilen är nästan stängd, vilket leder till att trycket i insugningskanalen och i cylindern är under atmosfärstrycket. Därför måste kolven övervinna ett betydande undertryck - nästan ett vakuum, vilket negativt påverkar bränsleförbrukningen. Mazdas designers använde steglöst variabel insugs- och avgasventiltid (S-VT) för att minimera pumpförlusterna. Detta system låter dig styra mängden insugningsluft med hjälp av ventiler istället för gasreglage. Vid låg motorbelastning krävs mycket lite luft. Således håller det variabla ventiltidssystemet inloppsventilerna öppna i början av kompressionsfasen (när kolven stiger) och stänger dem endast när den erforderliga mängden luft finns i cylindern. Således minskar S-VT-systemet slutligen pumpförlusterna med 20 % och förbättrar effektiviteten i förbränningsprocessen. En liknande lösning har använts av BMW under lång tid, kallar detta system Dubbel VANOS.

Med detta system för reglering av insugningsluften finns det risk för otillräcklig förbränning av blandningen på grund av lägre tryck, eftersom insugningsventilerna förblir öppna i början av kompressionsfasen. I detta avseende har Mazdas ingenjörer använt Skyactiv G-motorns höga kompressionsförhållande på 14,0:1, vilket innebär högre cylindertemperatur och tryck, så att förbränningsprocessen förblir stabil och motorn går mer ekonomiskt.

Motorns låga effektivitet underlättas också av dess lätta design och mindre mekanisk friktion av rörliga delar. Jämfört med den installerade 2,0 MZR bensinmotorn fick Skyactiv G-motorn 20 % lättare kolvar, 15 % lättare vevstakar och mindre vevaxelhuvudlager, vilket resulterade i en total viktminskning på 10 %. Genom att halvera ventilfriktionen och kolvringsfriktionen med nästan 40 % reducerades motorns totala mekaniska friktion med 30 %.

Alla de nämnda modifieringarna resulterade i bättre motorrörlighet vid låga och medelhöga varvtal och en 15% minskning av bränsleförbrukningen jämfört med den klassiska 2,0 MZR. Idag är dessa viktiga CO2-utsläpp till och med lägre än den 2,2 MZR-CD dieselmotor som används idag. Användningen av klassisk BA 95 bensin är också ett plus.

Alla SkyActiv bensin- och dieselmotorer i Europa kommer att vara utrustade med i-stop, det vill säga ett stopp-start-system för att automatiskt stänga av motorn när den stoppas. Andra elsystem, regenerativ bromsning etc. kommer att följa.