Il motore a benzina col più alto rapporto di compressione: Lo SKY-G
Mazda è oggi l'unico costruttore in grado di proporre dei motori Benzina e Diesel in grado di rispettare le recenti normative per il contenimento degli inquinanti senza l'ausilio di sistemi DeNOx ed SCR. Questo viene ottenuto grazie all'impiego di motori in grado di lavorare con rapporti di compressione fuori dalla norma. Se il moderno motore Diesel riesce ad ottenere questi miglioramenti riducendo il rapporto di compressione a circa 14:1, lo stesso riescono a fare le versioni benzina denominate SKY Active G, dove però il rapporto di compressione di 14:1 è sensazionale e soprattutto fuori dalla norma!
VANTAGGI E PROBLEMI DI UN ELEVATO RAPPORTO DI COMPRESSIONE:
Aumentando il rapporto di compressione migliora notevolmente l'efficienza termica.
rapporto di compressione: si ricorda che questo è il rapporto fra il volume della camera di combustione (V1) e quello dell'intero cilindro (V2+V1).
Il rapporto di compressione dei recenti motori a benzina è generalmente circa 10:1 a 12:1.
Teoricamente, se il rapporto di compressione viene aumentato da 10:1 a 15:1, il rendimento termico migliorerà di circa il 9%. Tuttavia, uno dei motivi che impediscono la diffusione dei motori a benzina con elevato rapporto di compressione è la forte diminuzione di coppia dovuta al problema delle detonazioni (Figura seguente).
La detonazione è una combustione anomala in cui la miscela aria-carburante si accende prematuramente per esposizione ad alta temperatura e pressione, creando un rumore ad alta frequenza indesiderate. Aumentando il rapporto di compressione, la temperatura al Punto Morto Superiore aumenta anche, aumentando la probabilità di detonazione.
Per abbassare la temperatura di compressione al PMS si può ridurre la quantità di gas di scarico caldo rimanente all'interno della camera di combustione. Ad esempio, con un rapporto di compressione di 10:1, si ha una temperatura del gas residuo di 750 gradi, se la temperatura dell'aria di aspirazione è di 25 gradi e se rimane il 10% del gas di scarico, la temperatura all'interno del cilindro prima della successiva fase di compressione aumenterà di circa 70 gradi. Ciò causerà un aumento della temperatura dell'aria compressa con il pistone al TDC di circa 160 gradi. Pertanto, si può facilmente dedurre che la quantità di gas residuo ha un notevole impatto sulla detonazione.
Questi calcoli sono riassunti nella figura 2 vista in precedenza, come indicato, se la quantità di gas residuo viene dimezzato dall'8% al 4%, la temperatura al PMS resta la stessa anche se il rapporto di compressione viene aumentato da 11:1 a 14:1.
Il motore SKY Active G è progettato per ridurre la quantità di gas residuo in camera di combustione, consentendo così la realizzazione di un motore a benzina rapporto di compressione elevato.
La tecnologia SKY-ACTIVE è disponibile sui motori: 1.5 L da 100Cv ed il 2.0L da 165 Cv.
La riduzione dei gas residui avviene grazie all'adozione di diverse particolarità. La più interessante è l'adozione di un sistema di scarico 4-2-1. Facendo riferimento alla seguente figura. si paragona un sistema di scarico tradizionale "short" con il "4-2-1" Mazda. Nei normali motori con collettore di scarico con canali di lunghezza ridotta l'onda ad alta pressione dal gas che esce da un cilindro (il No. 3 nell'esempio), influenza la fuoriuscita di gas da un altro cilindro (il No. 1). Il risultato è che parte del gas di scarico del cilindro 3 rientra nella camera di aspirazione dell'1 aumentando le temperature in camera. Questo effetto negativo si ripercuote a tutti i regimi. Se invece si adotta uno scarico Lungo, dato che l'onda di pressione generata dal gas in uscita da un cilindro richiede tempo prima di arrivare ad un altro cilindro, questa non riesce ad influenzare negativamente il riempimento e quindi lo svuotamento dell'altro cilindro. L'effetto è presente a tutti i regimi pur essendo meno efficiente a bassissime velocità del motore.
Dato che per ottenere questo effetto è necessaria una lunghezza del tubo di oltre 600 millimetri, per ridurre l'ingombro è stato adottato un sistema di scarico a forma di anello.
Il problema principale con il sistema di scarico 4-2-1 è che la lunga distanza percorsa dai gas di scarico li raffredda prima che questi raggiungano il catalizzatore, ritardandone l'attivazione. La temperatura dei gas di scarico può essere aumentata ritardando la fasatura di accensione, ma troppo ritardo provoca una combustione instabile. Per lo SKYACTIV-G, una combustione stabile si è raggiunta adottando una particolare cavità sul pistone (Figura segeunte) e ottimizzando l'iniezione per ottenere una miscela a carica stratificata intorno alla candela.
Il seguente video illustra in maniera molto chiara il funzionamento del motore SKYACTIVE G e come è stato possibile raggiungere il rapporto di compressione di 14:1