Mazda Skyactiv-G: Extrémní kompresní poměr namísto downsizingu
Zatímco většina výrobců snižuje objemy svých pohonných jednotek a přidává k nim přeplňování, v Hirošimě kráčí vývoj jiným směrem: Věnuje se atmosférickým motorům.
Současné spalovací motory nedokáží využít 70 až 90 % energie obsažené v palivu. Energetické ztráty jsou přitom převážně tepelné povahy. Lze je připsat na vrub výfukovému systému, chladicí soustavě a povrchovým plochám motoru i převodovky.
Cílem konstruktérů Mazdy je proto zvyšování tepelné účinnosti motorů. Zároveň se věnovali i snižování vnitřního tření a hmotnosti pohonných jednotek.
Při vývoji nových motorů se Mazda zaměřila na kompresní poměr, poměr paliva a vzduchu, délku trvání fáze hoření směsi, načasování fáze hoření směsi, čerpací ztráty a ztráty v důsledku mechanického tření.
Cílem vývojového týmu bylo optimalizovat všechny tyto faktory. Nakonec se ukázalo, že v případě zážehových i vznětových motorů bude hrát ústřední roli kompresní poměr.
Nepřeplňovaný zážehový motor s označením Skyactiv-G se pyšní kompresním poměrem 14,0:1. Tato hodnota je v současnosti nejvyšší mezi velkosériově vyráběnými automobily.
Zvýšením kompresního poměru narůstá tepelná účinnost zážehového motoru, což znamená menší spotřebu paliva. Vysoká komprese v konvenčních motorech zároveň vede ke vzniku nežádoucích abnormalit spalovacího procesu, označovaných jako klepání, a s tím souvisejícímu poklesu točivého momentu.
Abnormalitám spalovacího procesu (klepání) v důsledku vysokého kompresního poměru motor Skyactiv-G brání snížením množství i tlaku zbytkových horkých plynů ve spalovací komoře.
Proto je použito výfukové potrubí 4-2-1. To je relativně dlouhé a účinně tak zabraňuje návratu výfukových plynů zpět do spalovací komory vzápětí poté, co z ní byly vytlačeny. Výsledný pokles kompresní teploty zamezuje vzniku klepání.
Dále byla zkrácena doba hoření směsi. Rychlejší hoření znamená kratší dobu, po kterou je nespálená směs paliva a vzduchu vystavena vysokým teplotám, takže klepání vůbec nestihne vzniknout. Dna pístů byla opatřena speciálními prohlubněmi, aby se plamen hořící směsi mohl roztahovat bez interferencí, a vstřikovací soustava byla osazena novými víceotvorovými vstřikovači, umožňujícími jemnější rozprášení paliva.
Ke zlepšení účinnosti motoru je také nezbytné snížit takzvané čerpací ztráty. Ty nastávají při nižším zatížení motoru, kdy píst při pohybu dolů ve fázi sání nasává vzduch.
Množství vzduchu, který se do válce dostane, zpravidla reguluje škrticí klapka, umístěná v sacím traktu. Při nízkém zatížení motoru je zapotřebí jen malé množství vzduchu. Škrticí klapka je téměř uzavřena, což způsobuje, že tlak v sacím traktu i ve válci je nižší než tlak atmosférický. Píst tedy musí překonávat silné vakuum. Popsaný jev negativně ovlivňuje spotřebu paliva.
Mazda minimalizuje čerpací ztráty použitím plynule proměnného sekvenčního časování sacích i výfukových ventilů (S-VT) . Tento systém umožňuje regulovat množství nasávaného vzduchu pomocí ventilů namísto škrticí klapky.
Ve fázi sání, kdy píst míří k dolní úvrati, zůstávají škrticí klapka i ventily naplno otevřené. Fáze sání je dokončena, jakmile píst dosáhne dolní úvratě (nejnižší bod jeho dráhy). Pokud by se však sací ventil v tento okamžik zavřel, zůstalo by ve válci příliš mnoho vzduchu.
Při nízkém zatížení motoru je zapotřebí jen velmi malé množství vzduchu. Systém proměnného časování proto ponechává sací ventily otevřené i na počátku fáze stlačení (kdy jde píst nahoru) a zavře je přesně v tom okamžiku, kdy se ve válci nachází právě potřebné množství vzduchu. Systém S-VT snižuje čerpací ztráty o 20 % a přispívá k vyšší účinnosti spalovacího procesu.
Obvyklou nevýhodou tohoto řešení je destabilizace spalování. Protože sací ventily zůstávají na počátku kompresní fáze otevřené, není ve válci dostatečný tlak pro snadné vznícení směsi paliva a vzduchu. Motor Skyactiv-G s kompresním poměrem 14,0:1 však tímto problémem netrpí. Vyšší kompresní poměr znamená vyšší teplotu a tlak ve spalovací komoře, takže proces hoření směsi zůstává stabilní a motor pracuje hospodárněji.
K vyšší účinnosti motoru přispívá i jeho lehká konstrukce a menší tření. Dvoulitrový zážehový čtyřválec Skyactiv-G má ve srovnání se stávajícím agregátem MZR 2,0 l o 20 % lehčí písty, o 15 % lehčí ojnice a o 6 až 8 % užší hlavní ložiska klikové hřídele. Zmenšením tření ventilů o polovinu a tření pístních kroužků o 37 % pokleslo celkové vnitřní tření motoru o 30 %. Celková hmotnost motoru je o 10 % nižší.
Motor Skyactiv-G má nabídnout pružnější reakce na změny zatížení. Navzdory vysokému kompresnímu poměru se spokojí s palivem o oktanovém čísle 95. Ve srovnání s motorem MZR 2,0 l má o 15 % nižší spotřebu paliva a přitom nabízí o přibližně 15 % vyšší točivý moment v nízkém a středním rozsahu otáček. Jeho emise CO2 jsou dokonce ještě nižší než v případě vznětového motoru Mazda MZR-CD 2,2 l.
