Techniek: zo werkt Mazda’s SKYACTIV-G

Auteur: , 35 Reacties

De term SKYACTIV (hierna gewoon met kleine letters) is regelmatig voorbijgekomen op AB. Wat is het, hoe werkt het en wat heb je eraan?

Techniek: zo werkt Mazda's SKYACTIV-G

De compressieverhouding

Voor we overgaan op uitleg over Skyactiv-G (de benzinevariant), eerst een woordje vooraf. De compressieverhouding staat in dit verhaal centraal. We kunnen er bij wijze van spreken een heel artikel aan wijden, maar voor nu volstaat de uitleg dat met de compressieverhouding de verhouding tussen de grootst en kleinst mogelijke ruimte in de verbrandingskamer wordt bedoeld. Met andere woorden: aan de compressieverhouding kun je min of meer aflezen in hoeverre het mengsel van lucht en vernevelde brandstof wordt samengeperst door de zuiger, alvorens de bougie zorgt dat de boel ontbrandt.

Kapoet
Pingelen voor pro’s

Pingelen

Door die ontbranding zet het mengsel van lucht en brandstof uit. Da’s ook de reden dat de zuiger naar beneden wordt gedrukt tijdens de arbeidsslag. Verder is het volgende belangrijk om te onthouden. Hoe hoger de compressieverhouding, hoe efficiënter de verbranding verloopt. Da’s simpel uitgedrukt, maar het dekt de lading. Flink opschroeven van de compressieverhouding brengt echter de nodige risico’s met zich mee. Op een gegeven moment wordt de boel te heet en kan de motor gaan pingelen. Dat houdt in dat het mengsel spontaan ontbrandt (op het verkeerde moment) en da’s zeer schadelijk voor het blok. Benzine met een hoog octaangetal (Super 98 bijvoorbeeld) kan uitkomst bieden om pingelen (of ‘klop’) tegen te gaan, maar ook met dure peut is de rek er op een gegeven moment wel uit. Zoals gezegd kan klop leiden tot ernstige schade aan het blok. Zie het plaatje hierboven.

De meeste benzineauto’s met atmosferische motoren hebben dan ook een compressieverhouding van tussen de 10:1 en 12:1. Uiteraard zijn er legio voorbeelden met een hogere of lagere verhouding, maar het kan geen kwaad om een gemiddelde aan te houden voor het referentiekader. We houden het dus even op 11:1.

Hoe Mazda de compressieverhouding op kan schroeven naar 14:1

Mazda heeft een handige oplossing gevonden om de compressieverhouding op te kunnen schroeven zónder daarbij de kans op klop te verhogen. Hierbij is de rol van uitlaatgassen van belang. We gaan om dit uit te leggen eventjes uit van een vier-in-lijn. Er bestaat enige overlap tussen de momenten waarop de uitlaatkleppen van de verschillende cilinders openstaan. In het geval van een L4 gaat het bijvoorbeeld om cilinders 3 en 1. Door de overlap komt een klein deel van de uitlaatgassen van cilinder 3 terug in cilinder 1. Op zich geen ramp, ware het niet dat deze uitlaatgassen zeer bepalend zijn voor de temperatuur in de verbrandingskamer. Inderdaad geldt in dit verband “hoe minder hoe beter”. Uitlaatgassen kunnen namelijk temperaturen bereiken van 750 graden. De lucht die de cilinder via de inlaatkleppen bereikt, heeft een temperatuur van om en nabij 25 graden. Je snapt dus dat zelfs het kleinste restje uitlaatgas grote invloed uitoefent op de temperatuur in de verbrandingskamer.

Het belangrijkste element van het Skyactiv-G systeem is het spruitstuk. In de meeste gevallen hebben L4’s een 4-in-1 setup. De uitlaatgassen van de vier cilinders komen dus middels een open verbinding bij elkaar in één uitlaatpijp, wat maakt dat het risico op uitlaatgassen die een andere cilinder in kunnen kruipen wordt vergroot. Mazda past simpelweg een 4-in-2-in-1 systeem toe, zodat de uitlaatgassen simpelweg minder kans krijgen om terug een andere verbrandingskamer in te lopen. Daardoor wordt de temperatuur in de verbrandingskamers aanzienlijk verlaagd en kan de compressieverhouding worden opgeschroefd. Onderstaand plaatje maakt duidelijk hoe het spruitstuk bijdraagt aan de gunstige temperatuurhuishouding.

