Skyactiv-X, come è fatto e come funziona il motore a benzina Mazda
Accensione per compressione controllata con il sistema SPCCI per questo motore che combina i vantaggi dei motori diesel con quelli a benzina ottenendo prestazioni di potenza e di accelerazione eccezionali con consumi ridotti del 20%
Il motore Skyactiv-X è un propulsore rivoluzionario messo a punto da Mazda che va a benzina e consuma come un diesel: è sovralimentato mediante compressore volumetrico con a bordo la tecnologia SPCCI (Spark Controlled Combustion Ignition) che gli permette di lavorare con alti rapporti di compressione e gestire al meglio l’accensione spontanea per compressione (proprio come nei diesel) della miscela di combustibile benzina e aria. Mantiene comunque le candele d’accensione che sono parte integrante della gestione SPCCI ed impiegate anche per l’accensione di microcariche.
Abbiamo provato il motore Skyactiv-X sulla Mazda3 quando era ancora in fase di sviluppo lo scorso anno e recentemente sulla nuova Mazda CX-30 nella sua versione definitiva. Dalla prima versione alla definitiva è nettamente migliorato e si presenta oggi molto silenzioso, fluido nel funzionamento e con una erogazione corposa e molto lineare.
Ma andiamo per ordine e cerchiamo di capire quali sono i principi di funzionamento di questo motore a combustione interna a benzina superottimizzato dai giapponesi.
Motore Skyactiv-X, propulsore ad alta efficienza
Nel motore Skyactiv-X l’efficienza della combustione (che riduce i consumi) viene incrementata portando il rapporto di compressione a 16:1 contro valori più bassi che si utilizzano normalmente (14:1, 12:1, 10:1) su un motore a ciclo otto a benzina con forte contenimento delle perdite per calore: tra i pregi soprattutto una velocità di combustione incredibile, riduzione delle perdite di pompaggio, resistenza meccanica dagli attriti ridotta e miglior riempimento attraverso l’utilizzo del ciclo Miller (con la valvola di aspirazione che si chiude in ritardo dopo il PMI) e del compressore volumetrico.
Come funziona il motore Skyactiv-X?
Il principio su cui si basa il motore Skyactiv-X è il controllo preciso, mediante il meccanismo SPCCI, della combustione di miscela aria-benzina povera (con lambda maggiore di 1) la cui accensione è spontanea grazie alla sola compressione nella situazione ideale proprio come nei diesel.
Guarda il video Skyactiv-X come funziona
Accensione per combustione controllata da post iniezione e scintilla
Nei casi in cui la situazione è più sfavorevole all’autoaccensione viene in soccorso una strategemma inventato da Mazda, una specie di “aiutino”: entra in ballo una seconda piccola iniezione di carburante che forma una piccola zona di miscela più ricca accesa dalla candela, una specie di carica esplosiva che fa crescere il valore di pressione in camera di scoppio.
Solitamente questa seconda iniziezione è necessaria solo agli alti regimi e negli intervalli di carico dove l’accensione per compressione non riesce ad avvenire spontameneamente: è qui che funziona la candela.
Inizialmente entra in camera di combustione una miscela aria-benzina magra ideale per l’accensione per compressione. Poi, una successiva fase di iniezione crea intorno alla candela una zona con miscela aria-benzina abbastanza ricca: questa viene accesa con la scintilla.
Questa accensione comandata della microcarica fa crescere la pressione all’interno del cilindro (che non era sufficiente) fino al punto di innescare l’accensione spontanea della restante miscela (+magra).
Come va su strada il motore Skyactiv-X: provato sotto la Mazda CX-30
Cosa è l’SPCC, Spark Controlled Compression Ignition
Con il sistema SPCCI si crea insomma una combustione localizzata aggiuntiva (innescata dalla candela) utilizzata per ottenere la necessaria pressione e temperatura giusta tale da innescare l’accensione per compressione sulla restante miscela.
