Analisi dei nuovi motori Mazda con tecnologia SKYACTIV

Di recente un team di ingegneri di Mazda Motor Corporation ha ricevuto un importante riconoscimento dalla Society of Automotive of Japan (JSAE) presso il Centro Congressi di Yokohama, per aver realizzato motori caratterizzati da un rapporto di compressione da record.

RECORD A 14:1 – I tecnici Mazda hanno infatti progettato SKYACTIV-G, il nuovo propulsore a benzina ad iniezione diretta prodotto in grande serie con il più alto rapporto di compressione mai raggiunto fin'ora: 14:1. Non si tratta di un virtuosismo tecnico fine a se stesso o futuribile ma di un reale passo avanti verso una nuova generazione di motori endotermici di grande serie ad elevato rendimento, già in regolare produzione. Il rapporto volumetrico di compressione di un motore endotermico è un dato puramente geometrico ottenibile dal rapporto tra il volume totale del cilindro ed il volume della camera di combustione.

MIGLIORA IL RENDIMENTO – Un alto rapporto di compressione rappresenta un parametro fondamentale per migliorare il rendimento termico di un motore e di conseguenza il consumo di carburante a parità di potenza. Negli ultimi 20-30 anni i rapporti di compressione dei motori a benzina aspirati a ciclo Otto destinati alla produzione di serie, sono progressivamente aumentati in modo considerevole tanto che valori di circa 10-11:1  possono ora considerarsi normali. Ciò è stato possibile grazie ai continui progressi nel settore dei carburanti, della progettazione dei propulsori, della fluodinamica e dell'elettronica applicata ai sistemi di accensione ed iniezione. I vantaggi di un rapporto di compressione elevato erano noti da quando esiste il motore endotermico ma le modeste qualità antidetonanti della benzina esistente in passato, unite ai limiti tecnologici e progettuali, ne hanno impedito l'applicazione generalizzata, salvo ricorrere, fino alla fine degli anni '50, a miscele carburanti speciali riservate solo ai motori da competizione ed aeronautici.

LOTTA ALLA DETONAZIONE – La detonazione (più comunemente nota come “battito in testa”) è una combustione anomala che si verifica quando una parte della miscela aria-benzina detona prima che si verifichi la corretta combustione innescata dallo scoccare della scintilla della candela di accensione. Ciò provoca forti pressioni, alte temperature e vibrazioni che riducono la potenza e la coppia erogate. Il dannoso fenomeno, se prolungato nel tempo, può causare seri danni al motore (fusione del cielo del pistone). Ormai da vari anni i propulsori moderni sono dotati di sensori di detonazione che segnalano l'inizio del fenomeno ottenendo elettronicamente un ritardo d'accensione nei cilindri interessati. Tale strategia evita l'insorgere della detonazione ma influisce negativamente sui consumi di carburante.

COME CI SONO RIUSCITI? – Ma come è stato possibile per i tecnici Mazda realizzare un motore di serie con un rapporto di compressione così elevato? Anzitutto riducendo la quantità e la pressione dei gas di scarico caldi residui nella camera di combustione, con l'adozione di un lungo collettore di scarico del tipo “4 in 2 in 1”. In tal modo, sfruttando i noti fenomeni di risonanza nei singoli collettori, si evita che i gas di scarico appena espulsi dal cilindro, vengano in parte di nuovo spinti all'interno della camera di combustione, con conseguente riduzione della temperatura di compressione. Anche la durata della combustione è stata ridotta al fine di minimizzare il tempo in cui la miscela aria-carburante incombusta rimane esposta a temperature elevate. A tale scopo, il nuovo motore è caratterizzato da speciali pistoni sul cui cielo a sezione tronco-piramidale è ricavata centralmente una piccola camera di combustione circolare proprio in corrispondenza degli elettrodi della candela. Ciò consente al fronte di fiamma di propagarsi velocemente senza interferenze. Inoltre, iniettori multiforo ottimizzano la nebulizzazione del carburante. Tali innovazioni comportano un incremento della coppia motrice del 15% ai bassi e medi regimi rispetto all'attuale motore MZR 2,0 litri di Mazda. Un'altra caratteristica fondamentale del motore SKYACTIV-G è costituita dalla fasatura variabile continua, sia all'aspirazione che allo scarico. Ciò permette di ottenere i migliori angoli di apertura e chiusura delle valvole in ogni condizione di carico del motore, riducendo al minimo le dannose perdite di pompaggio. I consumi di carburante e le emissioni di C2 risultano, secondo Mazda, ridotti del 15% rispetto al motore Mazda MZR 2,0 litri.

RIDURRE AL MINIMO LE PERDITE DI POMPAGGIO – Per migliorare l'efficienza di un motore è altresì necessario ridurre le “perdite di pompaggio” che si verificano ai carichi più bassi quando i pistoni aspirano aria con valvola a farfalla chiusa o solo parzialmente aperta. In tali condizioni, si crea depressione all'interno dei condotti di aspirazione e dei cilindri, con conseguente lavoro passivo per il motore. La fasatura variabile continua consente che la quantità di aria in aspirazione venga controllata dalle valvole anziché dalla farfalla che resta aperta anche a carico ridotto. L'eccesso di aria aspirata viene espulsa dal cilindro mantenendo aperte le valvole di aspirazione durante la prima parte della corsa di compressione. Di norma, un eccesso di apertura delle valvole di aspirazione in fase di compressione genera perdita di potenza per diminuzione della pressione della miscela aria-benzina in camera di combustione. Tuttavia, tale conseguenza non si verifica nel motore SKYACTIV-G grazie al suo elevato rapporto di compressione di 14:1 che mantiene comunque alto il valore della pressione in camera di combustione. In realtà, sul nuovo motore Mazda, ritardando la chiusura delle valvole di aspirazione si applica il noto principio del ciclo Atkinson già visto sul motore Toyota Prius, anch'esso caratterizzato da un alto rapporto di compressione (13:1) e da bassi consumi di carburante.

SALE LA PRODUZIONE – Proprio in questi giorni Mazda ha annunciato che da ottobre 2012 il volume produttivo dei motori SKYACTIV sia benzina che diesel, sarà aumentato da 400 mila unità a 800 mila all'anno. L'incremento di produzione è motivato dalla crescente domanda di vetture Mazda che montano propulsori con tecnologia SKYACTIV. Attualmente il Suv Crossover Mazda CX5 è dotato di tali motori, disponibili in futuro anche su Mazda 6 di nuova generazione che verrà presentata verso la fine di quest'anno. Ad ottobre aumenterà anche la produzione di Mazda CX5 dalle attuali 200 mila unità a 240 mila annue.