Skyactiv

Zoals je ziet, doen de uitlaatgassen van cilinder 3 er een stuk langer over om cilinder 1 te bereiken. Ondanks het feit dat de uitlaatkleppen van beide cilinder een bepaalde mate van overlap kennen, krijgen de hete uitlaatgassen dus minder kans om een andere verbrandingskamer binnen te komen.

Problemen in het kader van het 4-2-1 spruitstuk én de oplossing daarvan

Uiteraard brengt het gebruik van een langer spruitstuk problemen met zich mee. De uitlaatgassen krijgen door het surplus aan buizenwerk namelijk meer ruimte om af te koelen. Op zich niet erg, maar de katalysator werkt beter naarmate de uitlaatgassen heter zijn. Mazda lost dit (zeer kort gezegd) op door de ontsteking iets te vertragen en zo de temperatuur van de uitlaatgassen te verhogen. Dat doet het effect van het spruitstuk dus deels teniet. In combinatie met de timing van de ontsteking, maakt Mazda gebruik van zuigers met een aparte vorm. Daarnaast zorgen de injectoren met meerdere gaatjes voor een “mooiere” verbranding. Dit zijn de belangrijkste manieren waarop Mazda het risico op klop verkleint en zorgt dat de uitlaatgassen heet genoeg zijn voor de katalysator, maar er zijn er meer.

Conclusie

Het opschroeven van de compressieverhouding brengt risico’s op pingelen met zich mee. Mazda ondervangt deze risico’s door het uitlaatspruitstuk aan te passen, waardoor hete uitlaatgassen minder kans hebben om in een andere verbrandingskamer de temperatuur te verhogen. Vervolgens passen de Japanners technieken toe om ervoor te zorgen dat de uitlaatgassen heet genoeg zijn voor de katalysator. De gassen krijgen door het langere spruitstuk immers meer kans om af te koelen.



35 reacties

Zeer ingenieus, en ze zien er nog mooi uit ook!
Vroem vroem vroem!
@martinus: Vroem Vroem Vroem heeft de toekomst…

Niet zo mooi als een ouderwetse Vroaaapppp Vroaaapppp Vroaaaapppp, maar het volstaat…
@martinus: ben je niet in de war met zoom zoom zoom?

http://youtu.be/O0ikW7pVa_I
-edit: dank u, is inmiddels gefixt-
Dus een uitlaatspruitstuk waarbij alle pijpen even lang zijn zou dus altijd beter zijn als het originele spruitstuk
@rob5nismo: met dit principe kunnen nog steeds gelijke lengtes gebruikt worden lijkt me? Gaat meer om de scheiding van 4-1 naar 4-2-1 en de absoluut langere weg tov een kort spruitstuk, althans – zo lees ik het…
@davelepeef: want bij het eerste plaatje is de weg van cilinder 3 korter als die van 1 en daardoor komt er wat uitlaatgas terug de verbrandingskamer in en met gelijke lengtes zou dit ook al een stuk verminderen
@rob5nismo: ah zo, dacht dat je de aangepaste bedoelde met “originele spruitstuk”. Gelijke lengte sowieso beter dan.
Hoe kunnen uitlaatgassen van cilinder 3 bij cilinder 1 naar binnen komen? Omdat cilinder 1 ook uitlaatgassen uitblaast (met dezelfde druk als cilinder 3) kan dit toch niet?
@smulders: als zuiger 3 omhoog gaat voor de uitlaatslag, zal zuiger 1 net naar beneden gaan voor de inlaatslag. Door de klepoverlap zal het vacuüm in cilinder 1 de gassen aanzuigen die onder druk uit cilinder 3 komen. Door de runners van de cilinders te verlengen hebben de gassen dus geen tijd om bij de kleppen van de andere cilinder te komen.
@ej20g: Bedankt voor de uitleg. Ik dacht dat cilinder 1 en 3 gelijktijdig een uitlaatslag hadden.

