Mazda Skyactiv-D met lage...

AMT | 2012 www.amt.nl76 www.amt.nl/juli-augustus2012AMT | 2012

T E C H N I E K > Aandrijving & Motor > Dieselmotor

De nieuwe dieselmotor heeft de naam Skyactiv-Dmeegekregen, de ‘Sky is the limit’ als het om deprestaties gaat. Het brandstofverbruik ligt ech-ter 20% lager en aan de Euro 6 emissie-eisenwordt al voldaan. En dat met slechts een oxikaten een roetfilter. Uiteraard is ook de CO2-uitworplager dan die van de huidige 2.2D motor in deMazda 3 en 6. Maar een DI dieselmotor met zo’nlage compressieverhouding start toch niet alshet koud is? Daar is uiteraard wat op gevonden:keramische gloeibougies, en opwarmen van de

inlaatlucht door het uitlaatgas. Meer daaroververderop in dit artikel.

Nieuwe rijcyclus geeft problemenDe Mazda-technici hebben veel onderzoek ge-daan aan dieselmotoren, zowel op de computerals in de praktijk. Om het rendement te verbete-ren is het nodig een goed compromis te vindentussen de compressieverhouding, de warmtever-liezen in de cilinder, de verbrandingsduur, hetontstekingstijdstip, de smoorverliezen en de me-

chanische verliezen. De emissie-eisen moetenworden gehaald, liefst zonder kostenverhogendeNOx-uitlaatgasnabehandeling.En er komt nog iets bij: als de rijcyclus voor ver-bruiks- en uitlaatgasmeting gaat veranderen,wordt het voor de ‘gedownsizede’ dieselmotorenmoeilijker om aan de emissie-eisen te voldoen. DeWorldwide Harmonized Light Vehicles Test Proce-dure – WLTP – zorgt namelijk voor een hogeremotorbelasting dan de huidige Europese rijcyclus.De hoogste gemiddelde effectieve druk neemt

Het nieuwe downsizen?Mazda Skyactiv-D met lage compressie

Wie is niet verbaasd dat Mazda met een dieselmotor op de markt is gekomen die een

compressieverhouding van slechts 14,0:1 heeft? Bovendien is er geen sprake van ‘downsizing’,

maar van ‘upgrading’. De cilinderinhoud is gelijk gebleven, het vermogen en koppel zijn

toegenomen, het verbruik daalt. Geeft Mazda hiermee het goede voorbeeld?

Zo op het oog is er niets bijzonders te zien aan de Mazda Skyactiv-D. De 2,2 l diesel levert 125 kW(170 pk) en 405 Nm, dat is niet gering. Het bijzondere aan deze motor zit van binnen: een compres-sieverhouding van 14,0:1 met een aangepaste verbranding.

Een kijkje in de motor toont de common-rail inspuiting, de inlaatnokkenas, vier kleppen per cilin-der, de gloeibougies en het drijfwerk. Het valt op dat het drijfwerk meer weg heeft van dat van eenbenzinemotor. Onder de krukas liggen de twee balansassen.

12AMT078_ArtMazdadieselmotor.qxp:Opmaak 1 8/14/12 6:09 PM Page 76

1

AMT | 201277AMT | 2012

TEKST: PAUL KLAVER/ BEELD: MAZDA

ten opzichte van de Europese rijcyclus met onge-veer 50% toe als het voertuig in de WLTP-cyclusrijdt. Dat zorgt voor een grote toename van deNOx-uitworp en verandert ook de verhouding tus-sen de roetuitstoot en de NOx-uitworp.Vooral voor motoren met een kleine cilinderin-

gebruikt. Het is ook nodig om meer zuurstof – O2

– ter beschikking te hebben, dus is tweetrapsdrukvulling een vereiste.De lage compressieverhouding zorgt voor een‘voller’ druk-volumediagram. De topdruk vanslechts 135 bar wordt kort na het BDP bereikt envalt daarna niet snel af. Al met al gaan het ver-bruik en de emissies omlaag en het vermogenomhoog als de compressieverhouding daalt van16,3 – de huidige Mazda-diesel – naar 14,0:1 vande Skyactiv-D.Het is goed om te beseffen hoe de aangezogenlucht in beweging wordt gebracht. Eerst zorgt devorm van de inlaatkanalen voor een wervelbewe-ging, meestal één per klep die elkaar aanvullen. >

De Skyactiv Diesel is voorzien van een tweetraps drukvulling. Datis vooral gedaan om onder alle omstandigheden voldoende lucht,dus zuurstof, ter beschikking te hebben. Bijkomend pluspunt isdat er zowel bij lage als bij hoge toerentallen extra vermogenontwikkeld wordt.

