Technologie Mazda Skyactiv: Nebeská účinnost

Mazda už podrobně představila novinářům svůj soubor komplexních technických opatření pro snížení spotřeby Skyactiv, jehož základem jsou revoluční agregáty, které jsme vyzkoušeli… Program Skyactiv je souborem nových technologií v konstrukci automobilů Mazda, jehož hlavním cílem je snížení spotřeby paliva, resp. emisí CO2. Jak nám řekl Hiroyuki Matsumoto, viceprezident společnosti Mazda Motor Europe pro výzkum a vývoj, chce Mazda Motor Corporation do roku 2015 dostat průměrné emise CO2 nových automobilů na úroveň 123 g/km. Program Skyactiv je obdobou programu BMW Efficient- Dynamics, hirošimská automobilka jej však pojala opravdu komplexně, protože vedle nových zážehových (Skyactiv-G) a vznětových motorů (Skyactiv-D) do něho zahrnuje i samočinné a manuální převodovky (Skyactiv- Drive & MT) a podvozek s karoserií (Skyactiv-Body & Chassis). Základem jsou účinnější a úspornější pístové spalovací motory. Konstruktéři se zaměřili na snížení vnitřního tření, hmotnosti a čerpacích ztrát. Zvýšili ale také tepelnou účinnost spalovacího procesu; optimalizovali složení směsi (poměr paliva a vzduchu) a délku trvání fáze hoření včetně správného načasování. Jako klíčový faktor se ale ukázal být kompresní poměr, který má u obou motorů rekordní hodnotu 14:1. Zejména u zážehové jednotky se jedná o extrém, neboť dnešním standardem je cca 10:1 a většinou jen závodní motory se mohou pochlubit stupněm komprese kolem 12. Největším úskalím tak vysokého kompresního poměru jsou tzv. samozápaly, vyvolávající detonační spalování (klepání), jež vznikají v důsledku vysokých tlaků a teplot během expanze ve spalovacím prostoru. Konstruktéři tomuto jevu, který je nežádoucí z hlediska rizika poškození motoru a poklesu točivého momentu, zabránili urychlením hoření plamene. Podařilo se to kombinací správného načasování vstřiku a zážehu, jemnějšího rozprášení směsi a složitého tvaru dna pístu se speciálními prohlubněmi. Plamen začne hořet v komůrce uprostřed pístu a pak se velmi rychle šíří všemi směry, takže nespálená směs na okrajích válce nemá šanci se sama vznítit. Zároveň bylo nutné zabránit zpětnému natlačení výfukových spalin při sání do válce, kdy jsou otevřené sací i výfukové ventily. Docházelo by totiž k nežádoucímu zvyšování teploty a tlaku ve válci, nahrávající samozápalům. Mazda proto použila složitě tvarované výfukové potrubí typu 4-2-1, u kterého se čtyři sběrné větve z každého válce spojí nejprve do dvou a těsně před katalyzátorem pak do jedné. Díky tomu je delší než u konvenčního řešení 4-1, takže zpětná vlna spalin vyvolaná protitlakem výfuku z jiného válce dorazí zpátky až ve chvíli, kdy jsou výfukové ventily uzavřené. Přestože Skyactiv-G pracuje s tak vysokou kompresí, vystačí s běžným benzínem Natural 95. Zlepšení účinnosti plnění, hlavně v oblasti nízkého zatížení, přispělo až k 15% snížení spotřeby u motoru 2.0 Skyactiv-G (ve srovnání se současným 2.0 MZR). Místo běžné ztrátové regulace přivíráním škrticí klapky ji totiž motor nechává spolu se sacími ventily naplno otevřenou. A to nejen během sání, ale částečně i při kompresi, kdy je vytlačen přebytečný vzduch z válce. Toto řešení sice snižuje tlak, díky vysokému kompresnímu poměru ale nedochází k nestabilnímu chodu. Větší efektivitu přineslo i snížení vnitřního tření o 30 %, zmenšila se také hmotnost pohyblivých částí; písty jsou lehčí o 20 %, ojnice o 15 % a klikový hřídel o 8 %. Úsporu přinesl také hliníkový blok válců. Čtyřválec 2.0 Skyactiv-G, který je chráněn více než 160 patenty, se může pochlubit výkonem 121 kW (165 k) při 6500 min-1 (+ 7 kW), točivým momentem 210 N.m/4000 min-1 (+ 21 N.m), ale především vynikajícím zátahem z nízkých otáček a okamžitou reakcí na přidání plynu. Technicky neméně zajímavý je také turbodiesel 2.2 Skyactiv-D, který už nemá se současným 2.2 MZR-CD nic společného. Jde totiž o zcela novou jednotku, pracující stejně jako Skyactiv- G s kompresním poměrem 14:1. Ve válcích je díky tomu na konci kompresního zdvihu nižší teplota i tlak, takže palivo rozprašované