Ben benieuwd of dit niet op te lossen is met snellere kleppen (pneumatische kleppen ala Koenigsegg) om zo de overlap weg te halen.
@smulders: Ik zat zelf ook even veel te moeilijk te denken maar 2 en 3 gaan bijna altijd samen ja.

Het zou de overlap tussen cilinders misschien wat kunnen verminderen maar overlap van in- en uitlaat is juist wenselijk.
@smulders: ik ga mee in wat @reistje zegt. Klepoverlap tussen de in- en uitlaatkleppen is vaak wenselijk omdat het als een interne EGR kan werken bij lage toerentallen (een deel van de uitlaatgassen wordt dan terug de cilinder in gezogen). Daarnaast bevorderd het de hoeveelheid verse lucht die op hoge toerentallen aangezogen wordt doordat de uitgaande gassen een vacuüm creëren en het verse mengsel dus extra hard naar binnen trekken.

Er zijn echter ook nadelen, bijvoorbeeld de interne EGR werking die in het geval van Mazda dus juist onwenselijk is. Pneumatische klepbediening zou daarbij inderdaad kunnen helpen omdat de klepbediening vrijwel oneindig variabel te regelen is. Ook bij de huidige generatie motoren zitten we immers nog gewoon vast aan een solide nokkenas waarvan de timing ten opzichte van het tandwiel slechts een aantal graden veranderd kan worden.
Gek, ik snap alles wat hier beschreven wordt. Maar ik snap niet wat hier zo bijzonder aan is. Tientallen jaren geleden kon en wist men dit ook al. Terwijl de prestaties van mazda wel degelijk bijzonder zijn. Kortom ik mis iets bij deze uitleg.
@lekbak: het verschil zit hem hier dat Mazda met verdere verfijning van die gekende technieken de steeds strengere emissienormen kan halen. Dit zonder turbo en dus ook met dezelfde gasrespons als vroeger. En ook met een minder groot verschil tussen theoretisch verbruik en reëel verbruik
@phdg: tja, het technische verhaal valt me gewoon tegen. Ik had gehoopt op allerlei smakelijke technische innovaties toen ik de titel zag.

Dat maakt het trouwens niet minder knap wat ze doen, integendeel. Echter wel saai, technisch gezien.
@lekbak: Nee dit is echt een verhaal van, laat ons eens kijken waar we overal nog een beetje kunnen verbeteren. Skyactive is niet alleen de motor, maar ook de ophanging die iets anders is geplaatst, de versnellingsbakken waar kleine veranderingen aan zijn gebeurt (vooral dan de automaat) en de carrosserie. De optelsom zorgt voor top rijdende wagens met een laag verbruik, die de normen halen zonder te sjoemelen (sorry kon het niet laten).
@phdg: + het gewicht is ook laag. De Mazda 6 is rond de 1200 kg.
@xiran: dat zijn de aanpassingen aan de carrosserie, wat ze een hybridecarrasserie noemen een mix van verschillende staalsoorten (alu, hoogsterkte staal enz)
@xiran: 1200kg is wel heel optimistisch. Realisch laagste EU gewicht (met een paar opties) is 1400kg voor de 2.0, een diesel break met opties klopt aan bij de 1600kg. En dat is (veel) lichter inderdaad dan de concurrentie.
@Onehp: ik heb het even opgezocht. Het top type met 2.0 met bijna alle opties weegt 1285 kg. De diesel weegt 1395 kg voor een 2,2 liter. (geen 3 pitter met een 1,2 liter). Het gewicht van de vorige 2 generaties was ook al zeer licht.

Een standaard golf (benzine) weegt 1500 kg (1.4 liter).
@xiran: sorry, maar je moet met gelijke maten vergelijken en niet zomaar het eerste gewicht geloven wat een fabrikant opgeeft, maar autotests opzoeken waar men de auto effectief heeft gewogen. Eerst bepaal je volgens welke norm je vergelijkt. DIN (getankt zonder chauffeur) of EU (met 75kg chauffeur).