Vergelijk deze krukas van de huidige 2,2 l diesel met een topdrukvan 175 bar met die van de nieuwe Skyactiv Diesel met een top-druk van 135 bar. Alle tappen hebben daar een kleine diameter,dat zorgt voor minder wrijving en een lager gewicht.

Bij de Skyactiv Diesel is de drijf-stang vrijwel net zo slank als vaneen turbo-benzinemotor. Vergelijkmet de drijfstang van de huidigedieselmotor toont de slankere uit-voering en kleinere lagerdiameters.

houd die zware auto’s moeten aandrijven stijgtdan de kostprijs. Het inspuitsysteem, de drukvul-ling en de complete uitlaatgasnabehandeling zul-len gecompliceerder worden. Geen wonder dat ermeer autofabrikanten zijn dan Mazda die zich af-vragen of de trend die met het ‘downsizen’ ingang werd gezet wel juist is.

Nieuwe verbrandingskamer Het idee om met een betrekkelijk grote cilinderin-houd en een lage compressieverhouding te wer-ken, blijkt tal van voordelen te hebben. Er is meertijd om het mengsel homogeen te mengen. Datzorgt voor minder roet en NOx. Er moet wel eenandere vorm van de verbrandingskamer worden

Motorblok en cilinderkop zijn in een alumi-nium legering gegoten. Elke inlaatklep heeft

zijn eigen kanaal. De cilinders zijn aan elkaar ge-goten in een ‘open-deck’ uitvoering. De onderste hoofd-

lagers maken deel uit van het ondercarter, ook wel ‘ladder-frame’genoemd. Let op de slanke uitvoering van de contragewichten.

Zo ziet de stevige drijfstang van dehuidige Mazda dieselmotor er uit.De hoge topdruk vraagt om eenforse doorsnede en lagerdiameter.


2



UitlaatklepbedieningOm bij een koude motor de verbrandingstempe-ratuur snel omhoog te krijgen, wordt er in de in-laatslag heet uitlaatgas toegevoegd. Dat gebeurtdoor één van de twee uitlaatkleppen gedurendeeen aantal krukgraden een klein beetje te openen.Mazda heeft hiertoe een bijzondere klepbedie-ning ontwikkeld.Eén van de uitlaatkleppen wordt op de gebruike-lijke wijze bediend via een nok en een sleper dieop een hydraulische stelplunjer rust. De andereuitlaatklep heeft een nok die de klep opent in deuitlaatslag en een nok die de klep opent in de in-laatslag. De sleper die de klep opent bestaat uittwee delen die elk door een eigen nok wordenbediend. De gewone, hoge nok is in twee gelijkehelften verdeeld. De extra, lage nok in het middendrukt tegen een naaldgelagerde rol.De sleper onder de extra nok wordt door een hy-draulisch bediende blokkeerpen ingeschakeld. Alsde oliedruk wegvalt, zorgt een veer ervoor dat deblokkeerpen in de ruststand teruggaat. De sleperis dan vrij van de nok, dus wordt de uitlaatklepniet meer geopend in de inlaatslag.

Eén van de uitlaatkleppen heeft een gewone, vaste bediening. De andere uitlaatklep heeft een gedeelde hoofdnok met ertussen eennokje dat de klep opent in de inlaatslag.

De inlaatkleppen en de ene uitlaatklep hebben vaste kleplichtkrommen. De tweede uitlaatklep kan een tweede maal worden geopendomdat er twee nokken zijn voor de bediening.

De twee smalle nokken bedienen één uitlaatklep door middel van een sleper die voorzien is vantwee glijvlakken. De bediening door de lage nok van de ene uitlaatklep kan worden in- en uitge-schakeld en gebruikt een naaldgelagerde rol als contactoppervlak.

