Moteur Mazda SkyActiv G - essence et SkyActiv D - diesel
Les constructeurs automobiles visent à réduire les émissions de CO2 différemment. Parfois, ce sont, par exemple, o Les compromis qui font passer le plaisir de conduire sur la touche. Cependant, Mazda a décidé d'aller dans une direction différente et de réduire les émissions avec une nouvelle solution tout-en-un qui n'enlève pas le plaisir de conduire. En plus de la nouvelle conception des moteurs à essence et diesel, la solution comprend également de nouveaux châssis, carrosserie et boîte de vitesses. La réduction du poids de l'ensemble du véhicule va de pair avec les nouvelles technologies.
Des études récentes montrent que les moteurs à combustion conventionnels continueront de dominer le monde automobile au cours des 15 prochaines années, il vaut donc la peine de continuer à investir beaucoup d'efforts dans leur développement. Comme vous le savez, la majeure partie de l'énergie chimique contenue dans le carburant n'est pas convertie en travail mécanique lors de la combustion, mais s'évapore littéralement sous forme de chaleur perdue à travers les tuyaux d'échappement, le radiateur, etc. et elles expliquent également les pertes causées par le frottement des les pièces mécaniques du moteur. Lors du développement de la nouvelle génération de moteurs essence et diesel SkyActiv, les ingénieurs d'Hiroshima, au Japon, se sont concentrés sur six facteurs principaux qui affectent la consommation et les émissions résultantes :
- ratio de compression,
- rapport carburant/air,
- la durée de la phase de combustion du mélange,
- le temps de la phase de combustion du mélange,
- pertes de pompage,
- frottement des pièces mécaniques du moteur.
Dans le cas des moteurs à essence et diesel, le taux de compression et la réduction des pertes par friction se sont avérés être les facteurs les plus importants pour réduire les émissions et la consommation de carburant.
Moteur SkyActiv D
Le moteur de 2191 14,0 cm1 est équipé d'un système d'injection à rampe commune haute pression avec injecteurs piézoélectriques. Il présente un taux de compression inhabituellement bas de seulement 16:1 pour le diesel. La recharge est assurée par une paire de turbocompresseurs de différentes tailles, ce qui a un effet positif sur la réduction du délai de réponse du moteur à l'appui sur la pédale d'accélérateur. Le train de soupapes active la course variable des soupapes d'échappement, ce qui accélère le réchauffement d'un moteur froid, car une partie des gaz d'échappement est renvoyée vers les cylindres. En raison d'un démarrage à froid fiable et d'une combustion stable pendant la phase de préchauffage, les moteurs diesel conventionnels nécessitent un taux de compression élevé, généralement compris entre 18:1 et 14,0:1. Le faible taux de compression de 2:20 pour le SkyActiv -D moteur permet d'optimiser le temps du processus de combustion. Lorsque le taux de compression diminue, la température et la pression du cylindre diminuent également au point mort haut. Dans ce cas, le mélange brûle plus longtemps même si le carburant est injecté dans le cylindre juste avant d'atteindre le point mort haut. À la suite d'une combustion prolongée, aucune zone pauvre en oxygène ne se forme dans le mélange combustible et la température reste uniforme, de sorte que la formation de NOx et de suie est considérablement exclue. Avec une injection de carburant et une combustion proches du point mort haut, le moteur est plus efficace. Cela signifie une utilisation plus efficace de l'énergie chimique contenue dans le carburant ainsi qu'un travail mécanique plus important par unité de carburant que dans le cas d'un moteur diesel à taux de compression élevé. Le résultat est une réduction de la consommation de diesel et des émissions logiques de CO2,2 de plus de 16 % par rapport à un moteur 1 MZR-CD fonctionnant avec un taux de compression de 6 : 2015. Comme mentionné, beaucoup moins d'oxydes d'azote sont générés lors de la combustion et presque pas de carbone technique. . Ainsi, même sans système supplémentaire d'élimination des NOx, le moteur répond à la norme antipollution Euro XNUMX qui doit entrer en vigueur en XNUMX. Ainsi, le moteur n'a pas besoin de réduction catalytique sélective ou d'un catalyseur d'élimination des NOx.
