Otomotiv dünyası elektrifikasyonun hız kazandığı bir dönemden geçerken, içten yanmalı motorlar (ICE) henüz tarihe karışmış değil. Mazda'nın Skyactiv teknolojileriyle geliştirdiği motorlar, bu alanda adeta bir devrim niteliği taşıyor. Geleneksel yaklaşımların dışına çıkarak, daha verimli, daha temiz ve daha güçlü motorlar tasarlayan Mazda, içten yanmalı motor tasarımının zirvesine ulaştığı iddia ediliyor.
Sektör tarafından büyük ölçüde göz ardı edilen Skyactiv motorları, içten yanmalı motorun her yönünü iyileştirmeyi başardı. Bunu, maliyetli turboşarj sistemleri veya verimliliği düşüren yanma tekrarı gibi yöntemler olmadan gerçekleştiren Mazda, aynı zamanda motorları kirletici olmaktan çıkarıp adeta bir hava temizleyiciye dönüştürme vizyonunu benimsiyor. Bu yenilikçi yaklaşım, otomotiv mühendisliğinde yeni ufuklar açıyor.
Benzinli ve Dizel Motorların Temel Farkları ve Zorlukları
Benzinli motorlar, yüksek değişken güç çıkışı ve yanma kontrolü sağlama konusunda, ateşleme (spark ignition) sayesinde oldukça verimli olsa da, termal verimlilikleri düşüktür ve çevreye zararlı emisyonlar yayarlar. Dizel motorlar ise daha az ısı ile güç üretme ve gücü (torku) öngörülebilir bir şekilde verme konusunda üstündür. Ancak, değişken güç çıkışları söz konusu olduğunda verimsizdirler ve emisyonları açısından ciddi sorunlar taşırlar.
Bu iki motor türünü tek bir çatı altında birleştirmek, otomotiv mühendisliğinin uzun süredir peşinde koştuğu bir hedef olmuştur. Ancak bu birleşim, “vuruntu” (kontrolsüz ateşleme) veya diğer kontrol sorunları gibi ciddi engellerle karşılaşmıştır. Motor içindeki karbon birikintileri de sıklıkla sorun yaratmıştır. Bu zorlukların temelinde, benzinli ve dizel motor tasarımları arasındaki temel farklar yatmaktadır; özellikle de sıkıştırma oranları ve yakıt karışımları. Benzinli motorlar genellikle yaklaşık 14.7’ye 1 hava-yakıt karışımıyla çalışırken, dizel motorlar genellikle sıkıştırma oranına bağlı olarak 25:1 ile 40:1 arasında çok daha fakir karışımlar kullanır. Bir diğer büyük fark ise sıkıştırma oranıdır. Benzinli motorlar genellikle dizel motorların yarısı kadar bir sıkıştırma oranına sahipken, birçok dizel motor 25:1’e kadar sıkıştırma oranına ulaşabilir. Sıkıştırma oranı, motorun yanmayı piston üzerindeki basınca (harekete) dönüştürme verimliliğinde kilit rol oynar; ne kadar yüksekse, ısıya dönüşen enerji o kadar az olur.
HCCI Teknolojisi ve Karşılaştığı Zorluklar
Yüksek sıkıştırmalı önceki benzinli motor tasarımlarında, dizelin yüksek sıkıştırmasının benzinle birleşmesi, Homojen Yük Sıkıştırma Ateşlemesi (HCCI) olarak adlandırılan bir teknolojiye yol açmıştır. Bu tasarım, tüketimi azaltmak için daha fakir bir yakıt karışımı da içerir. Ancak HCCI teknolojisi, öngörülemezlik gibi büyük bir sorunla karşı karşıyadır. Dizel motorlar, silindir sıkıştırma vuruşunun sonunda yakıt enjekte ederek ateşlemeyi kontrol eder. Ancak bu son anlık enjeksiyon, yakıtın tam olarak buharlaşamaması nedeniyle kirli ve tam olmayan bir yanmaya neden olur. Benzinin aynı şekilde enjekte edilmesi durumunda sonuç daha da kötü olacaktır. Ancak, giriş (emme) zamanlamasında buharlaşacak şekilde enjekte edilen benzin, motorun kullanımına bağlı olarak sıcaklık, basınç ve oksijen:yakıt karışımı gibi değişkenlikler nedeniyle erken ateşleme sorunlarıyla karşı karşıya kalır. Bu nedenle, HCCI sisteminde kendiliğinden ateşleme, strokun erken veya geç bir aşamasında meydana gelebilir.
