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Mazda SKYACTIV-X benzina o diesel?

Nuovo motore Mazda rivoluzionario a benzina con caratteristiche del diesel. Come funziona e perché fa consumare meno benzina fino al 30%. Provato su Mazda 3

La piattaforma Skyactiv di Mazda, che ha debuttato nel 2011 presso l’Automotive Engineering Exposition in Giappone, prosegue nella sua Roadmap e dopo lo “start&stop” (i-stop) e il recupero dell’energia in frenata (i-ELOOP) si prepara al debutto dello Skyactiv-X. 
Skyacti X rappresenta una rivoluzione tecnica e tecnologica applicata al motore a benzina che funziona con alcuni principi del diesel da quale eredita l’alta compressione 16:1 ed il principio di accensione. Un motore in grado di consumare meno benzina fino al 30%.

Benzina o diesel? Questo Skyactiv-X è un nuovo motore rivoluzionario esclusivo di Mazda in cui i vantaggi di un motore a benzina con accensione per scintilla, come erogazione agli alti regimi e pulizia delle emissioni di scarico sono state combinate con quelle di un motore diesel con accensione per compressione che vanta una migliore risposta iniziale ed una economia di carburante decisamente maggiore.
L’idea alla base della strategia Mazda è tanto semplice quanto intrigante: sfruttare al massimo le potenzialità degli attuali motori diesel per consumare meno carburante.

Consumare meno carburante con prestazioni migliori

Con un motore 2 litri di cilindrata, SKYACTIV-X offre almeno il 10% in più di coppia rispetto all’attuale SKYACTIV-G, e fino al 30% in più a certi regimi. Inoltre, dato che la valvola a farfalla è aperta per la maggior parte del tempo, presenta la superiore risposta in accelerazione iniziale dei motori diesel che non hanno una valvola a farfalla. D’altro canto, SKYACTIV-X si spinge con facilità e progressività ai regimi più alti come un tipico motore a benzina.
Mazda 3 con Skyactiv-X-test Mancini abitacolo

MOTORE SKYACTIV-X COME VA SU STRADA

Abbiamo provato un prototipo di questo motore a bordo di una Mazda 3 sulle strade portoghesi nei dintorni della città di Porto. Questo nuovo motore presenta la minima rumorosità di un benzina. Il prototipo che stiamo provando è allestito con un display che evidenzia le 3 fasi:  riusciamo a capire in quale momenti l’accensione avviene con la scintilla della candela, quando per compressione (la candela non funziona in questa modalità) e la situazione ottimale quando il motore riesce a funzionare con una carburazione magrissima  con eccesso d’aria. Da bassi giri si avverte una ripresa superiore al classico 2 litri Mazda da 165 cavalli.

D’altra parte il 2L Skyactiv-X eroga circa 190 cavalli con 230 NM di coppia e dispone di un volumetrico che aiuta il riempimento dei cilindri. Anche nella fase di ripresa con le marce basse brilla molto.
Spingendosi verso regimi di rotazione più elevati verso i 5.000 / 6.000 g/m il tiro resta costante con una progressione continua tipica del motore benzina.
Al termine del tour abbiamo percorso circa 100 km con Mazda 3 dotate di cambio automatico e manuale e siamo molto rimasti soddisfatti per quello che sono riusciti a realizzare gli ingegneri di Mazda, sempre molto creativi e geniali in fatto di idee motoristiche (vedi wankel)

Riduzione consumi di carburante

Su un veicolo con motore 2.0 litri, SKYACTIV-X migliora del 20% i consumi di carburante rispetto a SKYACTIV-G: un passo avanti notevole. Inoltre, nelle zone dove si usa di frequente il veicolo a bassa velocità, il risparmio nei consumi può arrivare fino al 30% grazie all’uso della combustione super magra.
Rispetto al motore MZR del 2008, i consumi si sono ridotti di ben il 35-40%, e inoltre SKYACTIV-X eguaglia o supera il più recente Mazda SKYACTIV-D, in termini di efficienza nei consumi. Con miglioramenti particolarmente importanti in rapporto al tipo di carico del motore, SKYACTIV-X sfida la comune convinzione che un motore di maggiore cilindrata voglia dire maggiori consumi di carburante.
Motore Skyactiv-X-con Giovanni Mancini