Als de blokkeerpen tegen de veerdruk in hydraulisch wordt verplaatst, kan de binnensleper niet meerbewegen ten opzichte van de sleper zelf. Dat heeft geen invloed op het openen van de klep in deuitlaatslag. Pas als de middelste, lage nok de rol raakt, opent deze de uitlaatklep in de inlaatslag.

De klepbediening van de ene uitlaatklep vindt altijd plaats via de twee smalle nokken. De binnen-sleper beweegt mee. Zodra de hoge nok voorbij is en de grondcirkel met lage nok de rol raakt, wordtdeze tegen de veerdruk in omlaag gedrukt. De blokkeerpen steekt niet uit, de klep blijft gesloten.

De sleper die één vande uitlaatkleppenbedient, is opge-

bouwd uit meer-dere delen. De sleper

zelf heeft twee glij-vlakken, die elk door een

smalle hoge nok worden be-diend. In het midden zit een bin-

nensleper met naaldgelagerde rol diedoor een lage nok de uitlaatklep in de inlaatslag

kan openen. Links is het huis van de blokkeerpen, rechtsde scharnierpen met terugdrukveer te zien. Links onder is de

hydraulische stelplunjer geplaatst, geheel rechts is het contactvlak metde klepsteel te zien.

1 Twee glijvlakken van de sleper2 Binnensleper3 Rol4 Terugdrukveer

5 Contactvlak lage nok6 Contactvlak hoge nok7 Doorsnede A---A8 Blokkeerpen

9 Veer10 Scharnierpen11 Contactvlak met hydraulische

stelplunjer

1 Hoge nok opent de uitlaatklep in de uitlaatslag2 Lage nok opent de uitlaatklep in de inlaatslag3 Binnensleper

4 Sleper5 Rol6 Blokkeerpen

7 Hoge nok8 Lage nok

1 Hoge nok opent de uitlaatklep in de uitlaatslag2 Lage nok drukt de binnensleper in3 Binnensleper

4 Sleper5 Rol6 Blokkeerpen

7 Hoge nok8 Lage nok

1 Lage nok2 Hoge nok 3 Sleper4 Gewone nok5 Uitlaatnokkenas6 Meenemer hogedrukpomp7 Meenemer vacuümpomp8 Pulswiel9 Inlaatnokkenas10 Inlaatnokkenastandwiel11 Uitlaatnokkenastandwiel12 Uitlaatnokkenaskettingwiel

X KrukgradenY Kleplichthoogte1 ODP2 BDP3 Kleplichtkromme uitlaatklep met gewone nok4 Kleplichtkromme inlaatkleppen 5 Kleplichtkromme uitlaatklep met hoge nok6 Kleplichtkromme uitlaatklep met lage nok

1 2

4 3

5 6

7

8

9

101112

Y

3

5

1

1

A2

3

4

111

7

8 9 10

4

2

1

3

8

3

2

7

6 5 4 6 5 4

5

6

7

6 5 4

1

3

8

2

3

6 5 4

2

4

6

1 X


3

AMT | 201279AMT | 2012

Bij het omhooggaan van de zuiger gaat het weg-persen – de ‘squish’ – tussen de zuiger en de cilin-derkop een rol spelen. De lucht wordt hierbij naarhet midden van de cilinder geperst. De werve-lende, samengeperste lucht stroomt met een koprolbeweging in de kom van de zuiger. Mazda heeft de vorm van de kom, met name deverticale wand met de grootste diameter zo ge-vormd dat de bewegings- of kinetische energievan de luchtbeweging behouden blijft. Als ervervolgens brandstof ingespoten wordt – bij deSkyactiv-D gebeurt dat met maximaal slechts1500 bar – wordt de kinetische energie opnieuw

beïnvloed. De vorm van de kegel in het middenvan de kom stuwt de lucht zodanig omhoog dater een homogene lucht-brandstofverhoudingontstaat. Zodra de zuiger omlaag gaat, ontstaater een negatieve squish. Dat wil zeggen dat hetmengsel uit de kom richting de cilinderwandwordt gezogen, en dus over de gehele cilinder-diameter wordt verdeeld. Het resultaat is dat eroveral genoeg zuurstof is om roetvorming zoveelmogelijk te voorkomen. Bovendien blijft de ver-brandingstemperatuur – door de lage compres-sieverhouding en de uitlaatgasrecirculatie - laaggenoeg om de NOx-vorming te beperken.

