SkyActiv Technology: Mazda rivoluziona il concetto del “motore a benzina”

Lo SkyActiv è la sigla identificativa dei nuovi propulsori a benzina progettati dalla casa costruttrice nipponica: La Mazda.
Il propulsore 2.0 litri Mazda è un motore benzina a iniezione diretta perfezionato dalla tecnologia precedentemente citata, oggetto in esame di quest’ articolo.

Cerchiamo di capire come Mazda sia riuscita a “rivoluzionare” il concetto di “motore a benzina”. Il tutto è riassumibile in due principali punti: elevato risparmio di carburante e il più elevato rapporto di compressione tra i motori a benzina: 14.0:1.

•Vantaggi:

La “Rivoluzione“, se così potesse essere definita, sta nel fatto che è proprio un motore a benzina, mediante un elevatissimo rapporto di compressione, garantisca consumi e emissioni da record.
Infatti, come se non bastasse, Mazda ad oggi è l’unico costruttore al mondo in grado di rispettare le severissime normative mondiali legate al contenimento degli agenti emissivi ed inquinanti. Tutto ciò senza l’utilizzo di determinate apparecchiature innovative filtranti e catalizzanti come: SCR e DeNOx.

•Svantaggi:

Bisogna analizzare però la natura del rapporto di compressione e quanto questo parametro influenzi il rendimento termico del motore a combustione interna. Nei motori a benzina si ha un rapporto di compressione che oscilla, generalmente, in un range tra 10:1 e 12:1.
L’aumento di tale rapporto, aumenta a sua volta il rendimento di un valore non trascurabile.
Diamo qualche esempio:
Se, teoricamente, il rapporto di compressione venisse aumentato dal 10:1 al 15:1 si otterrebbe un rendimento termico aumentato di circa il 9%. Tale aumento, pur non sembrando chissà quanto elevato, nella pratica progettuale è un risultato eccezionale!

Allora perché non tutte le case costruttrici progettano motori con un elevato rapporto di compressione? La risposta è legata al fenomeno della DETONAZIONE, di cui sono soggetti i motori a ciclo Otto (benzina).
La soluzione? Lo SkyActiv, ed ecco il perché della natura “innovativa” e “rivoluzionaria” di tale sistema.

• Detonazione?

La “detonazione” è un processo di combustione anomalo in cui la miscela aria-carburante si auto-accende prematuramente per via dell’alta temperatura e pressione in camera di combustione. Lo scoppio avviene prima che il pistone riesca a raggiungere il PMS, a causa della sua alta temperatura.

Lo SkyActiv nasce proprio per rispondere all’esigenza di progettare un motore con elevato rapporto di compressione, senza ridurre la coppia generata a causa della detonazione.

I danni provocati da questo fenomeno? Eccovi un esempio:

• SkyActiv-G: qual è la sua funzione?

Per ridurre la temperatura di fine compressione al PMS, lo SKY-G riduce la quantità di gas combusti (molto caldi) presenti all’interno della camera di combustione. Questi ultimi sono responsabili del surriscaldamento del volume della camera di combustione, il quale provoca la detonazione.
Riportando alcuni dati legati alla progettazione:
Con un rapporto di compressione di 10:1, si ha una temperatura dei gas residui nel cilindro di 750°C. Considerando la temperatura dell’aria aspirata a 25 °C e supponendo che nel cilindro rimanga il 10% dei gas di scarico. Otterremo che la temperatura all’interno del cilindro prima della fase di compressione del ciclo successivo aumenterà di circa 70 gradi. Procedendo alla stesso modo per tutti i cicli compiuti da un motore, otterremmo temperature elevate. Questi dati ci fanno capire quanto sia importante ridurre la temperatura all’interno del cilindro.

• Come funziona?

Il motore SkyActiv-G è stato quindi progettato per risolvere tale inconveniente, mantenendo però un rapporto di compressione elevato, unico nel suo genere.

La riduzione della temperatura, quindi dei gas residui, avviene mediante l’utilizzo di un particolare sistema di scarico: Il 4-2-1.
Per chi se lo stesse domandando: no, non è la formazione di una squadra di calcio a 7.
I numeri in questione fanno riferimento alla struttura dell’impianto di scarico. Parte da 4 collettori, i quali convergono in 2 collettori ed infine questi ultimi due convergono nel condotto finale: ecco il 4-2-1.

Nei normali propulsori con collettori di scarico di lunghezza ridotta, l’ onda ad alta pressione del gas di scarico che fuoriesce da un cilindro, influenza la fuoriuscita di gas da un altro cilindro. Tutta questa “interferenza” di flussi turbolenti di gas combusti, uscenti dai cilindri, porta ad un parziale rientro dei gas stessi nei cilindri facendo aumentare (complessivamente) la temperatura. Questo fenomeno turbolento e svantaggioso si verifica indipendentemente dal regime di rotazione del motore. Adottando invece scarichi con struttura 4-2-1 a condotta lunga, si riduce tale fenomeno. L’onda di pressione generata dalla fuoriuscita dei gas (depressione, apertura valvola di scarico), in questa configurazione, richiede tempo prima di arrivare (tramite il sistema di tubazione) ad un altro cilindro; pertanto, non riesce ad influenzare negativamente lo svuotamento del cilindro dai gas residui.

•Progettazione:

Per garantire ciò, SkyActiv necessita di lunghezze elevate per le tubazioni di scarico: oltre 600 mm. Questo crea un sistema di scarico lungo e massiccio; per risolvere tale problema è stato adottato un sistema di scarico a forma di anello.
Il sistema di scarico 4-2-1 ha uno svantaggio però: i gas devono percorrere una distanza maggiore, dissipando nel “tragitto” calore, questo porta ad un raffreddamento preventivo dei gas prima che questi ultimi raggiungano il catalizzatore. Il sistema di catalizzazione per lavorare efficacemente necessita di alte temperature di uscita dei gas.
Mazda ha pensato a tutto, infatti: secondo i loro progettisti la temperatura dei gas di scarico può essere aumentata ritardando la “fasatura” di accensione entro certi limiti; troppo ritardo provocherebbe una combustione instabile.

Lo SkyActiv–G per garantire una combustione stabile ha adottato una particolare geometria del pistone: la cavità presente sul cielo del pistone (“Sky” da cui prende il nome la tecnologia) ottimizza l’iniezione per ottenere una miscela a carica stratificata intorno alla candela. Tale stratificazione migliora la combustione rendendola più equilibrata.