Parola d’ordine: ridurre consumi ed emissioni

Nonostante l’evoluzione tecnica dei propulsori in oltre 100 anni non si sia mai arrestata, ancora non si riesce ad utilizzare oltre 70% dell’energia contenuta nel carburante. Le perdite sono soprattutto “termiche” dovute allo scarico, al raffreddamento e alle superfici metalliche e principalmente su questi elementi si è lavorato per migliorare l’efficienza, senza trascurare la riduzione delle masse e degli attriti interni.
Ecco perché sui motori della serie Skyactiv si è intervenuti soprattutto su 6 fattori controllabili: rapporto di compressione, rapporto aria/carburante, durata della combustione, fasatura della combustione, perdite di pompaggio e per attrito meccanico.

Così Mazda rivoluziona il motore a combustione con miglioramento dell’efficienza fino al 30%. La novità consiste in un’interpretazione di Mazda del motore HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition), che debutterà sulla nuova Mazda 3 prevista per il 2019.

Skyactiv X come funziona

Si tratta di una tecnologia applicata al motore a benzina in grado di operare ad alti rapporti di compressione e con accensione spontanea per compressione (come nei diesel) della miscela di combustibile (benzina) e comburente (aria), atto che si continuino a utilizzare le candele d’accensione.. Questa miscela prevalentemente magra con valori di lambda maggiori di 1, in alcuni momenti si accende spontaneamente quando viene compressa dal pistone in camera di combustione.
Compressore volumetrico motore Mazda Engine_SKYACTIV-X (1)

Come? Mazda è andata oltre grazie al sistema chiamato SPCCI (Spark Controlled Compressed Ignition), riuscendo a massimizzare il periodo di funzionamento con accensione per compressione, gestendo bene la transizione tra accensione con scintilla e compressione, ottimizzando il riempimento del cilindro per migliorare il rendimento anche a carichi parzializzati.
Il motore Skyativx ha la capacità di passare dal rapporto stechiometrico ideale (14,7:1, lamda=1) della miscela aria-benzina a una miscela povera (lamba maggiore di 1) come quella di un diesel dove l’accensione avviene per compressione.

Motore a benzina alta efficienza come funziona

Quando il motore Mazda ad altra compressione funziona con una miscela povera per l’80%. Nel momento in cui il pistone è in prossimità del punto morto superiore verso il termine della fase di compressione la candela accende un nucleo di miscela ricca, proprio al centro del pistone sparata dall’iniettore sul cielo della testata.
Aumenta così la pressione all’interno del cilindro ed avviene l’accensione spontanea del resto della miscela (magra). Così facendo, il sistema SPCCI combina i vantaggi dei motori a benzina con quelli diesel ottenendo prestazioni ambientali di potenza e di accelerazione eccezionali.

Abbinata a un compressore per aumentare la pressione d’aspirazione, l’accensione per compressione offre una risposta del motore senza precedenti e un aumento della coppia del 10-30% rispetto all’attuale motore a benzina SKYACTIV-G; mentre la combustione super magra migliora l’efficienza del propulsore sino al 20-30% rispetto all’attuale SKYACTIV-G. Inoltre, lo SKYACTIV-X eguaglia o supera il più recente motore a gasolio SKYACTIV-D quanto a efficienza nei consumi.

Vantaggi della combustione magra e inconvenienti a essa associati

In SKYACTIV-G, l’efficienza di combustione viene incrementata aumentando il rapporto di compressione, mentre le perdite per raffreddamento dalla zona di trasferimento di calore verso la parete della camera vengono ridotte grazie al controllo delle temperature dell’acqua di raffreddamento.
Le perdite di pompaggio e la resistenza meccanica vengono ridotte attraverso l’utilizzo del ciclo Miller.


In SKYACTIV-X Mazda ha lavorato per migliorare il rapporto aria-combustibile e rendere possibile la combustione povera, dove si brucia una maggiore quantità di aria.
Il rapporto ideale (stechiometrico) aria-combustibile è di 14,7:1. Creando un più elevato rapporto aria-combustibile, più che raddoppiando la quantità di aria, si aumenta il rapporto del calore specifico e si riduce la temperatura dei gas della combustione. Ciò diminuisce a sua volta le perdite di raffreddamento. Contestualmente, un sistema che introduce una maggiore quantità di aria riduce le perdite di pompaggio per la chiusura della valvola a farfalla, con conseguente risparmio di carburante.