Wat goed meewerkt is de tweetraps drukvullingdie voldoende zuurstof ter beschikking stelt enuitlaatgasrecirculatie – EGR – in ruime mate mo-gelijk maakt. De kleine turbo werkt tot ongeveer2500 t/min, dan opent de omloopklep en gaat hetuitlaatgas ook naar de grote turbo. Daardoor ver-valt – zelfs voor de Euro 6 emissie-eisen – denoodzaak voor een NOx-nabehandeling.

Ander verbrandingsverloopBij de Skyactiv-D begint de verbranding ongeveer2° na BDP. Bij de huidige dieselmotor met eencompressieverhouding van 16,3:1 begint de ver-branding pas op 12° na BDP. Hier moet de ver-branding wel zo laat beginnen omdat anders dedrukstijging per krukgraad te hoog wordt. Datzorgt voor een ‘ruwe’ motorloop en ongewenstegeluiden en trillingen. Het late begin van de ver-branding zorgt echter voor roet- en NOx-vormingen een lager thermisch rendement.Dat laatste blijkt wel uit het lagere specifiekebrandstofverbruik van de Skyactiv-D ten op-zichte van de huidige dieselmotor. De oorzaak zitin de tijdsduur van de verbranding. Bij de hooggecomprimeerde motor duurt dat 38° – bij 2000t/min en een gemiddelde effectieve druk van 6bar. De laag gecomprimeerde motor voltooit deverbranding in slechts 28°, daardoor is het warm-teverlies kleiner.

Starten bij lage temperatuurHet starten van dieselmotoren bij lage tempera-turen hangt vooral af van de lucht-brandstofver-houding, de druk en de temperatuur in de cilinder. Mazda maakt gebruik van een piëzo-meergatsverstuiver met meervoudige voorin-spuiting, een tweetrapsdrukvulling om genoegzuurstof ter beschikking te hebben, keramischegloeibougies en verhoging van de luchttempe-ratuur door het openen van één van de uitlaat-kleppen in de inlaatslag.Het extra openen van een uitlaatklep is bekendals het gaat om het verbeteren van de motorrem.Door de uitlaatklep(pen) even te openen rondhet BDP valt de druk in de cilinders weg, en werken de zuigers puur als vacuümpomp, nietals luchtveer. Maar Mazda heeft hiermee een nieteerder gebruikte manier gevonden om met behulp van terugstromende hete uitlaatgassende temperatuur in de cilinder met 60°C te verho-gen voordat de compressie gaat beginnen.Keramische gloeibougies, die een extra hogetemperatuur halen, helpen om de eerste ver-brandingen goed op gang te krijgen. Alle maat-regelen samen, ondersteund door een lage wrij-ving van het drijfwerk, zorgen ervoor dat de Sky-activ-D tot min 25°C start. Er is ook rekening ge-houden met verschillen in de buitentemperatuuren de luchtdruk. Dankzij de meervoudige voorin-spuiting met zeer korte tussenpozen, komt dewarmte-ontwikkeling voordat de hoofdverbran-ding begint snel op gang. Daaraan helpt mee dat

Het specifiek brandstofverbruik van de nieuwe Skyactiv-D is aanzienlijk lager dan van de huidige diesel. Maar ook lager dan vergelijk-bare turbodiesels met hoge compressieverhouding.

Mede dankzij de tweetrapsdrukvulling heeft de nieuwe Skyactiv-diesel zowel bij lage als bij hoge toerentallen meer koppel. De nieuwemotor draait ook meer toeren.

