Mazda SkyActiv-X: Najbolje od oba svijeta

Kako su najavili s prvim Skyactiv modelima 2011., Mazda prati jinba ittai princip, preuzet iz japanskog jahačkog streličarstva gdje znači jedinstvo jahača i konja. Kod Mazde je to oslonac temeljitog pristupa jedinstva vozača, vožnje i automobila. Skyactiv automobili dizajnirani su oko vozača i svrhovitosti svakog elementa automobila.

Osim smanjenja mase i učvršćivanja šasije, aerodinamičkim izravnavanjem podnice, ergonomijom kabine, smanjenjem otpora i mehaničkih gubitaka mjenjača/prijenosa (npr., automatici kombiniraju pretvarač momenta i višelamelni kuplung koji odvaja motor od mjenjača po potrebi), Skyactiv je poznat i po velikom napretku u konstrukciji motora. To su bili prvi komercijalni dizelski i benzinski motori s kompresijskim omjerom 14:1 (tada najniži za dizelske i najviši za benzinske motore na tržištu putničkih automobila). Za dizelske to omogućuje bolju kontrolu izgaranja smjese i manje vibracija. Za benzinske pak omogućuje smanjenje potrošnje zbog efikasnijeg iskorištavanja smjese, tj. preciznijeg izgaranja smanjene količine goriva. Kako bi se spriječila detonacija (spontano izgaranje smjese u uvjetima visokog tlaka i temperature), benzinskim motorima je Mazda prilagodila višekanalne injektore, tajming ubrizgavanja, klipove, ispuh, rade po Atkinsonovom ciklusu itd. No, u Skyactiv-X, uspješno su iskoristili i kontrolirali to svojstvo samozapaljenja kako bi napravili motor koji smjesu pali i svjećicom i kompresijski. Slični princip koriste i neki npr. tenkovski motori (dodatno grijanje smjese zavojnicom), ali oni su drugačije specijalizirani i temeljeni na dizelskom principu rada pa ozbiljnije usporedbe nemaju smisla. Mazdin motor temeljen je na benzinskom koji u određenim uvjetima koristi i kompresijsko paljenje. To je prvi takav motor za komercijalnu, putničku uporabu. Precizna kontrola prijelaza iz jednog režima u drugi (tj. paljenje iskrom ili kompresijom) omogućena je biranim materijalima, kontrolom trenutka paljenja smjese te geometrijom klipa i komore za izgaranje. 

Kako radi SkyActiv-X motor?
Skyactiv-X motor koristi HCCI (Homogenous Charge Compression Iginition) i SPCCI (Spark Controlled Compression Ignition): umjesto svjećice (benzinski motor) ili ubrizgavanja goriva u stlačeni, vrući zrak (dizelski motor), smjesa se pali postizanjem temperature u komori za izgaranje već ispunjenoj homogenom smjesom zraka i goriva. Trenutak postizanja te potrebne temperature određuje inicijalno paljenje smjese svjećicom, čija valna fronta širenjem kroz ostatak komore osigurava kritične uvjete (postizanje tlaka i temperature) za kompresijsko paljenje ostatka smjesa. Izgaranje homogene smjese ne stvara visoke vršne temperature na pojedinim točkama pa je inherentno povoljna i za smanjivanje NOx emisija. Rezultat je potrošnja niža od Skyactiv-D (dizela) te viši okretni moment i viša snaga od 2.0 Skyactiv-G (benzinca).

Promatrano usporedno, kod benzinskog motora izgaranje smjese kreće od jedne točke (svjećice) i smjesa izgara relativno ravnomjerno kako se širi plamena fronta. Kod dizelskog, izgaranje je brže, i počinje iz više točki. Skyactiv-X motor koristi svjećicu za inicijalno paljenje siromašne smjese (smanjeni udio goriva u odnosu na udio zraka) gusto nabijene u konkavnom dijelu klipa. Koristi se i kompresor koji osigurava traženu količinu zraka za sve režime rada. Izgaranje smjese u manjem obujmu (Skyactiv-X i dizelski motor) omogućuje bolje iskorištavanje ciklusa ekspanzije, tj. reakcija izgaranja i ekspanzije smjese odvije se prije nego u benzinskom motoru i od te točke gura klip prema donjoj mrtvoj točki. Prije Mazde, ni jedan proizvođač nije riješio probleme kombiniranja dva načina paljenja (iskra i kompresija) na način da se takav motor može koristiti u putničkom automobilu (i to suvremenom, s visokim očekivanjima u pogledu udobnosti vožnje).