Tuttavia, se questo tipo di miscela povera di aria e benzina viene bruciata usando la combustione a propagazione della fiamma che si ha quando si utilizza una candela, la combustione tende a diventare instabile.
Per ovviare a questo problema, si deve adottare la combustione per compressione in condizioni di alta temperatura e alta pressione. Ciò significa che un tale motore dovrà impiegare l’accensione per compressione utilizzata dai motori diesel.

Nello sviluppare SKYACTIV-X, Mazda pertanto ha migliorato i sette fattori che devono essere controllati nell’accensione per compressione di una miscela aria-combustibile povera.
Questi includono il rapporto di compressione (che deve essere aumentato per ottenere le necessarie condizioni di temperatura e pressione elevate), la fasatura di combustione vicino al punto morto superiore (che si trova nell’accensione per compressione) e un periodo di combustione in cui tutto il combustibile bruci simultaneamente.

Problemi associati all’accensione per compressione con carica omogenea

Un concetto alla base dell’accensione per compressione nei motori a benzina è l’accensione per compressione a carica omogenea (HCCI). Quando per l’accensione si usa una candela, la combustione deve diffondersi dalla scintilla iniziale, con una conseguente velocità di combustione più lenta. Se in aggiunta a questo, viene usata una miscela aria-benzina con più aria, le fiamme create dalla candela d’accensione non riusciranno a diffondersi in tutta la camera di combustione.

Viceversa, con l’accensione per compressione tutto il combustibile nella camera di combustione brucia contemporaneamente, con il risultato di una velocità di combustione ben maggiore che, a sua volta, significa la possibilità di bruciare una miscela di aria e combustibile più magra.

Tuttavia, la HCCI non è ancora arrivata al punto di poter essere utilizzata in applicazioni commerciali essendo usata solo a basso regime e con carichi ridotti del motore, e anche tali intervalli sono soggetti a variazione in base alle condizioni di marcia. Inoltre, l’intervallo molto limitato entro cui può avvenire la HCCI rende difficile ottenere una commutazione stabile fra accensione per scintilla e accensione per compressione.
Finora superare questi problemi aveva richiesto un notevole aumento del rapporto di compressione, una struttura più complessa e l’aggiunta di controlli di alta precisione.

Accensione per compressione controllata da candela: la svolta che ha reso possibile SKYACTIV-X

L’accensione per compressione non richiede una candela, ma essa sarà ancora necessaria agli alti regimi e negli intervalli di carico dove l’accensione per compressione non può avvenire. Purtroppo, la commutazione tra le due modalità è estremamente difficile. Questo è quanto noto sulla HCCI, che indica il principale problema che ha impedito la completa commercializzazione della tecnologia HCCI.
La svolta di Mazda è arrivata mettendo in discussione l’idea convenzionale che non servisse la candela per l’accensione per compressione e suggerendo invece un approccio diverso: “Se la commutazione tra i diversi modi di combustione è difficile, questa commutazione è veramente necessaria?“.
Questo è il concetto alla base dell’accensione per compressione controllata da candela (SPCCI – SPark-Controlled Compression Ignition), l’esclusivo metodo di combustione Mazda.

Utilizzare la SPCCI significa che in termini di carico e regimi del motore l’intervallo in cui può avvenire l’accensione per compressione ora copre l’intero periodo della combustione.
Ciò significa il drastico ampliamento di potenziale applicazione dell’accensione per compressione, consentendo a tale tecnologia di venire usata in quasi tutte le condizioni di marcia. Altrimenti detto, visto che ora la candela viene sempre usata, per la combustione il motore può passare facilmente dalla accensione per compressione a quella per scintilla.