Mazda'nın Skyactiv Teknolojisi ile Tanışın
Mazda, 2000'lerin başında Sky ve Mazda P motor serilerini tanıttı ve ardından daha yüksek sıkıştırmalı Skyactiv-G (benzinli) serisine geçti. Dizel versiyonu (Skyactiv-D), birçok modelde yer almakta ve büyük ölçüde standart, düşük sıkıştırmalı bir dizel motor olarak kabul edilmektedir; ancak çok daha düşük NOx ve partikül emisyonlarına sahiptir. Skyactiv-G, ilk olarak 2010 yılında tanıtıldı ve ilk versiyonu Mazda Demio (diğer adıyla Mazda2) modelinde kullanıldı.
-G'nin daha büyük hacimli versiyonları 2013'ten günümüze kadar Mazda ürün gamının geri kalanında tanıtıldı. -G ayrıca Mazda tarafından üretilen Toyota iA/Yaris modellerinde de kullanıldı. Skyactiv-G, hem sıralı dört silindirli hem de sıralı altı silindirli motorlar olarak üretilmektedir. Tamamı alüminyumdan yapılmış olan bu motorların sıkıştırma oranları 13:1 ile 14:1 arasında değişmekte ve motor hacimleri 1.3 ile 3.3 litre (1.298cc - 3.283cc) arasında yer almaktadır. Çoğu atmosferik beslemelidir; ancak düşük sıkıştırma oranına sahip 2.5L Turbo ve 3.3L Turbo versiyonları da mevcuttur. Bu ilk Skyactiv motorlarının HCCI teknolojisine sahip olmadığını ve bu nedenle sıkıştırma oranlarının nispeten düşük olduğunu belirtmek önemlidir.
Skyactiv-G'nin tanıtılmasının ardından kısa süre sonra Skyactiv-Hybrid modeli ortaya çıktı. Bu model, -G motorunu Toyota'nın Hybrid Synergy Drive sistemiyle birleştiriyordu. Ancak Toyota ile yapılan kısa süreli lisans anlaşması, şirket içi bir hibrit sistemin tam olarak geliştirilmesinden önce sona erdi. Daha sonra, Mazda'nın daha küçük modellerinde (3, CX-30 ve CX-5 gibi) kullanılan hafif hibrit tasarımı olan e-Skyactiv-G geliştirildi. Benzer şekilde, Mazda, sıkıştırılmış doğal gaz (CNG) ve döner (R) versiyonları üzerinde de deneyler yaptı, ancak her ikisi de şu ana kadar prototip aşamasını geçemedi. Skyactiv-R, 2023 yılında elektrikli veya hibrit-elektrikli araçlar için menzil artırıcı bir jeneratör potansiyeli olarak tanıtıldı.
Sonunda Mazda, yüksek sıkıştırmalı bir silindirde benzinle vuruntuyu (istenmeyen yanma, yani detonantasyon) önlemenin yolunu buldu. Mühendisler, yakıtın hem enjekte edilme hem de ateşlenme şeklini değiştirdiler. Mazda'nın daha yeni Skyactiv motorlarında kullandığı bu sisteme Kıvılcım Kontrollü Sıkıştırma Ateşlemesi (SPCCI) adı veriliyor. Geleneksel benzinli ICE tasarımlarında olduğu gibi, benzin giriş zamanlaması sırasında emilen havaya buharlaşarak karışır, ancak çok fakir bir karışım (yaklaşık 30:1 veya daha fakir) kullanılır. Silindir çevriminin sıkıştırma aşaması, fakir karışımdaki sıkıştırmayı yanma noktasına yaklaştırır. Ardından, buji ateşlendiğinde çok az miktarda yakıt buji başına enjekte edilir. Bu ön ateşleme, silindirdeki buharlaşmış yakıtı ateşleyen ve hepsini aynı anda yakan ani bir basınç artışına neden olur. Sonuç, yerel zengin karışım cepleri olmadan (kurum oluşturan) ve daha düşük genel yanma sıcaklığında (NOx'i azaltan) ve daha yüksek termal verimlilikle (kullanılan yakıt başına daha fazla güç) yakılan bir yakıttır.
