Automobilky pristupujú k znižovaniu emisií CO2 rôznymi spôsobmi. Niekedy sa jedná napr. o kompromisy, pri ktorých sa odsúva radosť z jazdy na vedľajšiu koľaj. Mazda sa ale rozhodla ísť iným smerom a k znižovaniu emisií pristúpila novým komplexným riešením, ktoré nepripraví vodiča o radosť z jazdy. Riešenie zahŕňa okrem novej konštrukcie benzínových a dieselových motorov aj nový podvozok, karosériu a prevodovky. Ruka v ruke s novými technológiami ide aj znižovanie hmotnosti celého vozidla.
Posledné analýzy ukazujú, že klasické spaľovacie motory budú aj najbližších 15 rokov dominovať v automobilovom svete, a tak sa oplatí aj naďalej investovať veľké úsilie do ich vývoja. Ako je všeobecne známe, väčšina chemickej energie obsiahnutej v palive sa horením nepremení na mechanickú prácu, ale sa doslova vyparí formou odpadového tepla cez výfuk, chladič atď. a svoje si pripisujú aj straty vzniknuté trením mechanických častí motora. Inžinieri z japonskej Hirošimy sa pri vývoji novej generácie benzínových a dieselových motorov SkyActiv zamerali na šesť hlavných faktorov, ovplyvňujúcich výslednú spotrebu a škodlivé emisie:
- kompresný pomer,
- pomer zmesi paliva a vzduchu,
- dĺžka trvania fázy horenia zmesi,
- načasovanie fázy horenia zmesi,
- čerpacie straty,
- trenie mechanických častí motora.
Ako najdôležitejší faktor v úlohe znižovania emisií a spotreby sa v prípade benzínových a vznetových motorov ukázal kompresný pomer a zníženie trecích strát.
Motor SkyActiv D
Motor s objemom 2191 ccm je vybavený vysokotlakovým vstrekovaním Common Rail s piezoelektrickými vstrekovačmi. Vyznačuje sa na diesel nezvyklo nízkym kompresným pomer len 14,0:1. O preplňovanie sa stará dvojica turbodúchadiel s rozdielnou veľkosťou, čo má priaznivý vplyv na zníženie oneskorenia reakcie motora na zošliapnutie akcelerátora. Ventilový rozvod obsahuje variabilný zdvih výfukových ventilov, z čoho rezultuje rýchlejšie zohriatie studeného motora, keďže časť výfukových plynov sa vracia späť do valcov. Kvôli spoľahlivému štartovaniu za studena a stabilnému spaľovaciemu procesu počas fázy zahrievania potrebujú bežné vznetové motory vysoký kompresný pomer, ktorého hodnoty sa bežne pohybujú v rozsahu 16:1 až 18:1. Nízky kompresný pomer 14,0:1 v prípade motora SkyActiv-D umožňuje optimalizovať načasovanie spaľovacieho procesu. So znížením kompresného pomeru klesá aj teplota a tlak vo valci pri dosiahnutí hornej úvrate. Horenie zmesi potom trvá dlhšie, aj keď sa palivo do valca vstrekuje tesne pred dosiahnutím hornej úvrate. Následkom dlhšieho horenia sa tak netvoria v horiacej zmesi oblasti s nedostatkom kyslíka a teplota je homogénna, takže sa výrazne eliminuje tvorba NOx a sadzí. Vďaka tomu, že ku vstreknutiu paliva a horeniu dochádza blízko hornej úvrate, má motor vyššiu účinnosť. Znamená to, efektívnejšie využitie chemickej energie obsiahnutej v palive a tiež množstvo vyprodukovanej mechanickej práce na jednotku paliva je vyššie ako v prípade dieselového motora s vysokou kompresiou. Výsledkom je zníženie spotreby nafty a logicky aj emisií CO2 o viac ako 20% ako v prípade motora 2,2 MZR-CD pracujúceho s kompresným pomerom 16:1. Ako už bolo spomínané, spaľovací proces produkuje oveľa menej oxidov dusíka a takmer žiadne sadze. Preto aj bez systému dodatočnej eliminácie NOx plní motor emisnú normu Euro 6, ktorá by mala vstúpiť do platnosti od roku 2015. Motor teda nepotrebuje ani selektívnu katalytickú redukciu ani katalyzátor eliminujúci NOx.
