SLIDESHOW | Mazda’nın SkyActiv-X Motoru Nasıl Çalışır?

Yanma prensipleri

Her iki motor çeşidinde de emme manifoldundan silindir içine hava alınır. Bu sırada emme valfi açıktır. Piston alt ölü noktaya kadar indiğinde bu strok biter. Piston, içeriye dolan hava ile yakıt karışımını üst ölü noktaya kadar sıkıştırır ki bu strok da adını buradan alır. Hemen ardından gerçekleşen yanma sonucu oluşan basınç pistonu üst ölü noktadan alt ölü noktaya iter. Bu iki strokta her iki valf de kapalıdır – tabii özel durumlar hariç. Alt ölü noktadan sonra piston, egzoz supapının açılmasıyla bu gazı tahliye eder ve çevrim sonlanır.

Dizel ve benzinli motorları ayıran temel nokta ise yanmanın başlatılma şeklidir.

Hava-yakıt karışımları

Mühendislikte stokiyometrik adı verilen bir karışım oranı vardır. İdeal koşullarda benzinli motorlarda 1 g yakıt için 14.7 g hava gereklidir. Yani teoride istenen hava:yakıt oranı 14.7:1’dir. Bu değerin üzerinde kalan hava-yakıt karışımlarına lean, yani fakir karışım adı verilirken 14.7:1’den küçük karışımlar için rich, yani zengin karışım denir. Buradaki fakir ve zengin ayrımını tamamen karışım içindeki yakıt miktarı belirler.

Tabii stokiyometrik oranın gerçekte imkânsıza yakın olduğunu belirtmek lazım zira yanma, ateşleme diye anılan strok aşağı yukarı 2 milisaniye sürmektedir.

CI ve SI farkları

Hemen yukarıdaki fotoğrafta görülen aracın kullandığı dizel ile benzinli motorları ayıran noktanın yanmanın başlatılma şekli olduğunu daha önce de söylemiştik. Bu sistemlere Spark Ignition (SI) ve Compression Ignition (CI) adı veriliyor.

Birbirinden farklı karakterde iki yakıt kullanan bu ünitelerden dizel olanında ateşlemenin gerçekleştiği basınç benzinli araçlara göre çok daha yüksektir. Bu yüzden dizel araçlarda, benzinlilerin aksine, buji adı verilen kıvılcım sağlayıcı elektronik cihaz bulunmaz. Sıkıştırılarak basıncı ve sıcaklığı arttırılan havaya ciddi şekilde yüksek basınçta pülverize dizel partikülleri enjekte edilir ve karışım yüksek basınç ve sıcaklıktan ötürü kendiliğinden tutuşur.

Benzinli motorlarda bu durum istenmez; bu yüzden havanın içine enjekte edilen yakıt daha düşük basınçtadır ve yanma buji kontrolünde başlatılır.

Dizel ve benzinli motorların birbirlerine karşı avantajları

Çok uzun bir süredir piyasada beraber var olan benzinli ve dizel motorlar tahmin edeceğiniz üzere çok iyi oldukları bazı teknik veriler ile öne çıkıyor. Herhangi birine sorsanız bile size dizel motorların az yakıt tükettiğini ve daha torklu olduğunu, benzinli güç ünitelerinin ise daha sessiz, aynı hacimde daha güçlü ve NO_x (azot gazı) emisyonu açısından daha çevreci olduğunu söyleyecektir.

İşte Mazda’nın mühendis ekibi, tam da bu noktada iki motorun avantajlarını neden birleştirmeyelim diye düşünmeye başlamışlar ve uzun süren bir AR-GE süreci sonucu çok güzel bir cevap bulmuşlar: SkyActiv-X!

SkyActiv-X'in felsefesi

Atmosferik motorlarda hâlâ ciddi gelişim alanı olduğuna inanan Mazda, SkyActiv-G ünitede sıkıştırma oranını arttırarak yanma verimini yükseltmeyi zaten başarmış. SkyActiv-X için yapılan çalışmalarda daha önce anlattığımız fakir karışım ile yanmayı sağlamak için hava-yakıt oranını yükseltmek hedef tutulmuş. Yakıt sabit iken yakılan hava miktarını ikiye katlamak yanma karışımının sıcaklığını düşürmüş – ki bu da soğutma kayıplarını azaltıyor.

Ancak burada ciddi bir sorun var. Fakir karışımın kıvılcım kullanımı ile ateşlenmesi yanmanın dengesizleşmesine sebep oluyor. Bunun için sıkıştırmalı yanmanın (CI) yüksek sıcaklık ve yüksek basınçta gerçekleşmesi gerekiyor. Anlayacağınız benzinli bir motorda dizel prensibi ile çalışma yakalanması gerekiyor.

Hâlihazırda bunu sağlayabilecek bir teknoloji zaten var: HCCI. Homojen dolgulu kompresyonlu ateşleme anlamına gelen bu sistem sadece düşük devirlerde kullanılabildiği için üst devirlere geçişte yaşanacak karakter değişimine müsaade etmiyor.

SkyActiv-X'i mümkün kılan teknoloji: SPCCI

Şimdiye kadar bunun üstesinden gelmek için çok karmaşık tasarımlara gidilmesi gerekiyordu ancak Mazda, SPCCI adını verdiği teknoloji ile bu alanda çığır açarak “belli koşullarda dizel gibi çalışabilen benzinli motoru” mümkün kıldı.

Anlamı buji kontrollü kompresyonlu ateşleme olan SPCCI teknolojisi, HCCI’nın düşük devirde sıkıştırma ile yanma sağlarken üst devirde bujiye ihtiyaç duyan yapısına bir cevap olarak doğmuş.

