Silniki Mazdy Sky‑G i Sky‑D - więcej niż ewolucja

Do tej pory określenie "silnik wysokoprężny" dotyczyło silnika z zapłonem samoczynnym (Diesla). Typowy Diesel miał niemal dwukrotnie wyższy stopień sprężanie niż silnik benzynowy.  Mazda obala tę klasyfikację wprowadzając silniki o zapłonie iskrowym Sky-G i o zapłonie samoczynnym Sky-D, mające dokładnie ten sam stopień sprężania 14:1.

Ta dwulitrowa jednostka benzynowa osiąga 165 KM przy 6000 obr./min i imponujące, jak na silnik wolnossący, 210 Nm przy 4000 obr./min. Wyposażono ją oczywiście w bezpośredni wtrysk paliwa, które odparowując obniża temperaturę mieszanki i zapobiega spalaniu stukowemu. Konkurencyjne silniki dzięki temu pomysłowi uzyskiwały stopień sprężania rzędu 12-12,5, osiągnięcie 14 wymagało kolejnych nowatorskich rozwiązań.

Wykorzystano układ wydechowy 4w2w1, który nie jest nowym rozwiązaniem - od dawna łączono cylindry parami: 1 z 4 i 2 z 3. Kiedyś chodziło o lepszą wymianę ładunku, teraz o zapobieżenie powrotowi gorących gazów do kanałów wydechowych. Chłodniejsze kanały i głowica oznaczają możliwość dalszego zwiększania stopnia sprężania.

Ważny jest także odmienny niż w starszych konstrukcjach kształt denka tłoka. Dzięki niemu strefa wysokiej temperatury ma znajdować się wyłącznie w okolicy świecy zapłonowej.

Dotychczas Mazda skłaniała się ku skokowi tłoka równemu bądź zbliżonemu do średnicy cylindra. W Sky-G, wzorem silników europejskich, skok ma zostać wydłużony a średnica zmniejszona. Mniejsza powierzchnia ścianek oznacza ograniczenie strat ciepła.

Również rozrząd przebył metamorfozę. Poprzedni silnik 2.0 wykorzystywał bezpośredni napęd zaworów, w Sky-G użyto dźwigienek z rolkami. Oba wałki wyposażone są w regulację faz rozrządu. Redukcję strat mechanicznych silnika uzyskano także dzięki dwustopniowej pompie oleju, olejowi o niskiej lepkości (0W20) czy mniejszej masie elementów ruchomych. Zastosowano m.in. kuty stalowy wał korbowy.

Kadłub nie posiada górnej płyty (ang. open-deck), dzięki czemu ciecz chłodząca obejmuje całą wysokość cylindra. Wadą takiego rozwiązania jest mniejsza sztywność kadłuba, mimo tego Mazda uznała aluminiowy odlew za wystarczający dla silnika wolnossącego.

Jeśli uznamy, że silnik benzynowy pracuje wg teoretycznego obiegu Otta, to jego sprawność termiczna będzie zależna wyłącznie od stopnia sprężania. Mówiąc prościej: im wyższy stopień sprężania tym silnik jest ekonomiczniejszy. Wstępne deklaracje mówią o zużyciu paliwa (dla Mazdy 3) w okolicach 7,8 l/100 km w mieście i 5,9 l podczas jazdy pozamiejskiej.

Turbodiesel 2.2 Sky-D osiąga 420 Nm przy 2000 obr./min, moc maksymalna znajduje się dopiero przy 4500 obr./min i wynosi 175 KM. Sam silnik może pracować do 5200 obr./min. Oznacza to, że Sky-D może mieć jedną z "najprzyjemniejszych" charakterystyk wśród obecnie produkowanych silników.

Takie parametry uzyskiwane są dzięki sekwencyjnemu układowi dwóch turbosprężarek: małej i dużej. Nie znane są szczegóły, ale układ zapewne pracuje podobnie jak rozwiązania BMW i Mercedesa - przy małych obciążeniach turbosprężarki połączone są szeregowo, przy dużych równolegle.

Turbosprężarkom pracującym w taki sposób nie potrzebna jest zmienna geometria kierownic spalin, co zmniejsza zawodność i utrzymuje koszty na rozsądnym poziomie. Common Rail zastosowany w Sky-D pracuje pod ciśnieniem 2000 barów i wykorzystuje wtryskiwacze z 12 otworkami. Mogą one dokonywać od 2 do 8 wtrysków na cykl.

Do niedawna stopień sprężania wynoszący 14 był czymś nie do pomyślenia w silniku z zapłonem samoczynnym. Przykładowo popularny VW 1.9 TDI posiadał stopień sprężania 19-19,5.

Powodem do obniżania stopnia sprężania są normy emisji spalin. Mniejsze ciśnienia i temperatury w komorze spalania oznaczają mniejszą emisję tlenków azotu. W tym miejscu pojawia się pewna sprzeczność: silnik Diesla potrzebuje wysokiej temperatury do uzyskania samozapłonu. Czy Sky-D da się uruchomić w zimie?

Pomysłem rozwiązującym ten problem jest dwustopniowy system zmiennego wzniosu zaworów. Inaczej niż we wszystkich obecnych konstrukcjach działa on w przypadku zaworów wydechowych, a nie dolotowych. Dzięki zwiększonemu przekryciu zaworów, ma być możliwa stabilna praca zimnego silnika. W przypadku Mazdy 6 spodziewane zużycie paliwa w mieście i na trasie ma wynosić odpowiednio ok. 7,4 i 5,5 l/100 km.

Mazda odrzuciła koncepcję skrzyń dwusprzęgłowych, skupiając się na rozwoju tradycyjnych skrzyń automatycznych z przekładnią hydrokinetyczną. W nowej skrzynce przekładnia hydrokinetyczna blokowana jest bardzo wcześnie, już przy 1200 obr./min., co pozwala uzyskać wysoką sprawność przeniesienia mocy. Zmiana biegów ma trwać 150 milisekund.

Czy pozostanie przy takich skrzyniach to dobry pomysł? Trudno to oceniać, niemniej faktem jest bardzo wysoka trwałość i niezawodność skrzyń hydromechanicznych.

Przez ostatnie 5 lat japońskie koncerny motoryzacyjne sprawiały wrażenie biernie przyglądających się coraz to nowym pomysłom z Niemiec, Włoch czy Francji. Okazuje się jednak, że w tym czasie Japończycy intensywnie pracowali w swoich biurach konstrukcyjnych. Nissan przedstawił nowoczesne doładowane silniki benzynowe 1.2 i 1.6 wypełniające ideę downsizingu, Mitsubishi pokazało turbodiesla 1.8 ze zmiennymi fazami rozrządu, Mazda zaskoczyła wszystkich silnikami Sky.

Silniki Sky zrównując stopnie sprężania dla ZS i ZI, stały się pierwszym etapem do wprowadzenia jednostek HCCI, które mają połączyć niemal wszystkie zalety obecnych silników Diesla i benzynowych. Daleko posunięte prace nad HCCI trwają także w General Motors, Volkswagenie czy Mercedesie. Zobaczymy kto będzie pierwszy.