Z dôvodu nízkej kompresie nedokáže motor vytvoriť dostatočne vysokú teplotu pre vznietenie zmesi pri studených štartoch, následkom čoho by bol veľmi problematický štart a motor by mal nepravidelný chod najmä v zimnom období. Z tohto dôvodu je agregát SkyActiv-D vybavený keramickými žeraviacimi sviečkami a variabilným zdvihom výfukových ventilov VVL. To umožňuje vnútornú recirkuláciu horúcich výfukových plynov v spaľovacej komore. Prvému vznieteniu pomáha žeraviaca sviečka, ktorá stačí na to, aby výfukové plyny dosiahli potrebnej teploty. Po spustení motora sa výfukový ventil nezavrie ako pri bežnom motore vo fáze sania. Namiesto toho zostane pootvorený a horúce výfukové plyny prúdia späť do spaľovacej komory. Tým v nej rastie teplota a následné vznietenie zmesi je preto jednoduchšie. Motor preto beží od prvého okamihu hladko a bez vynechávania.
V porovnaní s dieselovým motorom 2,2 MZR-CD sa podarilo znížiť aj vnútorné trenie o 25%. To sa prejavuje nielen ďalším zmenšením celkových strát, ale aj rýchlejšou odozvou a zlepšením výkonnostných parametrov. Ďalšou výhodou nižšieho kompresného pomeru sú nižšie hodnoty maximálneho tlaku vo valcoch, a tým aj menšie zaťaženie jednotlivých komponentov motora. Z tohto dôvodu nie je potreba tak robustnej konštrukcie motora, čo vedie k ďalšiemu znižovaniu hmotnosti. Hlava valcov s integrovaným zberným potrubím má tenšie steny a váži o tri kilogramy mene ako doteraz. Hliníkový blok valcov je dokonca o 25 kg ľahší. Hmotnosť piestov a kľukového hriadeľa klesla o ďalších 25 percent. Celková hmotnosť motora SkyActiv-D je vo výsledku o 20% nižšia ako v prípade doteraz používaného motora 2,2 MZR-CD.
Motor SkyActiv-D používa dvojstupňové preplňovanie. Znamená to, že je vybavený jedným malým a jedným väčším turbodúchadlom, pričom každé pracuje v inom rozsahu otáčok. Menšie sa využíva pri nízkych a stredných otáčkach. Vďaka menšej zotrvačnosti rotujúcich dielov zlepšuje priebeh krivky krútiaceho momentu a eliminuje takzvaný turboefekt, teda oneskorenie reakcie motora na prudké zošliapnutie akcelerátora v nízkych otáčkach, kedy vo výfukovom potrubí nie je dostatočný tlak pre rýchle roztočenie turbíny turbodúchadla. Naopak väčšie turbodúchadlo sa plne zapája do činnosti v strednom otáčkovom spektre. Obe turbodúchadlá spoločne udeľujú motoru plochú krivku krútiaceho momentu v nízkych otáčkach a vysoký výkon vo vyšších otáčkach. Vďaka dostatočnému prísunu vzduchu z turbodúchadiel v širokom otáčkovom spektre, zostávajú emisie NOx a pevných častíc na minime.
Zatiaľ sa pre Európu vyrábajú dve verzie motora 2,2 SkyActiv-D. Silnejšia disponuje najväčším výkonom 129 kW pri 4500 ot/min a najväčším krútiacim momentom 420 Nm pri 2000 ot/min. Slabšia má 110 kW pri 4500 ot/min a krútiaci moment 380 Nm v rozmedzí 1800-2600 ot/min, pričom max. otáčky oboch motorov sú 5200. V praxi pôsobí motor dosť letargicky do 1300 ot/min, od tejto hranice začína naberať na sile, pričom pre bežnú jazdu ho stačí udržiavať okolo 1700 ot/min a viac, a to aj pre potreby plynulého zrýchľovania.