In altre parole, il rapporto di compressione geometrico viene aumentato fino al punto in cui la miscela aria-benzina arriva al limite dell’accensione spontanea per compressione al punto morto superiore.
Questo avviene con la scintilla che accende una microcarica generando così una spinta aggiuntiva, +pressione in camera di scoppio per attivare l’accensione spontanea per compressione.
Nonostante l’utilizzo del sistema SPCCI abbia creato un metodo di combustione totalmente nuovo, si basa in realtà su due funzioni esistenti, accensione e iniezione, che Mazda ha saputo ben sfruttare e gestire grazie ad un pistone dal cielo di nuova concezione, un sistema d’iniezione del carburante ad altissima pressione, una alimentazione d’aria a elevata quantità e pronta nella risposta grazie al compressore volumetrico con vari sensori ed attuatori come quello di pressione posto all’interno del cilindro sulla candela.
Skyactiv-X, motore che lavora in eccesso d’aria come quello diesel
Il motore Skyactiv-X 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.
Compressore volumetrico
C’è un bel compressore volumetrico per aumentare la pressione nei condotti d’aspirazione con una risposta del motore migliore: aumento della coppia del 10% rispetto all’attuale motore a benzina SKYACTIV-G
Perchè questo sistema SPCCI di Mazda migliora il funzionamento di un motore a benzina?
Perchè lavora in eccesso d’aria ed autoccensione (controllata). Il rapporto ideale (stechiometrico) aria-combustibile è di 14,7:1. Lavorando con un più elevato rapporto aria-combustibile (è più che raddoppiata la quantità di aria, 30:1), 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 dovute alla chiusura della valvola a farfalla che su quest motore sta molto più aperta.
Sensore di pressione in camera di scoppio
In aggiunta a queste tecnologie per controllare la combustione è stato anche introdotto un sensore di pressione interno al cilindro sulla camera di scoppio posizionato esattamente sulla candela di accensione.
3 fattori sotto controllo per ottenere la combustione per compressione: rapporto di compressione, fasatura e periodo di combustione
Nello sviluppare SKYACTIV-X, Mazda ha lavorato su tre punti fondamentali per innescare l’accensione per compressione di una miscela aria-combustibile povera.
Sono:
- rapporto di compressione, aumentato per ottenere le necessarie condizioni di temperatura e pressione elevate
- fasatura di combustione vicino al punto morto superiore nell’accensione per compressione
- periodo di combustione accorciato in cui tutto il combustibile brucia simultaneamente.
L’accensione per compressione è più veloce
Con l’accensione per compressione tutta la miscela (più magra) nella camera di combustione brucia con una velocità ben maggiore ed una pressione in camera di scoppio che sale molto prima, migliorando così la spinta sul pistone e l’efficienza generale del ciclo di combustione.
Conclusioni Skyactiv-X per ridurre i consumi, una manna dal cielo!
Per concludere possiamo dire che Skyactiv-X di Mazda rappresenta una rivoluzione tecnica e tecnologica applicata al motore a combustione interna a benzina che funziona con i principi di quello diesel dal quale eredita l’alta compressione 16:1, il principio di accensione e di conseguenza la maggiore efficienza/rendimento rispetto ad uno tradizionale a benzina. Questo si traduce in una riduzione dei consumi del 20% sul motore a benzina con un +10% di coppia.
L’idea alla base della strategia Mazda è stata tanto semplice quanto intrigante: sfruttare al massimo le potenzialità degli attuali motori diesel per consumare meno su quello a benzina.
Genialità, costanza, impegno e caparbietà dei giapponesi hanno portato a questo importante risultato mondiale: un notevole passo sul rendimento termodinamico del motore a ciclo otto con l’SPCCI andando ben oltre la strada battuta anche da altri, quella dell’HCCI (Homogeneous charge compression ignition) ma che nessun costruttore era riuscito a mettere a punto. Ci sono riusciti i giapponesi del motore Wankel, quelli che hanno anche inventato la spider più venduta al mondo, la MX-5!
Foto e grafici
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