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TECNOLOGIA SKYACTIV DEI PROSSIMI MOTORI MAZDA

  

SKYACTIV TECHNOLOGY è un termine con il quale Mazda racchiude una serie di sistemi, tecniche, innovazioni e dispositivi pensati per migliorare qualunque aspetto dei propri veicoli, col fine di renderli più ecologici, performanti, sicuri, confortevoli e piacevoli da guidare.
E’ un progetto che è iniziato nel 2007 con lo scopo principale di migliorare del 30% entro il 2015 il consumo medio dei veicoli prendendo come riferimento la gamma dei modelli 2008


MOTORI SKYACTIV

La tecnologia che si applica ai motori a benzina prende il nome di SKYACTIV-G, quella che applica ai motori diesel si chiama SKYACTIV-D.

SKYACTIV-G (motori a benzina)


Le caratteristiche principali di questa famiglia di motori sono:

  • Alto rapporto di compressione di 14.0:1 (valore record per motori a benzina di serie).
  • Aumento significativo del rendimento grazie all’alta compressione durante la combustione, che si traduce in miglioramento del 15% dei consumi e della coppia erogata .
  • Guidabilità migliorata grazie alla migliore erogazione di coppia ai bassi e medi regimi
  • Sistema di scarico 4-2-1, cavità nei pistoni, iniettori multiforo e altre innovazioni per permettere un elevato rapporto di compressione.


Vantaggi e svantaggi di alti rapporti di compressione

L’aumento del rapporto di compressione migliora considerevolmente l’efficienza termica. Il rapporto di compressione dei motori moderni recenti si attesta generalmente su valori di 10:1 – 12:1.
Teoricamente aumentando il rapporto di compressione da 10:1 a 15:1, il rendimento termico migliora circa del 9%. Tuttavia una delle ragioni che impedisce l’utilizzo di valori di compressione elevati sui motori a benzina è la perdita considerevole di coppia dovuta a fenomeni di detonazione.
La detonazione è una combustione anomala della miscela aria-benzina che si infiamma prematuramente (prima che la candela scocchi la scintilla) a causa di valori di temperatura e pressione elevati.
Quando si aumenta il rapporto di compressione, la temperatura al punto morto superiore (PMS) aumenta, incrementando la probabilità di detonazione.
Per questo, uno degli accorgimenti introdotti è quello di ridurre la temperatura al PMS è quello di fare in modo di diminuire la quantità di gas incombusti (caldi) che rimangono nella camera di combustione, grazie questo, nel motore SKYACTIV-G 1.3 pur avendo un rapporto di compressione 14:1 si generano temperature in linea a quelle di un normale motore con RC pari a 11:1.

 

 

 

Tecniche per prevenire la detonazione
Sistema 4-2-1
Una opzione per ridurre in modo significativo la quantità di gas residui è quello di adottare collettori di scarico 4-2-1. Come si può vedere in figura 3, con un collettore di scarico corto, parte dell’onda di pressione dei gas di scarico generata dal cilindro numero 3 si dirige rapidamente verso il cilindro numero 1 il quale sta terminando la fase scarico. Come risultato parte dei gas di scarico appena usciti dal cilindro numero 1 rientrano nella camera di combustione. Con collettori di scarico corti l’onda di alta pressione arriva al cilindro successivo in un tempo molto ridotto, questo effetto negativo si verifica su tutto il range dei regimi motore (bassi e alti). Utilizzando invece un collettore di scarico 4-2-1, il tempo richiesto (specie ai bassi regimi) perché l’onda di pressione raggiunga il cilindro successivo è più lungo, di conseguenza tale cilindro riuscirà ad espellere più efficacemente i gas combusti.
Inoltre per aumentare i valori di coppia si è reso necessario avere una lunghezza di 600 millimetri per ogni singolo tubo, ottenendo comunque un sistema compatto grazie a particolari curvature.
L’effetto collaterale dell’adozione di collettori 4-2-1 è che essendo più lunghi si è obbligati a posizionare il catalizzatore più distante dalla testa del motore, di conseguenza i gas che lo investono sono più freddi e la catalizzazione è meno efficace. La temperatura dei gas di scarico può innalzata ritardando il timing di iniezione, un ritardo eccessivo della iniezione però genera una combustione instabile.
Sui motori SKYACTIV-G la combustione è stabile anche con ritardi di iniezione considerevolmente accentuati.
Questo è stato reso possibile progettando una particolare cavità nel
pistone e ottimizzando l’iniezione in modo che si generi una miscela aria-benzina stratificata vicino alla candela di accensione. La cavità inoltre previene l’eccessivo riscaldamento del pistone quando questo viene raggiunto dalla fiammata iniziale.

 

 

Miglioramento della combustione
Per minimizzare la possibilità di detonazione è stato ridotto il tempo di combustione. Più veloce è la combustione minore è il tempo durante il quale la miscela aria-benzina incombusta è esposta ad alte temperature permettendo la che la combustione si concluda prima che si inneschino fenomeni di detonazione. In particolare, si è cercato di creare una miscela aria-benzina più omogenea tramite l’intensificazione del flusso d’aria, l’aumento della pressione di iniezione e l’utilizzo di iniettori multiforo che permettono una migliore nebulizzazione.

La cavità nel pistone contribuisce anch’essa al miglioramento della combustione poiché la fiammata iniziale non colpendo il pistone, non interferisce con lo sviluppo del fronte di fiamma.


