Mazda SkyActiv-X: analisi tecnica

Mazda SkyActiv-X (SPCCI)

Mazda SkyActiv-X: analisi tecnica – Cosa si nasconde dietro al motore a benzina “senza candele” che promette consumi inferiori a quelli del motore diesel.

Il motore Mazda SkyActiv-X è il primo propulsore a benzina ad utilizzare il metodo di accensione per compressione di una carica a composizione omogenea. Una tecnologia che in Mazda chiamano SPCCI che altro non è che una leggera evoluzione della già esistente tecnologia HCCI. Cerchiamo ora di capire meglio in cosa consista questo particolare metodo di accensione/combustione. Questi motori, denominati HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition), sono in grado di sfruttare una carica ben miscelata come nei motori ad accensione comandata (benzina), di non soffrire di perdite per pompaggio ai carichi parziali con conseguente aumento del rendimento organico e di operare ad alti rapporti di compressione con aumento del rendimento termodinamico come nei motori ad accensione per compressione (diesel).

Motore HCCI

Il miglioramento dell’efficienza, la riduzione dei consumi e la conseguente riduzione delle emissioni è il fine principale di queste motorizzazioni nelle quali, per contraddistinguersi dai motori ad accensione comandata (Otto) e dai motori ad accensione per compressione (Diesel), la combustione avviene simultaneamente in tutta la carica e non, come nei motori benzina, attraverso un fronte di fiamma con un conseguente rapido aumento della pressione interna e senza presentare, come nei motori diesel, una combustione di tipo diffusivo della carica stratificata. In pratica nei motori HCCI si combinano insieme i lati positivi del motore benzina (basse emissioni allo scarico) e quelli del motore diesel (bassi consumi a tutti i carichi) cercando di eliminarne gli aspetti negativi.

Motore SPCCI

Per funzionare è però necessario che combustibile e comburente siano al contempo ben premiscelati e compressi in modo tale che la carica, omogenea, possa auto accendersi simultaneamente in tutti i punti della camera di combustione al raggiungimento delle dovute condizioni di pressione e temperatura. Il fatto che il combustibile venga premiscelato con l’ossidante consente di evitare un vero e proprio fronte di fiamma e quindi di far partire la combustione a temperature nettamente più basse e all’interno di una miscela ben diluita. Nel susseguirsi poi del processo di combustione, anche le temperature medie delle reazioni si manterranno più basse di quelle che si avrebbero nel caso di fiamme diffusive (diesel). Le minori temperature raggiunte in camera unite al maggiore rapporto di compressione e all’uso di una miscela di combustibile molto magra, consentono al motore HCCI di scongiurare la formazione tanto di particolato quanto di ossidi d’azoto NOx. Dall’altra parte però, le stesse condizioni (basse temperature e forte diluizione), portano alla formazione di una quantità contenuta di idrocarburi incombusti e ossido di carbonio che dovranno essere trattati tramite un convertitore catalitico ossidante per riportarli entro i limiti fissati dalle norme antinquinamento.

Motore SPCCI

Le caratteristiche appena descritte spingono però i motori HCCI a essere utilizzati quasi esclusivamente ai carichi parziali dove riescono a operare con miscele molto magre. Ai carichi elevati (miscela stechiometrica), invece, il rapido incremento di pressione potrebbe causare oscillazioni simili al battito in testa e combustioni fortemente irregolari. La sfida più grande è quindi quella di riuscire a controllare le tempistiche di accensione per compressione all’interno del cilindro. Per controllare queste tempistiche però bisogna controllare le temperature e le pressioni che vengono raggiunte in camera di scoppio nella fase di compressione. Se, infatti, le temperature dovessero risultare troppo basse allora si potrebbero avere dei problemi di mancata accensione e combustione. Se, invece, le temperature dovessero risultare troppo alte allora si potrebbe incappare in autoaccensioni inaspettate e deleterie.

Motore SPCCI

Il controllo delle temperature viene di norma eseguito grazie al sistema di ricircolo dei gas di scarico EGR. Incrementando o diminuendo il quantitativo di gas inerti riciclati si riesce a diminuire o alzare le temperature all’interno del cilindro. Il controllo delle pressioni è, invece, di norma effettuato grazie a un sistema di fasatura variabile tipicamente sul lato di aspirazione. Aprendo la valvola di aspirazione durante la fase di compressione si riesce a ottenere un reflusso dei gas attraverso il condotto di aspirazione e quindi un rapporto di compressione minore a fronte di un rapporto di espansione nettamente maggiore (come avviene nei motori a ciclo Atkinson). Come dicevamo, per risolvere questo inconveniente normalmente si adotta un funzionamento in modalità HCCI solamente ai bassi carichi e un funzionamento in accensione per scintilla al superamento di un certo carico. Ma Mazda si è spinta oltre e grazie al sistema SPCCI “Spark Controlled Compressed Ignition” è riuscita a massimizzare il periodo di funzionamento con accensione per compressione, a garantire una transizione senza soluzione di continuità tra funzionamento per scintilla e per compressione e a migliorare il riempimento del cilindro andando a ridurre le resistenze prodotte dalla valvola a farfalla cioè eliminando le perdite di pompaggio e incrementando il rendimento anche ai carichi molto parzializzati.

Motore SPCCI

Per ottenere questi benefici il motore SPCCI può sfruttare la candela in fase di compressione così da pre avviare la combustione e facilitare la propagazione del fronte di fiamma. Nello specifico, viene iniettata piccola carica di miscela ricca di benzina vicino alla candela che, innescata dalla stessa candela, si espande e va a comprimere il resto della carica di miscela questa volta magra che, a causa di elevate pressioni e temperature, si innesca per compressione. In questo modo si ottiene un perfetto controllo sulla combustione innescando un rapido aumento di pressione e di temperatura all’interno del cilindro e favorendo la successiva e rapida combustione simultanea di tutta la carica omogenea. Tutti questi escamotage hanno quindi permesso di superare i problemi che fino adesso affliggevano i motori HCCI, consentendo al motore Mazda SkyActiv-X (SPCCI = Spark Controlled Compression Ignition) di far registrare un aumento della coppia fra il 10% e il 30% rispetto agli odierni motori benzina Skyactiv-G, un miglioramento dell’efficienza fra il 20% e il 30% rispetto agli stessi motori (grazie alla combustione super magra) e un consumo equivalente se non addirittura migliore rispetto all’ultimo motore diesel SKYACTIV-D.

Motore SPCCI

Sicuramente, come è facilmente deducibile dalle immagini inviateci da Mazda, questo nuovo propulsore adotterà la sovralimentazione per gli alti carichi, l’iniezione diretta per il passaggio dalla miscela magra alla miscela stechiometrica e la fasatura variabile, quantomeno sull’aspirazione, per variare il rapporto di compressione. Secondo le ultime indiscrezioni potrebbe essere un propulsore a  4 cilindri da 2,0 litri di cilindrata che, grazie al compressore volumetrico, al rapporto di compressione fisico di ben 16:1 e alla zona rossa a quota 6.200 giri/min, sarebbe in grado di erogare circa 190 CV e 230 Nm di coppia massima. Presentato in questi giorni alla stampa internazionale il motore Mazda SkyActiv-X sarà il primo propulsore con questa tecnologia ad entrare in produzione di serie su vetture Mazda a partire dal 2019.

Motore SPCCI