Motor SkyActiv G
Atmosféricky plnený benzínový motor s označením Skyactiv-G disponuje nezvyklo vysokým kompresným pomerom 14,0:1. Táto hodnota je v súčasnosti najvyššia medzi sériovo produkovanými osobnými vozidlami. Zvýšením kompresného pomeru narastá tepelná účinnosť zážihového motora, čo v konečnom dôsledku znamená nižšie hodnoty CO2, a teda aj menšiu spotrebu paliva. Riziko pri vysokom kompresnom pomere v prípade zážihových motorov je tzv. detonačné horenie – klepanie a s tým súvisiaci pokles krútiaceho momentu a nadmerné opotrebovanie motora. Zabráneniu detonačného horenia zmesi v dôsledku vysokého kompresného pomeru využíva motor Skyactiv-G zníženie množstva aj tiež tlaku zvyškových horúcich plynov v spaľovacej komore. Preto je použité výfukové potrubie v usporiadaní 4-2-1. Z tohto dôvodu je výfukové potrubie relatívne dlhé a účinne tak zabraňuje návratu výfukových plynov späť do spaľovacej komory vzápätí potom, čo z nej boli vytlačené. Výsledný pokles teploty horenia účinne zamedzuje vzniku detonačného horenia – klepania. Ako ďalší prostriedok na zabránenie vzniku klepania bola skrátená doba horenia zmesi. Rýchlejšie horenie zmesi znamená kratšiu dobu, po ktorú je nespálená zmes paliva a vzduchu vystavená vysokým teplotám, takže klepanie vôbec nestihne vzniknúť. Taktiež boli dná piestov vybavené špeciálnymi priehlbinami, aby sa plameň horiacej zmesi tvoriaci viacero smerov mohol rozťahovať bez vzájomného kríženia a taktiež vstrekovacia sústava bola osadená novo vyvinutými viacotvorovými vstrekovačmi, umožňujúcimi jemnejšie rozprášenie paliva.
K zlepšeniu účinnosti motora je tiež potrebné znížiť takzvané čerpacie straty. Tie nastávajú pri nižšom zaťažení motora, kedy piest pri pohybe dole vo fáze sania nasáva vzduch.Množstvo vzduchu, ktorý sa do valca dostane, spravidla reguluje škrtiaca klapka, umiestnená v sacom trakte. Pri nízkom zaťažení motora je potrebné len malé množstvo vzduchu. Škrtiaca klapka je takmer uzavretá, čo spôsobuje, že tlak v sacom trakte aj vo valci je nižší ako tlak atmosférický. Piest teda musí prekonávať značný podtlak – skoro vákuum, čo sa negatívne podpisuje na spotrebe paliva. Konštruktéri Mazdy použili na minimalizáciu čerpacích strát plynule variabilné časovanie sacích a výfukových ventilov (S-VT). Tento systém umožňuje regulovať množstvo nasávaného vzduchu pomocou ventilov namiesto škrtiacej klapky. Pri nízkom zaťažení motora je potrebné len veľmi malé množstvo vzduchu. Systém variabilného časovania ventilov preto ponecháva sacie ventily otvorené aj na začiatku fázy stlačenia (kedy ide piest hore) a zavrie ich až v okamihu, keď sa vo valci nachádza práve potrebné množstvo vzduchu. Systém S-VT tak v konečnej podobe znižuje čerpacie straty o 20% a prispieva k vyššej účinnosti spaľovacieho procesu. Už dávnejšie obdobné riešenie využíva aj automobilka BMW, ktorá tento systém nazýva Double VANOS.
Pri tomto systéme regulácie množstva nasávaného vzduchu existuje riziko nedostatočného prehorenia zmesi v dôsledku menšieho tlaku, keďže sacie ventily zostávajú na začiatku kompresnej fázy otvorené. V tomto smere využili inžinieri Mazdy vysoký kompresný pomer 14,0:1 motora Skyactiv G, čo znamená vyššiu teplotu a tlak vo valci, takže proces horenia zmesi zostáva stabilný a motor pracuje hospodárnejšie.
K vyššej účinnosti motora prispieva aj jeho ľahká konštrukcia a menšie mechanické trenie pohybujúcich sa častí. Motor Skyactiv G dostal v porovnaní s doteraz montovaným benzínovým motorom 2,0 MZR o 20% ľahšie piesty, o 15% ľahšie ojnice a menšie hlavné ložiská kľukového hriadeľa, čo viedlo k celkovému zníženiu hmotnosti o 10%. Zmenšením trenia ventilov o polovicu a trenia piestnych krúžkov o takmer 40%, kleslo celkové mechanické trenie motora o 30%.
Všetky spomínané úpravy viedli k lepšej pružnosti motora v nízkych a stredných otáčkach a o 15% nižšej spotrebe v porovnaní s klasickým 2,0 MZR. Dnes tak dôležité emisie CO2 sú dokonca ešte nižšie ako v prípade dnes používaného dieselového motora 2,2 MZR-CD. Výhodou je aj používanie klasického benzínu BA 95.
Všetky benzínové a vznetové motory SkyActiv v Európe budú osadené systémom i-stop, teda systémom stop-štart pre automatické vypínanie motora pri zastavení. Ďalšie elektrické systémy, rekuperačné brzdenie atď. budú nasledovať.