Kopp

el

Huidige Mazda 2,2 l diesel

Skyactiv-D

Hoog

Laag

Toerental in t/min

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Spec

ifiek

bra

ndst

ofve

rbru

ik in

g/k

Wh

2000 t/min

Vergelijkbareconcurrenten

Huidige Mazda 2,2 l diesel

Skyactiv-D

Hoog

Laag

Gemiddelde effectieve druk in bar


4



de verstuivers tot acht keer per verbrandingscy-clus kunnen inspuiten.Vooral de regelbaarheid van de start van de ver-branding heeft de Mazda-technici hoofdbrekensgekost. Het bleek dat door het vooraf bepalen vande ontstekingsvertraging het juiste inspuitmo-ment optimaal kan worden ingesteld. Daartoeworden de aangezogen zuurstofconcentratie ende temperatuur in de cilinder als parameters ge-bruikt. Zo is een stabiele verbranding bij de koudestart en een stabiele opwarmfase ontstaan die

niet beïnvloed worden door de omgevingstempe-ratuur en de luchtdruk.

Lage wrijvingsverliezenVolgens Mazda is het drijfwerk van een moderneturbodiesel met hoge compressie voor ongeveer50% verantwoordelijk voor de wrijvingsverliezen.Omdat de Skyactiv-dieselmotor een topdruk heeftvan slechts 135 bar tegen 175 bar van de huidige2,2 l diesel, kan het drijfwerk veel lichter worden.Zo zijn de lagerdiameters van de krukas kleiner en

de zuigers 25% lichter, samen goed voor een 30%lagere wrijving.Uit metingen is gebleken dat een moderne DIbenzinemotor vrijwel dezelfde wrijving heeft alsde Skyactiv-D. Bedenk dat de lagere topdruk erook voor zorgt dat vooral de bovenste zuigerveerminder krachtig tegen de cilinderwand wordt ge-drukt. Bovendien hebben de oliepomp, de water-pomp en de inspuitpomp bij de Skyactiv-D minderaandrijfvermogen nodig. Al met al zorgen demaatregelen voor een 26% lagere wrijving dan dievan de huidige diesel. Dat brengt het verbruikover de Europese rijcyclus met 4 tot 5% omlaag.Een 20 kg lichtere motor helpt daaraan mee.

Trend ingezet?Door de combinatie van een verbeterde verbran-ding met een hoger rendement, vooral bij deellast,en een lager mechanisch verlies, is het mogelijkom de cilinderinhoud op 2,2 l te houden. Omdatde verbrandingstemperatuur gedurende de Euro-pese rijcyclus laag blijft, is de NOx-uitstoot gering.Daardoor is er geen NOx-uitlaatgasnabehandelingnodig en is ook de CO2-uitworp laag. Kortom, hetresultaat met de Skyactiv-D is vergelijkbaar metdat van een 1,5 l downsize turbodiesel met eenhoge compressieverhouding.Het lijkt erop dat ook andere fabrikanten en ont-wikkelaars het Mazda-concept als een goed ideehebben opgevat. Mitsubishi levert nu een 2.2 DI-D+ (in de Outlander) met een compressieverhou-ding van 14,9:1, Renault heeft het Oostenrijkse on-derzoekscentrum AVL een dieselmotor laten ont-werpen en testen met een topdruk van slechts 110bar. Toch een opsteker voor de Mazda-technici!

Dit lijkt wel een zuiger van een benzinemotor, afgezien van de kenmerkende kom in het midden.Omdat de topdruk tot 135 bar beperkt blijft, hoeft ook de zuigerpen geen grote diameter te heb-ben. Let op de manier waarop de olieafvoergaatjes onder de olieschraapveer zijn aangebracht. Kijkook goed naar de vorm van de verbrandingskamer.

Omdat de verbranding bij de Skyactiv-dieselmotor met de lagere compressieverhouding eerder begint, is er een lange expansieslagbeschikbaar. Bij de huidige diesel met een hoge compressieverhouding begint de verbranding later, dus is de beschikbare expansie-slag korter.

Als de topdruk 175 bar bedraagt, moet de zuiger wel heel stevig zijn om de verbrandingskracht teweerstaan. Kijk maar eens naar de diameter van de zuigerpenogen. Let op de vorm van de verbran-dingskamer.

Huidige diesel

Skyactiv-D

Korte expansieslag

Langeexpansieslag

BDP

ODP

BDP

ODP


5

Mazda Skyactiv-D met lage...

Documents

Transcript of Mazda Skyactiv-D met lage...