SKYACTIV-D(motori a gasolio)

Le caratteristiche principali di questa famiglia di motori sono:

  • Efficienza migliorata del 20% grazie al basso rapporto di compressione pari a 14:1
  • Nuova turbina a doppio stadio che permette una erogazione dolce e lineare dai bassi agli alti regimi, con un sensibile incremento di coppia (fino al limitatore posto a 5200 giri/min.).
  • Rispetta le norme anti-inquinamento a livello globale (Euro6 in Europa, Tier2Bin5 negli USA, e il Post New Long-Term Regulations in Giappone), senza bisogno di costosi post-trattamenti per i NOx



Cause di formazione dei NOx e Particolato
A causa del fatto che nei motori diesel il rapporto di compressione è molto elevato, la pressione e la temperatura che si generano al Punto Morto Superiore (PMS) sono estremamente elevate. Quando il gasolio viene iniettato in queste condizioni, la combustione inizia prima che si formi una adeguata miscele aria-gasolio. Tale tipo di combustione non è eterogenea ed avviene localmente col risultato di generare NOx, e a causa dell’insuficienza di ossigeno viene prodotto particolato.

A causa delle stringenti norme anti-inquinamento, non è facile far iniziare la combustione nel momento ottimale (PMS), l’unica soluzione è quella di ritardare la combustione fino a quando il pistone non inizia a scendere per fare in modo che la pressione e la temperatura siano più bassi, questo però comporta un peggioramento dei consumi.


 

 

 

Vantaggi e svantaggi di un basso rapporto di compressione
Ottimizzazione della combustione e del timing di combustione.
Quando il rapporto di compressione viene abbassato, la temperatura e la pressione al PMS diminuiscono. La combustione si avvia meno rapidamente permettendo una formazione più omogenea della miscela aria-gasolio. Questo diminuisce la formazione di NOx e particolato. Oltre a questo si rende possibile eseguire l’iniezione (e la combustione) più vicino al PMS, col risultato di ottenere un miglior rendimento e un periodo di espansione attiva più lungo.



Diminuzione di peso e attrito
Grazie al basso rapporto di compressione, la pressione che si genere nei cilindri del motore SKYACTIV-D è più bassa di quella dei motori diesel tradizionali, permettendo una sensibile riduzione del peso grazie all’ottimizzazione strutturale. Ad esempio, è stato possibile utilizzare un basamento in alluminio più leggero di 25 kili rispetto a quello del motore attuale, la testata è stata alleggerita di 3 kili grazie a pareti più sottili e ai collettori di scarico integrati, e grazie al ravvicinamento dei vari componenti il peso dei pistoni è stato ridotto del 25%.

Il diametro del perno principale dell’albero a gomiti è stato ridotto da 60 a 52 millimetri, permettendo una riduzione di peso del 25%, in conseguenza a questo l’attrito meccanico è stato ridotto a livelli di un normale motore a benzina.
Ci sono due effetti collaterali che hanno precluso la diffusione di motori diesel con basso rapporto di compressione: il primo è che a freddo la pressione di compressione è troppo bassa per permettere l’avvio del motore, il secondo è che durante il riscaldamento insorgono fenomeni di mancate accensioni.

 


Avviamento a freddo e prevenzione di mancate accensioni durante il riscaldamento
Formazione della miscela aria-combustibile con iniettori multiforo piezoelettrici

I nuovi iniettori multiforo piezo-elettrici permettono una vasta tipologia di iniezioni. Iniezioni accurate sia per quanto riguarda la quantità che il timing permettono un preciso controllo della miscela aria-gasolio assicurando l’avviamento a freddo. I nuovi iniettori permettono di gestire fino a nove diversi tipi di iniezione per combustione. Assieme alle tre iniezioni di base: pre-iniezione, iniezione principale e post-iniezione, possono esser eseguite diversi tipi iniezione in base alle condizioni di guida.
L’avviamento di un motore diesel con cosi basso RC è reso possibile oltre che a questo preciso sistema di iniezione anche all’utilizzo di candelette ceramiche.


Aumento della temperatura durante il riscaldamento con il controllo dell’alzata delle valvole (VVL)
Ogni mancata accensione durante la fase di riscaldamento dopo l’avvio del motore è prevenuta adottando un sistema di alzata variabile delle valvole di scarico (VVL: variable valve lift). Un singolo ciclo di combustione è sufficiente a far aumentare la temperatura dei gas di scarico. Per far questo, durante la fase di aspirazione le valvole di scarico restano leggermente aperte in modo che parte dei gas di scarico ritornino nel cilindro, cosa che fa innalzare la temperatura dell’aria.



Più coppia, minori emissioni e minori consumi con turbocompressore a doppio stadio

Non è un mistero che il turbocompressore è l’artefice dei grandi valori di coppia e potenza dei moderni motori diesel, ma sono indispensabili anche per la riduzione delle emissioni e del consumo di carburante.

SKYACTIV-D utilizza un turbocompressore a due stadi, in cui due turbine di dimensioni diverse sono gestite selettivamente in base alle condizioni di guida. Questa tecnologia permette coppia elevata e bassa inerzia ai bassi regimi e maggior potenza agli alti. Tutto questo in concerto con il basso rapporto di compressione e le strategie di iniezione precise ed innovative permettono di avere bassissime emissioni di NOx e particolato poiché una adeguata quantità di aria (ossigeno) è sempre garantita.


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