“Eğer farklı yanma sistemleri arasında geçiş zor olacaksa, o hâlde bujiyi denklemden hiç çıkarmasak ne olur?”

Kısaca SPCCI, düşük devirlerde kompresyonu ateşlemeye izin verirken bunun gerçekleşemeyeceği üst devirlerde standart kıvılcımlı ateşlemeyi sürdürebiliyor. Bu sayede iki farklı karakter arasındaki geçiş pürüzsüz olarak sağlanabiliyor. Bunun için Mazda mühendisleri yeni bir piston kafası tasarımı, süper yüksek basınçlı yakıt enjeksiyon sistemi, yüksek tepkili hava besleme sistemi ve durumu kontrol edecek silindir içi bir sensör geliştirmiş.

SPCCI sisteminin yapısı

SPCCI sistemi, buji varlığında lokal ateşlemeler yaparak silindir içine doldurulan ve kompresyon ile tutuşmaya hazır fakir hava-yakıt karışımının yanmasını sağlıyor. Bu da piston üst ölü noktada iken buji bir ateş topu oluşturarak yanma odasındaki tüm karışımın homojen şekilde sıkışarak yanmasını mümkün kılıyor.

Ateşin yayılımı ilkesine göre çalışan SPCCI, bujinin ateşlemesini sensör yardımıyla kontrol ederek yanma odası formunu ve basıncı kontrol altında tutabiliyor. Tüm sürecin elektronik olarak kontrol edilmesi, Mazda’nın değişken supap zamanlaması ve değişken sıkıştırma oranına ihtiyaç duymadan, sıkıştırma oranını kontrol altında tutarak buji yardımıyla kompresyonlu ateşleme yapmasını sağlıyor.

SkyActiv-X nasıl çalışır?

SPCCI mekanizması ile fakir karışımın ateşlenmesi için SkyActiv-X sistemi bu karışımı yanma odasına homojen olarak dağıtıyor. Daha sonra yakıt açısından daha zengin bir karışım, buji etrafına püskürtülüyor ve kıvılcım ile ateşleniyor. Böylece kompresyonlu ateşleme için yeterli basınç ve sıcaklık oluşturulurken dizel çevriminde meydana gelen NO_x miktarı da ciddi şekilde azaltılıyor. Peki bu hava-yakıt karışımı nasıl kontrol ediliyor?

Mazda, zengin karışımların uzun süre basınca maruz kalmasıyla oluşabilecek anormal yanmaları engellemek için yakıt enjeksiyonunu emme stroku ile sıkıştırma stroku arasında paylaştırmış. İlk olarak fakir karışımı silindire alan SkyActiv-X, sıkıştırma strokunun sonlarına doğru zengin karışımı denkleme dâhil ediyor.

Sıkıştırma sürecinin kısaltılması ve kompresyonlu ateşlemenin verimli olabilmesi adına SkyActiv-X, yakıtı yanma odasının merkezinde yer alan aşırı yüksek basınçlı enjektör ile silindire veriyor. Böylece hızlıca buharlaşıp atomize olan yakıt tüm odaya homojen olarak dağılıyor. Bu sayede türbülanslı bir akış da yakalayan SkyActiv-X, düşük devirlerde gaza yüklenilmesi hâlinde bile stabil bir yanma sağlayabiliyor.

SkyActiv-X'in avantajları

Bunun sonucunda SkyActiv-X, aynı hacimdeki SkyActiv-G benzinli motorlara göre belli devirlerde %30’a varan bir tork artışı sağlıyor. Sürecin çoğunda gaz kelebeği açık olduğu için gaz tepkisi de ciddi şekilde artıyor.

Öte yandan 2.0 SkyActiv-G’ye göre %20’ye varan daha düşük tüketim de SkyActiv-X’in sunduğu en iyi artılardan birisidir. Üstelik düşük süratle seyredilen trafik koşullarında dizel çevrimine benzer prensibin izlenmesi bu tasarrufun %30’a kadar çıkmasını sağlıyor. Kısacası SkyActiv-X yelpazedeki diğer motorlara göre daha tepkili, SkyActiv-D dizel üniteyle yarışacak derecede düşük tüketim ve daha iyi bir performans sunuyor.

Mazda3 2.0 SkyActiv-X: Teknik veriler

Mazda’nın SkyActiv-X adlı motoru ilk olarak yeni jenerasyon Mazda3 ile hayatımıza girdi. Hacmi 2.0 litre olan ünite 6.000 d/dk’da 180 bg (132 kW) güç, 3.000 d/dk’da ise 224 Nm tork üretebiliyor. Sıkıştırma oranı 16.3:1 olan ünite, WLTP verilerine göre 100 km’de ortalama 5.4 litre 95 oktan benzin harcıyor.

24 Volt’luk hafif hibrit sistemden de beslenen 2.0 SkyActiv-X, 100 km/h hıza 8.2 saniyede çıkıyor ki bu, Mazda modellerine göre iyi ancak piyasa geneline göre pek de iyi sayılmayacak bir rakam. Yine de motorun atmosferik olduğunu ve ağırlığın 1.4 tona yaklaştığını hatırlatalım. Kaldı ki km’de 100 gram CO₂ salımı yapan SkyActiv-X henüz yeni doğmuş bir teknoloji. Yani ileride çok daha üstün veriler ile karşılaşacağımıza eminiz. İçten yanmalıyı geçtik, atmosferik motoru bırakmadığınız için tebrikler Mazda!