Stratificirana vs. homogena smjesa
Stratificirana (slojevita) smjesa znači osiguravanje takvih uvjeta u komori za izgaranje da je smjesa lokalno bogata ili siromašna. Homogena (jednolika) smjesa pak znači osiguravanje optimalno izmješane smjese zraka i goriva u komori za izgaranje. Rani primjer automobila s motorom koji koristi stratificiranu smjesu je Honda 1970ih. Hondin CVCC (Compound Vortex Controlled Combustion) je motor koji koristi stratificiranu smjesu (nehomogenu, u ovom slučaju djelom bogatu, djelom siromašnu). Kroz dodatni usisni ventil se blizu svjećice dovodi bogata smjesa. Nastala plamena fronta propagira se kroz pretkomoru koju čini perforirana metalna pločica i dalje pali siromašnu smjesu u glavnoj komori. CVCC motori korišteni su i unaprijeđivani elektroničkim upravljanjem od početka 1970ih do vremena kada su katalizatori i ubrizgavanje goriva umjesto rasplinjača postali standardi, 20ak godina kasnije. Primjer modela s CVCC motorom je Honda Civic Shuttle, koja je koristila i pogon na sve kotače i dodatnu nisku prvu brzinu umjesto reduktora. Slične situacije nehomogene smjese koriste se i u današnjim motorima s direktnim ubrizgavanjem (prvenstveno u uvjetima niskog opterećenja), s istim ciljem: smanjenjem štetnih ispušnih emisija / ostvarivanjem potpunijeg izgaranja goriva.

Nenamjeravani učinci poboljšane vožnje?
Može li Mazdin način provođenja principa jedinstva vozača i automobila proizvesti i nenamjeravane ili neželjene učinke, tj. odaziv vozača? Najvjerojatnije može, za određeni profil vozača. Mazda u SkyActiv programu koristi i G-Vectoring Control (GVC). GVC je sustav koji uz pomoć senzora akceleracije, servo sustava volana, sustava za nadzor motora itd. omogućuje preciznije upravljanje vozilom u zavoju. Sustav je razvijen po Mazdinom opažanju da vozači rade mikrokorekcije skretanja jer se ponašanje automobila (reakcija na volan, tj. praćenje linije kotačima) ne poklapa s njihovim očekivanjem tog ponašanja (tj. postoji zadrška između naredbe, skretanja volana, i izvršenja, kretanja automobila). Postoji više faktora koje treba uzeti u obzir pri analizi skretanja, od selena do omjera letve volana, ali ako to kontroliramo, ostaju svojstva gume; prijanjanje koje odgađa trenutnost reakcije automobila na vozačev input, tj. zakretanje volana. Dinamika vožnje uključuje i kontrolu automobila korištenjem upravo deformacije gume, tj. prebacivanja težine automobila na pojedini kotač. Pri usporavanju (kočenje ili puštanje gasa) težište automobila se pomiče prema naprijed. Ako se ne pretjera, time se osigurava bolje prijanjanje prednjih kotača i rasterećuju se zadnji (prednji kraj lakše prati liniju, zadnji lakše rotira). Tako Mazdin GVC i funkcionira: pri zakretanju volana, sustav proračunava i smanjuje snagu motora kako bi se ostvarilo usporavanje, tj. prebacivanje težišta prema naprijed. Rezultat za vozača je nešto viši stupanj sigurnosti, udobnija i manje zahtjevna vožnja, intuitivnije ponašanje (skretanje) automobila.

To su sve povoljni efekti, ali možemo postaviti pitanje kako takav sustav i takvo ponašanje automobila doživljavaju vozači koji žele rotirati automobil gasom i kočnicom? Prema konceptu u našoj kulturi poznatom kao tijek (eng. flow) ili zona, obavljanjem zahtjevne aktivnosti za koju imamo potrebne razvijene vještine stavljamo se u stanje visoke usredotočenosti i zadovoljstva ostvarivanjem rezultata. Možda taj koncept ilustrira zašto bi neki vozači sustave koji voze umjesto njih, bez obzira na visoku sofisticiranost i finesu izvedbe, vjerojatno doživljavali kao dodatni stupanj posredništva između vozača i automobila, umjesto povezivanja vozača i automobila. Ipak, SkyActiv program znatno je postignuće, pogotovo jer je tržišno održiv; brojna su tehnološki zanimljiva postignuća nažalost ostala na papiru ili, u boljem slučaju, u tehničkim muzejima. S daljnjim razvojem SkyActiv-X motora možemo očekivati i povratak jednog takvog postignuća koje je Mazda usavršila i ponudila za cestovnu uporabu – Wankelovog motora. No, prije Wankela, pod haube novih Mazdi doći će redni šestcilindarski motor.

Zašto ne twin spark?
Brojni proizvođači su koristili motore s dvije svjećice po cilindru, a vjerojatno je najpoznatiji Alfa Romeo koji je Twin Spark stavljao i u oznake svojih modela/motora. U putničkim automobilima takvo se rješenje koristi uglavnom radi ostvarivanja potpunijeg izgaranja smjese. Trkaće Mazde s Wankel motorima (pobjeda na Le Mansu 1991.) koristile su i po tri svjećice po komori (upravo da bi se osiguralo bolje izgaranje, pogotovo u specifično izduženoj komori takvog motora). Mazdin Skyactiv-X ne treba dvije svjećice jer bi to narušilo geometriju prostora komore za izgaranje: jedna svjećica i njeno iskrenje je dovoljno za inicijalno paljenje smjese, a na koncu je i motor lakši i težište mu je niže.