SkyActiv-X di Mazda, come funziona il benzina che va come un diesel

I quattro tempi del motore nel dettaglio

In entrambe le tipologie di motori a scoppio, la miscela fresca aria-carburante passa attraverso il collettore di aspirazione ed entra nel cilindro, "tirata" dal movimento del pistone verso il basso mentre la valvola di aspirazione è aperta. Questa è, appunto, la fase di Aspirazione.

Questa prima fase termina quando il pistone raggiunge il punto morto inferiore - il PMI, ovvero il punto più basso a cui può arrivare - e la valvola di aspirazione si chiude. A questo punto, il pistone comincia a risalire comprimendo la miscela aria-carburante, arrivando fino al punto morto superiore (PMS). Questa fase è la Compressione.

Nell'esatto momento - salvo casi particolari - in cui il pistone si trova al PMS, avviene lo scoppio del carburante, dando inizio alla fase di Combustione. La forza generata dall'esplosione della miscela aria-carburante spinge con forza il pistone nuovamente verso il PMI, mentre entrambe le valvole sono chiuse, terminando questa terza fase.

A questo punto, il pistone tende a risalire per inerzia e, grazie all'apertura della valvola di scarico, spinge fuori i gas incombusti e i residui dell'esplosione, fermandosi poi al PMS. Questa è la fase di Scarico, che conclude il ciclo.

Le miscele aria-combustibile

In chimica e in ingegneria esistono rapporti di miscelazione specifici, chiamati rapporti stechiometrici. Nel caso teorico ideale, i motori a benzina richiedono 14,7 grammi di aria (comburente) per ogni grammo di benzina (combustibile), dando vita ad una miscela con rapporto stechiometrico di 14,7:1.

Considerando il tempo di accensione e combustione, pari a 2 millisecondi, è chiaro che si tratta di un valore ideale e quasi impossibile da ottenere. I motori a scoppio, comunque, possono lavorare in un range abbastanza esteso di rapporti stechiometrici.

Aumentando e diminuendo le parti di aria per ogni parte di combustibile, si ottengono miscele diverse: più aria, ad esempio, dà vita a una miscela povera (il rapporto limite per il funzionamento è 20:1), mentre riducendo le parti di aria si ottiene una miscela ricca (il rapporto limite, in questo caso, è 8:1).

Bisogna fare attenzione ai nomi quindi: il rapporto varia in base all'aumentare e al diminuire delle parti di aria, ma i nomi "miscela ricca" e "miscela povera" vengono assegnati in base alla maggiore o minore quantità di combustibile nel rapporto. Ad esempio, 8:1 è una miscela estremamente ricca, perché c'è molto combustibile rispetto alle parti di aria.

Una piccola curiosità: un valore troppo lontano dal rapporto stechiometrico ideale può portare non solo a perdita di prestazioni, ma anche a decadimenti strutturali del motore. Ecco perché, ad esempio, il passaggio da benzina a GPL richiede interventi mirati al sistema di aspirazione.

Differenze di accensione tra benzina e diesel

Eccoci al punto saliente. Come abbiamo già anticipato, i motori a benzina hanno un diverso sistema di accensione - per far partire la combustione - rispetto ai motori diesel. Le tipologie di accensione sono sostanzialmente due: SI (Spark Ignition, accensione a scintilla) e CI (Compression Ignition, accensione a compressione).

I motori diesel sfruttano il secondo sistema: il rapporto di compressione dei motori diesel permette di raggiungere pressioni e temperature molto elevate, sufficienti a innescare lo scoppio del carburante quando iniettato nel cilindro durante la fase di compressione.

Nei motori a benzina, invece, il rapporto di compressione è più basso e il carburante viene fatto scoppiare in modo più controllato attraverso dispositivi elettronici a scintilla, comunemente definiti candele.

I vantaggi di ciascun motore

Com'è facilmente immaginabile, i motori sia diesel che benzina sono sul mercato da molto tempo e ciascuno ha delle caratteristiche interessanti e vantaggiose: si sa che i motori diesel consumano meno carburante e hanno più coppia, mentre i motori a benzina sono più silenziosi, più veloci a parità di cilindrata e più rispettosi dell'ambiente in termini di NOx.

A questo punto, gli ingegneri Mazda hanno voluto cercare un modo per coniugare i vantaggi di un robusto motore diesel con quelli di un silenzioso motore a benzina, e dopo anni di ricerca e sviluppo hanno dato vita allo SkyActiv-X.

La filosofia di SkyActiv-X

Sicura che i motori termici abbiano ancora assi nella manica, Mazda è riuscita ad aumentare l'efficienza dello SkyActiv-G incrementandone il rapporto di compressione. In particolare, l'obiettivo era aumentare il rapporto stechiometrico aria-benzina per garantire una combustione ottimale con miscela magra (che, ricordiamo, significa ricca di aria e povera di benzina).

Raddoppiando la quantità di aria bruciata senza variare quella di combustibile, si riesce ad abbassare la temperatura di combustione e, quindi, facilitare il raffreddamento.

Tuttavia, a questo punto si presenta un serio problema: l'accensione della miscela povera con una scintilla causa instabilità nella combustione stessa. È chiaro, quindi, che bisogna basarsi sull'accensione a compressione che, però, richiede alte temperature e pressioni.