Skyactiv sistemindeki bu devrim, HCCI teknolojisini (SPCCI olarak) içeren Skyactiv-X motorunu ortaya çıkardı. Bu motor, sıkıştırmayı 16:1'e çıkarır ve önceki versiyonlarından çok daha fakir çalışır; yakıt verimliliği %20-30 daha yüksektir. Turboşarj kullanılmaz, ancak küçük bir Roots tipi süperşarjör, özellikle yüksek hızlarda vuruntudan kaçınmanın daha zor olduğu durumlarda, daha fakir yakıt karışımlarına izin vermek için motora daha fazla hava ekleyerek sıkıştırma ateşleme penceresini genişletir. Skyactiv-X tasarımı ayrıca ağır yük altında (örneğin yüksek hız/tork durumlarında) biraz daha düşük sıkıştırmada standart benzinli motor çalışmasına izin verir.
Skyactiv-X, Mazda3 ve CX-30 modellerinde (2019 model yılından günümüze) yer almaktadır ve şu anda yalnızca dört silindirli bir motordur, ancak altı silindirli bir versiyonu geliştirilmektedir.
Skyactiv-Z, -X Teknolojisini Hibritleştiriyor
Ancak bu durum, Mazda'nın yeni Skyactiv-Z'yi duyurmasıyla değişebilir. Bu, -G ve -X modellerinden yola çıkarak çok daha yüksek emisyon standartlarını karşılayan yeni, hibrit bir tasarımdır. Euro 7, LEV4 ve Tier 4 düzenlemelerini hedefleyen -Z, 2027 CX-5 Hybrid modelinde tanıtılacak 2.5 litrelik sıralı dört silindirli bir motordur.
Skyactiv-Z motoru, öncüllerine göre iki büyük avantaja sahiptir: Elektrik motor gücü eklenmesi sayesinde daha da fakir yakıt karışımlarıyla çalışabilir ve ısı yalıtım teknolojisini içerir. Bu teknoloji, motor çalışması sırasında normalde kaybedilen ısıyı, verimliliği artıran aynı motoru çalıştırmak için güce dönüştürür. Mazda henüz bunun nasıl gerçekleştiği konusunda detaylı bilgi vermemiş olsa da, bu, egzoz gazı emisyonlarını karşılama (genellikle motor ısı çıkışını güç azaltarak düşürmek suretiyle yapılır) işleminin güç kaybı olmadan yapılabileceği anlamına gelir. Bunun ya atık ısı geri kazanımı ya da termoelektrik üretim ile başarılacağını tahmin ediyoruz. Belki de her ikisinin bir kombinasyonu.
Termal verimlilik, Skyactiv motor tasarım sürecinin zaten büyük bir parçası olmuştur. İlk Skyactiv-G, orta devir aralığında iyi bir Fren Ortalama Etkin Basıncına (BMEP) sahiptir, bu da doğrudan daha iyi termal verimliliğe yol açar. Skyactiv-X, bu verimliliği bir adım daha ileriye taşıyarak etkili BMEP aralığını genişletmiştir. Mazda'ya göre Skyactiv-Z, bundan çok daha etkili olacaktır.
Skyactiv-Z'nin en olası başlangıcı, daha da fazla elektrifikasyona doğru ilerlemeden önce güçlü bir hafif hibrit veya benzin-elektrik hibrit olarak piyasaya sürülmesi olacaktır. Mazda mühendisleri, -Z'yi en başından itibaren elektrifikasyona uygun şekilde tasarladılar, bu nedenle elektrifikasyon miktarı oldukça esnektir. Skyactiv-Z'yi hafif hibritli ana itici üniteden, bataryalı elektrikli bir aracın menzil artırıcısına kadar her şey olarak kullanmak mümkündür. Mazda ayrıca karbon-nötr yakıtlar ve zeolit bazlı egzoz borusu temizleme teknolojileri üzerinde de deneyler yaptığını belirtiyor. Bu, sıfır veya hatta net negatif karbondioksit sonucuna ulaşabilir – Mazda mühendisleri, negatif CO2 çıktısına sahip motorların olduğu bir gelecek öngörüyorlar.
Mazda mühendisleri, içten yanmalı motorların zirvesinin, sadece araçları yollarda ve otoyollarda sürmekten daha fazlasını yaptığı yakın bir geleceği hayal ediyorlar. Bu motorlar aynı zamanda, ilerlerken CO2'yi gidererek birer hava temizleyici olacaklar. Bu sonuç, önemli altyapı değişiklikleri, otomotiv tasarımında temel değişiklikler gerektirmeyecek ve kaynakları üzerinde etkili olan çok sayıda yeni malzeme ihtiyacını ortadan kaldıracaktır.
Bu, kesinlikle içten yanmalı motorlar için zirve noktası olacaktır.
