Mazda: le nuove tecnologie Skyactiv del motore Sky-D

Mazda 6 SW

Dopo avervi parlato delle nuove tecnologie SkyActiv che Mazda applicherà ai motori benzina Sky-G, ci soffermiamo ora sui propulsori turbodiesel Sky-D e sulla loro tecnica. Con 14,0:1, il nuovo motore presenta lo stesso rapporto di compressione del benzina: questo lo rende il diesel con la compressione più bassa al mondo. Come noto, i motori diesel non necessitano di candele di accensione: la miscela di carburante iniettata si accende da sola a pressione elevata e grazie alla alta temperatura di compressione che risulta in prossimità del “punto morto superiore”, o quando la parte superiore del pistone è più vicina alla testa cilindri. Per consentire un’affidabile partenza a freddo ed una combustione stabile durante la fase di riscaldamento, i td convenzionali presentano elevati rapporti di compressione che vanno da 16:1 a 18:1.

Il propulsore Sky-D invece, grazie al basso rapporto di compressione, consente l’ottimizzazione della fasatura della combustione. Quando il rapporto di compressione viene diminuito, diminuiscono anche la pressione e la temperatura di compressione nel punto morto superiore. Di conseguenza, l’accensione impiega più tempo, anche quando il carburante viene iniettato in prossimità del punto morto superiore, consentendo una migliore miscelazione di aria e carburante.

Questo attenua la formazione di NOx e di fuliggine, dato che la combustione diventa più uniforme senza zone localizzate ad alta temperatura né insufficienze di ossigeno. Inoltre, l’iniezione e la combustione più vicine al punto morto superiore rendono un motore diesel estremamente efficiente: il rapporto di espansione (o quantità di lavoro effettivo realizzato) è maggiore rispetto a quello di un motore diesel a compressione elevata. La fasatura ottimizzata della combustione causa in pratica un uso migliore dell’energia contenuta nel carburante: questa è la principale ragione della riduzione del 20% dei consumi sui nuovi Sky-D. Grazie alla sua bassa compressione, lo Skyactiv-D brucia anche in modo più pulito, emettendo molti meno ossidi di azoto allo scarico. Può pertanto fare a meno del post-trattamento degli NOx e soddisfare tuttavia le severe normative Euro 6 sulle emissioni.

Mazda 5
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Tuttavia è noto che un basso rapporto di compressione su un diesel potrebbe generare degli inconvenienti: ad esempio, la temperatura di compressione/accensione in caso di partenza a freddo e durante il funzionamento a freddo di norma è troppo bassa per un motore diesel avente un rapporto di compressione di appena 14:1. Funzionerebbe con difficoltà, soprattutto in condizioni invernali, perdendo colpi durante la fase di riscaldamento. Ed a temperature estremamente basse, il motore potrebbe anche non partire al primo colpo. Pertanto, per migliorare la partenza a freddo ed il funzionamento a bassa temperatura, Mazda ha equipaggiato il proprio Sky-D con candele ad incandescenza di ceramica, così come con alzate variabili delle valvole di scarico. Il ruolo di queste ultime è quello di consentire il ricircolo interno dei gas caldi di scarico nella camera di combustione. Funziona in questo modo: una candela ad incandescenza viene utilizzata per realizzare il primo ciclo di combustione, che è in grado di portare i gas di scarico ad una temperatura sufficiente. Dopo l’avviamento del motore, la valvola di scarico non si chiude come accade di solito durante la corsa di aspirazione. Al contrario, resta leggermente aperta per consentire ad una parte dei gas di scarico di rientrare. Ciò aumenta la temperatura dell’aria nella camera di combustione, il che a sua volta facilita la successiva accensione della miscela aria/ carburante ed evita che il motore perda colpi.

Il minore rapporto di compressione del propulsore significa una riduzione della pressione massima e, pertanto, meno sollecitazioni ai componenti del motore rispetto ai diesel convenzionali. Di conseguenza, ci sono maggiori opportunità di realizzare modifiche strutturali per ridurre il peso: le teste cilindri con pareti più sottili ed il collettore di scarico integrato sono 3 kg più leggeri di prima, mentre il blocco cilindri, ora in alluminio, consente di risparmiare altri 25 kg. Con l’aggiunta di una riduzione del 25% del peso dei pistoni e degli alberi a gomiti, Mazda è riuscita a ridurre l’attrito interno del motore complessivamente del 20% rispetto all’attuale diesel MZR-CD.

Questo motore fa uso di un turbocompressore a doppio stadio. Presenta un turbocompressore piccolo ed uno grande, che vengono fatti funzionare in modo selettivo in base alle condizioni di guida. Il turbocompressore piccolo, a reazione rapida, alimenta aria nelle camere di combustione a bassi regimi del motore per fornire coppia a bassa velocità ed eliminare il “turbolag”. Il ritardo del turbo è caratterizzato da una coppia troppo bassa e da una scarsa risposta all’azionamento della valvola a farfalla. È’ provocato dalla mancanza di pressione dei gas di scarico per far girare la turbina del turbocompressore fino alla velocità necessaria per fornire la pressione di alimentazione richiesta. Insieme, i due turbocompressori garantiscono una coppia elevata e prontezza di reazione a bassa velocità del motore e potenza elevata anche a regimi di giri insolitamente alti per un td, consentendo al motore di raggiungere facilmente il suo limite di 5.200 rpm nella zona rossa. L’effetto sinergico del turbocompressore a doppio stadio ed il basso rapporto di compressione consentono la fasatura ottimale della combustione. Dato che sussiste un’alimentazione sufficiente di aria (ossigeno), le emissioni di NOx e di fuliggine vengono mantenute al minimo.

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