En raison de la faible compression, le moteur ne peut pas générer une température suffisamment élevée pour enflammer le mélange lors des démarrages à froid, ce qui peut entraîner des démarrages très problématiques et un fonctionnement intermittent du moteur, surtout en hiver. Pour cette raison, SkyActiv-D est équipé de bougies de préchauffage en céramique et d'une soupape d'échappement VVL à course variable. Cela permet aux gaz d'échappement chauds d'être recirculés à l'intérieur de la chambre de combustion. Le premier allumage est assisté par une bougie de préchauffage, ce qui suffit pour que les gaz d'échappement atteignent la température requise. Après le démarrage du moteur, la soupape d'échappement ne se fermera pas comme un moteur d'admission normal. Au lieu de cela, il reste entrouverte et les gaz d'échappement chauds retournent dans la chambre de combustion. Cela élève la température à l'intérieur et facilite donc l'inflammation ultérieure du mélange. Ainsi, le moteur tourne en douceur et sans interruption dès le premier instant.
Par rapport au moteur diesel 2,2 MZR-CD, la friction interne a également été réduite de 25 %. Cela se traduit non seulement par une réduction supplémentaire des pertes globales, mais également par une réponse plus rapide et des performances améliorées. Un autre avantage d'un taux de compression inférieur est des pressions de cylindre maximales inférieures et donc moins de contraintes sur les composants individuels du moteur. Pour cette raison, une conception de moteur aussi robuste n'est pas nécessaire, ce qui entraîne des économies de poids supplémentaires. La culasse avec collecteur intégré a des parois plus fines et pèse trois kilogrammes de moins qu'auparavant. Le bloc-cylindres en aluminium est plus léger de 25 kg. Le poids des pistons et du vilebrequin a été réduit de 25 % supplémentaires. En conséquence, le poids total du moteur SkyActiv-D est inférieur de 20 % à celui du moteur 2,2 MZR-CD utilisé jusqu'à présent.
Le moteur SkyActiv-D utilise une suralimentation à deux étages. Cela signifie qu'il est équipé d'un petit et d'un grand turbocompresseur, chacun fonctionnant à une plage de vitesse différente. Le plus petit est utilisé à bas et moyen régime. En raison de la plus faible inertie des pièces en rotation, il améliore la courbe de couple et élimine l'effet dit turbo, c'est-à-dire le retard de réponse du moteur à un brusque saut d'accélérateur à basse vitesse lorsqu'il n'y a pas assez de pression dans l'échappement . tuyau de dérivation pour une rotation rapide de la turbine du turbocompresseur. En revanche, le plus gros turbocompresseur est pleinement engagé dans la plage de vitesse moyenne. Ensemble, les deux turbocompresseurs fournissent au moteur une courbe de couple plate à bas régime et une puissance élevée à haut régime. Grâce à l'alimentation en air suffisante des turbocompresseurs sur une large plage de vitesses, les émissions de NOx et de particules sont réduites au minimum.
Jusqu'à présent, deux versions du moteur 2,2 SkyActiv-D sont produites pour l'Europe. Le plus puissant a une puissance maximale de 129 kW à 4500 420 tr/min et un couple maximal de 2000 Nm à 110 4500 tr/min. Le plus faible a 380 kW à 1800 tr/min et un couple de 2600 Nm dans la plage 5200-1300 tr/min, à max. la vitesse de rotation des deux moteurs est de 1700. En pratique, le moteur agit plutôt léthargique jusqu'à XNUMX tr/min, à partir de cette limite il commence à prendre de la vitesse, alors que pour une conduite normale il suffit de le maintenir à environ XNUMX tr/min voire plus même pour les besoins d'accélération en douceur.