Principali caratteristiche tecnologiche di SPCCI accensione iniiezione

Nonostante SPCCI sia un metodo di combustione totalmente nuovo, si basa su due funzioni esistenti – accensione e iniezione – che Mazda ha ulteriormente affinato e meticolosamente ricombinato. Per farlo, Mazda ha sviluppato varie tecnologie elementari – un pistone dal cielo di nuova concezione e un sistema d’iniezione carburante ad altissima pressione a supporto dell’accensione per compressione, e una alimentazione d’aria a elevata risposta che è in grado di fornire maggiori quantità d’aria – e le ha combinate con un sensore interno al cilindro che serve a controllare l’intero motore. In confronto alle complesse strutture in precedenza necessarie per utilizzare il concetto di HCCI, l’hardware per la SPCCI è semplice e scarno, senza inutili complessità.
Utilizzo degli effetti della compressione creati dalla propagazione della fiamma.

Il meccanismo della SPCCI può essere riassunto come un sistema in cui l’effetto di compressione della combustione localizzata innescata dalla candela viene utilizzato per ottenere la necessaria pressione e temperatura per portare all’accensione per compressione.
In altre parole, il rapporto di compressione geometrico viene aumentato fino al punto in cui la miscela aria-benzina arriva al limite dell’accensione (a causa della compressione) al punto morto superiore.
A questo punto, una sfera di fuoco in espansione generata dalla scintilla d’accensione fornisce la spinta finale che genera la combustione di tutta la miscela.

Fasatura ed entità della pressione necessaria sono in mutazione continua a seconda delle condizioni di marcia in costante cambiamento. Il sistema SPCCI è in grado di controllare la fasatura d’accensione della candela, il che significa che la pressione e la temperatura nella camera di combustione possono essere ottimizzate in ogni momento. Dato che viene utilizzata in ogni momento una candela d’accensione, il sistema è in grado di passare senza soluzione di continuità alla combustione per scintilla ai regimi e negli intervalli di carico in cui l’accensione per compressione risulterebbe difficile. In questo modo il sistema garantisce che il rapporto di compressione non diventi mai troppo alto, consentendo nel contempo una concezione semplice che non richieda complicate funzionalità quali fasatura della distribuzione variabile o rapporto di compressione variabile.

Distribuzione della densità del combustibile nella miscela aria-benzina

SKYACTIV-X controlla la distribuzione della miscela aria-benzina al fine di consentire la combustione povera mediante il meccanismo SPCCI. Inizialmente una miscela aria-benzina magra per l’accensione per compressione viene distribuita in tutta la camera di combustione. Poi, con precisione di iniezione e movimento vorticoso, viene creata intorno alla candela una zona con miscela aria-benzina più ricca — abbastanza ricca da essere innescata con una scintilla e per ridurre al minimo la produzione di ossido di azoto. Utilizzando queste tecniche, la SPCCI garantisce una combustione stabile.

Controllo della miscela aria-benzina per prevenire la combustione anomala

a) Iniezione carburante frazionata
Al fine di evitare la combustione anomala che può verificarsi quando miscele ricche vengono compresse per lunghi periodi di tempo — un annoso problema per la HCCI — il sistema SPCCI adotta un sistema d’iniezione frazionata del carburante, in cui parte del carburante viene iniettato in fase d’aspirazione dell’aria e parte viene iniettata in fase di compressione.
In primo luogo viene iniettata in fase d’aspirazione dell’aria la miscela povera a bassa densità per la combustione magra; poi, nella corsa di compressione, una iniezione a parte crea la miscela aria-carburante più ricca che si accende attorno alla candela di accensione. Questo non solo distribuisce la densità della miscela aria-benzina in modo da consentire che avvenga la SPCCI ma riduce anche al minimo il ritardo con cui la miscela si infiamma per compressione, controllando efficacemente la combustione anomala.

b) Sistema di iniezione carburante ad altissima pressione
Per ridurre al minimo il tempo della compressione e rendere l’accensione per compressione il più efficiente possibile, il carburante deve essere vaporizzato e atomizzato molto velocemente e poi immediatamente disperso in tutto l’intero cilindro.
Per questo SKYACTIV-X dispone di un sistema in grado di iniettare il carburante ad altissima pressione da un iniettore multiforo posto al centro della camera di combustione. Questo causa la vaporizzazione e atomizzazione istantanea del carburante, mentre contemporaneamente viene creata una potente turbolenza, migliorando così notevolmente la stabilità dell’accensione e la velocità di combustione.
L’iniezione del carburante ad altissima pressione consente la SPCCI, che elimina la combustione anomala anche a farfalla tutta aperta/bassi regimi dove i tradizionali motori a benzina devono ritardare l’accensione e quindi sacrificare efficienza e potenza.