piezovstřikovači s desetiotvorovými tryskami pod tlakem až 200 MPa těsně před horní úvratí má delší dobu na optimální promíchání se vzduchem. Hoření je plynulejší a homogenní, netvoří se tolik míst s nedostatkem kyslíku, takže vzniká jen velmi málo oxidů dusíku (NOx). Skyactiv- D proto i bez dodatečné úpravy spalin v podobě zásobníkového katalyzátoru De- NOx či systému selektivní katalytické redukce (SCR) plní v předstihu emisní normu EU6. Méně sazí zase umožnilo použití menšího filtru pevných částic, což se konstruktérům hodilo kvůli zástavbě dvoustupňového přeplňování s malým a velkým turbodmychadlem. Aby motor při tak nízké kompresi dosáhl výkonu 129 kW (175 k) při 4500 min-1 (maximální otáčky jsou 5200min-1), hlavně ale točivého momentu až 420 N.m, musí se do válce dostat hodně vzduchu. Jedno velké turbodmychadlo by mělo velkou prodlevu, ale s dvoustupňovým přeplňováním má Skyactiv- D zcela plynulý zátah od volnoběžných otáček až do 5000 min-1. Výhodou nízké komprese jsou i menší spalovací tlaky (maximum 12,7 MPa místo 16,6 MPa u MZR-CD), takže všechny části motoru mohly být dimenzovány na nižší zatížení a jsou tudíž menší a lehčí. Klikový hřídel spolu s písty a ojnicemi váží o čtvrtinu méně, což zmenšilo setrvačné síly pohyblivých částí a zlepšilo reakce motoru na přidání plynu. Hliníkový blok přinesl úsporu 25 kg. V součtu je tak Skyactiv-D o desetinu lehčí než 2.2 MZR-CD. Výsledkem všech popsaných úprav je snížení spotřeby až o 20 %! Nízký kompresní poměr ale přináší některá úskalí, třeba při studeném startu a nerovnoměrný chod nezahřátého motoru. Před prvním spuštěním ohřívá spalovací prostor keramická žhavicí svíčka, za běhu pak část výfukových plynů nasávaných při sacím zdvihu zpět do motoru přes pootevřené výfukové ventily vybavené proměnným zdvihem (VVL). Skvělý dojem z rychlosti a plynulosti řazení v nás zanechala nová samočinná šestistupňová převodovka Skyactiv-Drive, kterou jsme vyzkoušeli s oběma motory. Proti předchozí pětistupňové je kompaktnější a o 30 % lehčí, existuje ve dvou verzích pro zážehové (do 270 N.m) a vznětové motory (470 N.m), kterým uspoří 4 až 7 % paliva. Velkou měrou se na tom podílí rozsáhlé přemosťování hydrodynamického měniče na všechny převodové stupně, které vzrostlo ze 64 na 89 % času (měřeno v cyklu NEDC). S trochou nadsázky lze říci, že měnič funguje už jen jako tlumič torzních kmitů a plynulá rozjezdová spojka. Díky přemosťovací vícelamelové spojce (Lock-up) také motor okamžitě reaguje na přidání plynu bez sebemenší známky prokluzu. Ve dvou verzích existuje i manuální šestistupňová převodovka Skyactiv-M/T, která má zkrácené dráhy řazení a trojitou synchronizaci pro 3. a 4., resp. 1. až 4. převodový stupeň ve spojení s turbodieselem. Zajímavostí převodovky je společný vstupní hřídel pro jedničku a zpátečku, čímž odpadá vložené kolo, a společný vstupní hřídel pro dvojku a trojku (jeden pastorek pro dvě ozubená kola). Tato řešení přinesla zmenšení vnějších rozměrů skříně. Mazda také dále pokračuje ve snižování hmotnosti karoserie; v případě nové generace řady 6 bude úspora činit asi 20 kg. Díky rozsáhlejšímu použití vysokopevnostní oceli, optimalizaci struktury jednotlivých dílů a novým technologickým postupům bude nová karoserie zároveň o 30 % tužší. Úsporu hmotnosti podvozku o 14 % má na svědomí hlavně přechod z přední lichoběžníkové nápravy na vzpěry McPherson se spodními trojúhelníkovými rameny. Zadní náprava zůstala i nadále víceprvková, má ale upravenou geometrii a tvar uchycení podélných ramen do karoserie. Mazda také slibuje komfortněji naladěné pérování. Jako první dostane kompletní sadu všech technologií kompaktní SUV Mazda CX-5, jež se na trhu objeví v příštím roce. Již letos se začne v Japonsku prodávat Mazda Demio (= Mazda 2) se zážehovým motorem 1.3 Skyactiv-G a v Japonsku i USA také Mazda 3 s motorem 2.0 Skyactiv-G a samočinnou převodovku Skyactiv- Drive. Jaké další jednotky budou následovat a zda se zážehové motory časem dočkají přeplňování, nám zástupci Mazdy zatím neprozradili. Michal Štengl redaktor časopisu Automobil