Moteur SkyActiv G
Le moteur à essence à aspiration naturelle, désigné Skyactiv-G, a un taux de compression inhabituellement élevé de 14,0: 1, actuellement le plus élevé d'une voiture de tourisme produite en série. L'augmentation du taux de compression augmente l'efficacité thermique du moteur à essence, ce qui signifie finalement des valeurs de CO2 plus faibles et donc une consommation de carburant plus faible. Le risque associé à un taux de compression élevé dans le cas des moteurs à essence est ce que l'on appelle la combustion par cliquetis - la détonation et la réduction du couple qui en résulte et l'usure excessive du moteur. Pour éviter la combustion détonante du mélange due au taux de compression élevé, le moteur Skyactiv-G utilise une réduction de la quantité ainsi que de la pression des gaz chauds résiduels dans la chambre de combustion. Par conséquent, un tuyau d'échappement dans une configuration 4-2-1 est utilisé. Pour cette raison, le tuyau d'échappement est relativement long et empêche ainsi efficacement les gaz d'échappement de retourner dans la chambre de combustion immédiatement après en avoir été évacués. La baisse de température de combustion qui en résulte empêche efficacement l'apparition d'une combustion par détonation - détonation. Comme autre moyen d'empêcher la détonation, le temps de combustion du mélange a été réduit. Une combustion plus rapide du mélange signifie un temps plus court pendant lequel le mélange non brûlé de carburant et d'air est exposé à des températures élevées, de sorte que la détonation n'a pas du tout le temps de se produire. La partie inférieure des pistons est également pourvue d'évidements spéciaux afin que les flammes du mélange brûlant se formant dans de nombreuses directions puissent se dilater sans se croiser, et le système d'injection a également été équipé d'injecteurs multi-trous nouvellement développés, ce qui permet le carburant à atomiser.
Il est également nécessaire de réduire les pertes dites de pompage afin d'augmenter le rendement du moteur. Cela se produit à des charges de moteur inférieures lorsque le piston aspire de l'air lorsqu'il descend pendant la phase d'admission.La quantité d'air entrant dans le cylindre est généralement contrôlée par un papillon des gaz situé dans le conduit d'admission. À des charges de moteur légères, seule une petite quantité d'air est nécessaire. Le papillon des gaz est presque fermé, ce qui conduit au fait que la pression dans le conduit d'admission et dans le cylindre est inférieure à la pression atmosphérique. Par conséquent, le piston doit surmonter une pression négative importante - presque un vide, ce qui affecte négativement la consommation de carburant. Les concepteurs de Mazda ont utilisé un calage des soupapes d'admission et d'échappement à variation continue (S-VT) pour minimiser les pertes de la pompe. Ce système vous permet de contrôler la quantité d'air d'admission à l'aide de soupapes au lieu d'un accélérateur. À faible charge du moteur, très peu d'air est nécessaire. Ainsi, le système de calage variable des soupapes maintient les soupapes d'admission ouvertes au début de la phase de compression (lorsque le piston monte) et ne les ferme que lorsque la quantité d'air requise se trouve dans le cylindre. Ainsi, le système S-VT réduit finalement les pertes par pompage de 20 % et améliore l'efficacité du processus de combustion. Une solution similaire est utilisée par BMW depuis longtemps, appelant ce système Double VANOS.
Lors de l'utilisation de ce système de contrôle du volume d'air d'admission, il existe un risque de combustion insuffisante du mélange en raison de la pression plus faible, puisque les soupapes d'admission restent ouvertes au début de la phase de compression. À cet égard, les ingénieurs de Mazda ont utilisé le taux de compression élevé du moteur Skyactiv G de 14,0 : 1, ce qui signifie une température et une pression plus élevées dans le cylindre, de sorte que le processus de combustion reste stable et que le moteur fonctionne de manière plus économique.
La faible efficacité du moteur est également facilitée par sa conception légère et moins de frottement mécanique des pièces mobiles. Par rapport au moteur essence 2,0 MZR installé, le moteur Skyactiv G est doté de pistons 20 % plus légers, de bielles 15 % plus légères et de paliers principaux de vilebrequin plus petits, ce qui entraîne une réduction de poids globale de 10 %. En réduisant de près de 40 % le frottement des soupapes et le frottement des segments de piston, le frottement mécanique total du moteur a été réduit de 30 %.
Toutes les modifications mentionnées ont permis une meilleure maniabilité du moteur à bas et moyen régime et une réduction de 15 % de la consommation de carburant par rapport au 2,0 MZR classique. Aujourd'hui, ces émissions de CO2 importantes sont encore inférieures à celles du moteur diesel 2,2 MZR-CD utilisé aujourd'hui. L'avantage est aussi l'utilisation de l'essence classique BA 95.
Tous les moteurs essence et diesel SkyActiv en Europe seront équipés d'un système i-stop, c'est-à-dire un système stop-start permettant d'arrêter automatiquement le moteur à l'arrêt. D'autres systèmes électriques, freinage régénératif, etc. suivront.