c) Adozione del sensore di pressione interna del cilindro
In aggiunta a queste tecnologie per prevenire la combustione anomala, è stato anche introdotto un sensore interno al cilindro come monitoraggio di controllo. Osservando con continuità se i controlli di cui sopra stanno portando alla corretta combustione e compensando in tempo reale gli eventuali scostamenti dai risultati attesi, esso garantisce una combustione costantemente ottimizzata.
Sulla base delle tecniche sopra esposte, la SPCCI ha ampliato la zona di accensione per compressione a tutta l’escursione dell’acceleratore, e permette una commutazione uniforme fra combustione SPCCI e combustione per scintilla.

Questo nuovo metodo di combustione non si limita a utilizzare l’accensione per scintilla per assistere l’accensione per compressione, ma offre un sistema di controllo della combustione completo che comprende il controllo di pressione e temperatura interna al cilindro e il controllo della densità di distribuzione della miscela aria-benzina dell’iniezione carburante e il ricircolo dei gas di scarico (EGR).

MAZDA negli anni a venire si impegnerà a ridurre le emissioni di anidride carbonica fino al 50% dei livelli registrati nel 2010 entro il 2030, arrivando ad una riduzione del 90% entro il 2050.

Mazda ha previsto una strategia a lungo termine con l’applicazione progressiva di tecnologie sempre più evolute, a partire dallo “start&stop” (i-stop); poi con gli impianti frenanti rigenerativi che recuperano l’energia nelle decelerazioni (i-ELOOP, fino all’utilizzo massiccio dell’elettronica.
La Casa giapponese, come sappiamo, non è nuova alle sfide tecnologiche definite impossibili; basti pensare che è stata l’unica a portare avanti lo sviluppo del Wankel!

Qui consentiteci una doverosa parentesi: questo propulsore, dato per morto e sepolto nel 2015, sembra che tornerà a nuova vita in versione turbo o ibrida sulla futura RX-9 e ciò la dice lunga sulla caparbietà dell’Azienda nipponica! Ma torniamo ai motori classici: secondo i tecnici del Sol Levante, l’elisir di lunga vita di quelli a combustione interna si chiama Skyactiv; un’intera gamma di nuove tecnologie per i cambi, le carrozzerie, i telai e soprattutto per i propulsori benzina e turbodiesel. Intanto l’Azienda sta lavorando anche ai motori elettrici in collaborazione con Toyota, ma i tecnici giapponesi sanno che alcune parti del mondo ancora non sono pronte per un passaggio ad un parco auto totalmente elettrico.

L’idea alla base della strategia Mazda è tanto semplice quanto intrigante: sfruttare al massimo le potenzialità degli attuali motori prima del loro abbandono. Il giorno in cui i pistoni non canteranno più, udiremo il silenzio assordante degli elettroni che scorrono nel rame; dunque godiamoci quest’insolito piano di battaglia giapponese che stupisce per la lucida follia delle scelte “contro… corrente”, vocabolo quanto mai appropriato quando si vuole accantonare momentaneamente la propulsione totalmente elettrica.

LISTINO PREZZI MAZDA 3 SKYACTIV

POSITIVO

CONSUMO RIDOTTO DEL 20/30%
SILENZIOSITA'
RIPRESA
COPPIA AI BASSI GIRI

NEGATIVO

NON ANCORA DISPONIBILE
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Giovanni Mancini

Ingegnere, pilota, giornalista appassionato da sempre di auto e motori. Segue la direzione di questo portale newsauto.it ed è direttore responsabile dei magazine Elaborare, Elaborare 4x4 ed Elaborare Classic da oltre 20 anni il riferimento degli appassionati. Nell'anno 2004 ha conseguito il titolo di Campione Italiano nel Campionato Velocità Turismo. Pilota attualmente attivo su gare in pista del Campionato Italiano Turismo con Peugeot e nei monomarca con Seat e Renault. Tra le tante auto speciali provate una in particolare (esclusiva italiana): la Mazda 787B vincitrice della 24H di Le Mans nel 1991.

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