Ik vind meerdere bronnen voor de Mazda 6 mk3 2.0 die goed uitgerust, een echt gewogen 1475kg weegt volgens de EU norm, of dus 1400kg zonder chauffeur. Een manuele golf vii 1.4 tsi 150pk is als meest gewogen op 1393kg EU, of 1318kg zonder chauffeur. Het MQB platform is immers ook gekend licht en het is een kleinere auto.
@xiran: nog een Mazda 6 2.2D station AWD gevonden die volgens de zweedse RDW 1676kg weegt (EU). Dit is door hun gewogen en aangezien deze enkel in de topversie wordt verkocht hier, een betrouwbare bron van het echte gewicht. Heel ver van 1395kg zelfs als ie een 120kg meer mag wegen omdat het een awd en station is…
@Onehp: ik denk dat het awd drive systeem zorgt voor het gewicht. De station heeft dezelfde wielbasis als de sedan. In het verleden maakte het gewicht tussen sedan en station bijna niet uit.
Altijd weer die Japanners met hun ingenieuze systemen!
@dutchdriftking: Supertof dat de Japanners dit actief toepassen in fabrieksmodellen en niet gaan centenkakken op spruitstukken. Vind de techniek alleen niet zo baanbrekend.
Is dit ook het principe van een spaghetti uitlaat?
@jippie: Ja en nee. Een spaghetti dient vooral om je 4 uitlaatkanalen even lang te maken om zo een zo hoog mogelijk vermogen/rendement te halen.

*Bij Subaru (boxer) zetten de meesten echter wel een ‘unequal length exhaust’ om zo de bekende boxer roffel beter te horen. Bij een equal length klinkt die motor meer als een gewone 4 cilinder.

**Denk eraan; elektrisch rijden is natuurlijk wel de toekomst.
@jippie: nee, en spagettim is dus een 4 in 1 vier even lange buizen die zo gekronkeld worden dat de uiteinden bij elkaar komen om de uitlaat te kunnen plaatsen.

Ben het wel eens met de meesten dat dit geen baanbrekende techniek is, fijnslijpen is een betere omschrijving (mijn Clio 182 heeft ook een 4-2-1 uitlaat)
Jammer dat de focus nu zo op emmisiel ligt, zou wel eens willen zien wat een performance tune van dit blok zou doen, BP98 erin, anders afstellen en gaan!
@jippie: ik spreek de rest tegen, ja het principe is hetzelfde als een – lange – spaghetti uitlaat. Ook daar is het principe dat elke spaghetti lang genoeg is zodat de drukstoot van iedere cylinder niet in de andere andere terecht komt. Wel is die van Mazda iets slimmer door de twee cylinders die het verst van elkaar staan te combineren zodat de totale 4-2-1 iets korter (voor de katalysator) en goedkoper te maken is dan een 4-in-1 spaghetti. Want minder buis en een 4-1 overgang is veel duurder om goed uit te voeren.
@Onehp: *verst van elkaar is onstekingsvolgorde, niet fysiek hé
wil Mazda niet tegen de schenen schoppen maar mijn 17 jaar oude Corolla heeft al een 4-2-1 spruitstuk

natuurlijk het zal wel iets verfijnd zijn het zijn alleen geen nieuwe technieken

desondanks vind ik van Mazda dat ze de goede weg zijn ingeslagen qua design interieur als exterieur
daar kan Toyota nog wat van leren (zegt een Toyota fan)
@Bart_V: Mijn Fiat 124 coupe uit ’68 heeft ook een 421 systeem en tot een paar jaar geleden was het heel normaal voor 4 cylinders om zo’n opstelling te hebben. Maar omdat het voor de milieu normen steeds belangrijker is om de kat zo snel mogelijk op temperatuur te hebben zijn de meeste fabrikanten overgestapt naar een normaal spruitstuk met geïntegreerde kat.
Ons paps had een cx-5 2.0 skyactive G. En nu gaan we naar een mazda 6 sedan 2.2 skyactive D,

Hiervoor had ik een clio 3 rs 2.0 (compressie 11:5:1). is het nu zo dat dat Renault blok lijkt op dat Mazda blok? de eigenschappen komen aardig overeen en beide een hoge compressie of mis ik misschien iets in deze theorie?

Geef een reactie:

Je moet ingelogd zijn om reacties te posten, registreren kan HIER (ook via Facebook).