Esiste, a questo proposito, una tecnologia presentata nel 2007: il sistema HCCI, che significa "accensione a compressione con riempimento omogeneo" (Homogeneous Charge Compression Ignition), capace di permettere alla benzina di "accendersi" in modo autonomo - come un diesel - ma solo a bassi regimi di rotazione.

SPCCI: il cuore dello SkyActiv-X

Fino ad ora, per superare il limite imposto dall'HCCI - funzionale solo a bassi regimi di rotazione e comunque non sotto sforzo - era necessario realizzare progetti molto complessi (come, ad esempio, un albero motore capace di avvicinarsi e allontanarsi dai cilindri, aumentando e diminuendo i relativi rapporti di compressione).

Mazda, però, ha fatto un enorme passo avanti con una tecnologia chiamata SPCCI (Spark Controlled Compression Ignition), rendendo possibile un funzionamento da motore diesel in determinate condizioni. Il sistema SPCCI, che significa "accensione a compressione controllata da candele", è nato appunto per ovviare alla mancanza di stabilità nella combustione del sistema HCCI ad alti regimi, senza dover andare a ridurre la compressione.

La soluzione al problema del "passare da un sistema di accensione a un altro" è stata, quindi, non togliere mai completamente la candela dal gioco. In breve, l'SPCCI permette al motore di sfruttare l'accensione a compressione a bassi regimi di rotazione, mantenendo però l'accensione a scintilla alle alte velocità - o a pieno carico - e rendendo fluido il passaggio dal sistema SI (Spark Ignition) a quello CI (Compression Ignition) e viceversa, in base alle velocità.

Gli ingegneri Mazda, quindi, hanno sviluppato un nuovo disegno per il cielo del pistone, un sistema di iniezione reattivo ad altissima pressione e un sensore per ogni cilindro, per monitorare la situazione.

La struttura del sistema SPCCI

La tecnologia SPCCI si assicura che la miscela "magra" di aria-benzina accumulatasi nel cilindro riesca effettivamente ad accendersi per compressione. In caso contrario, la candela emetterà una scintilla in grado di rendere omogenea la distribuzione della miscela nella camera di combustione, facilitandone l'accensione.

Sfruttando una specifica legge fisica sulla propagazione del fuoco, il sistema SPCCI può regolare la scintilla della candela e, di conseguenza, dosare la pressione nella camera di combustione.

Questo controllo elettronico permette a Mazda di non doversi affidare a meccanismi più complessi - quali fasatura variabile della valvola o rapporto di compressione variabile - per tenere sotto controllo l'accensione a compressione.

Come funziona lo SkyActiv X

Il carburante viene spruzzato intorno alla candela e incendiato da una scintilla. In questo modo, mentre si creano le condizioni di pressione e temperatura idonee all'accensione spontanea CI (Compression Ignition), la quantità di NOx viene ridotta in modo significativo rispetto alla normalità di un ciclo Diesel.

Mazda ha diviso le fasi di iniezione di carburante fra l'aspirazione e la compressione, così da ridurre il rischio di combustioni anomale causate da pressione e temperatura crescenti.

Nel sistema SkyActiv-X, prima viene iniettata una miscela magra (quindi ricca di aria) nel cilindro, poi alla fine della fase di compressione viene iniettata la miscela "grassa". Per velocizzare e ottimizzare questo momento, vengono usati iniettori ad altissima pressione montati al centro della camera di combustione.

Quasi immediatamente dopo l'iniezione, le particelle di combustibile evaporano: questo garantisce una distribuzione omogenea del carburante nel cilindro, il che significa una combustione stabile ed efficiente quando il motore è a bassi regimi.

I vantaggi di SkyActiv-X

Con questo innovativo sistema, SkyActiv-X è in grado di fornire fino al 30% di coppia in più - a bassi regimi di rotazione - rispetto ad uno SkyActiv-G della stessa cilindrata.

Al contempo, rispetto allo SkyActiv-G 2.0 litri di cilindrata, può ridurre i consumi fino al 20%. In più, in caso di traffico e, quindi, a bassa velocità, il risparmio può arrivare anche al 30%.

La pioniera del 2.0 SkyActiv-X: la Mazda 3

La primissima auto ad essere equipaggiata con il motore Mazda SkyActiv-X è stata la terza generazione di Mazda 3. Con una cilindrata di 2.0 litri - essendo derivato dallo SkyActiv-G - il propulsore eroga 180 CV a 6.000 giri, mentre la coppia massima è di 224 Nm a 3.000 giri. Il rapporto di compressione è pari a 16,3:1.

I dati rilevati nel ciclo WLTP attestano un consumo medio di 5,4 litri ogni 100 km - pari a 18,5 km/litro - usando benzina a 95 ottani.

Assieme al sistema ibrido leggero da 24 Volt, il 2.0 SkyActiv-X porta la Mazda 3 da 0 a 100 km/h in 8,2 secondi: è un valore buono rispetto alla gamma modelli Mazda ma, complice il peso di circa 1.400 kg, non così stupefacente rispetto al mercato in generale.

In compenso, il motore si difende quando si tratta di emissioni: magari non sarà l'auto più veloce in assoluto, ma sono prestazioni adeguate rispetto ai 100 grammi di CO2 per chilometro che emette.

È una tecnologia ancora agli albori, ma siamo fiduciosi che in futuro assisteremo a dati ancora più interessanti. E comunque, resta un omaggio al motore a combustione interna, che a quanto pare - come sosteneva Mazda stessa - ha ancora qualche asso nella manica.