Présentation moteur : Mazda Skyactiv-X

Présentation moteur : Mazda Skyactiv-X

Guillaume Darding - 31 janvier 2020

Mazda est un constructeur connu pour apporter des solutions atypiques pour répondre aux exigences réglementaires (réduction de la consommation et des émissions de gaz polluants) sans négliger le plaisir de conduite. C'est ainsi, par exemple, que le constructeur a developpé des moteurs essence et diesel s'appuyant sur des taux de compression inhabituels.

Avec le Skyactiv-X, le constructeur japonais s'est appuyé sur la technologie HCCI pour combiner les qualités du moteur essence (faibles émissions de gaz polluants, sonorité) avec les qualités du moteur diesel (consommation de carburant réduite).

Mazda3 Skyactiv-x de profil

Qu'est-ce qu'un moteur HCCI ?

Un moteur dit HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) est un moteur qui s'appuie sur le fonctionnement d'un moteur essence (mélange homogène de carburant à l'intérieur du cylindre) et le fonctionnement d'un moteur diesel (allumage par compression).

Dans le cas d'un moteur essence, une bougie déclenche une étincelle qui va déclencher un front de flamme, front qui va se propager à l'intérieur du cylindre dans un certain laps de temps. Dans le cas d'un moteur diesel, ce sont les conditions de température et de pression à l'intérieur du cylindre qui déclenchent la combustion du mélange air/carburant.

Dans le cas d'un moteur HCCI, le carburant est injecté directement dans le cylindre pendant la phase d'admission pour obtenir un mélange air/carburant homogène dans le cylindre. La combustion se déclenche ensuite par la pression élevée dans le cylindre à l'approche du point mort haut, sans l'aide d'une bougie.

Pression cylindre pendant la combustion - comparaison moteur essence/diesel - www.guillaumedarding.fr

Pour ce faire, les moteurs HCCI nécessitent un taux de compression élevé. Couplé à une fine maîtrise de la température et de la pression des gaz à l'intérieur du cylindre, le mélange s'auto-enflamme à la fin de la phase de compression. Trop froid, le mélange aura du mal à s'auto-enflammer et ne développera pas suffisamment de puissance. Trop chaud, le mélange s'auto-inflammera trop tôt, la combustion sera non-contrôlée avec un risque important de cliquetis.

Si le mode HCCI se montre efficace, il est surtout apparu que ce mode de fonctionnement était difficilement utilisable sur une large plage de régime et de charge moteur. Les constructeurs n'ont donc pas jugé intéressant de poursuivre le développement de ce type de moteur pour le proposer au grand public.

Mazda SPCCI

Mazda s'est appuyé sur le fonctionnement des moteurs HCCI pour développer une technologie permettant d'avoir un comportement très similaire aux moteurs HCCI, mais sur une large plage de fonctionnement du moteur. Ainsi est née la technique SPCCI (Spark Controlled Compression Ignition) développée pour le Skyactiv-X. Ce mode de fonctionnement nécessite une bougie d'allumage, tout comme pour un moteur essence.

Timing injection / combustion moteur essence diesel HCCI Mazda SPCCI

Dans le cas du SPCCI, seule une partie du carburant est injectée pendant la phase d'admission de manière à ce que le mélange air/essence soit trop pauvre pour s'auto-enflammer. Une deuxième injection à haute pression a lieu pendant la phase de compression au niveau de la bougie. Dans cette zone, le mélange est donc un peu moins pauvre que dans le reste du cylindre.

Ainsi, l'étincelle générée par la bougie juste avant la fin de la compression déclenche une combustion localement. Cette dernière permet d'augmenter suffisamment la pression et la température dans le reste du cylindre pour déclencher la combustion par compression.

déroulement combustion Mazda SPCCI

Lorsque le moteur est utilisé à haut régime, à forte charge ou lors des démarrages à froid, le mode de fonctionnement du Skyactiv-X retrouve le fonctionnement d'un moteur à essence classique (injection de carburant pendant la phase d'admission et combustion par propagation du front de flamme dans l'ensemble du cylindre).

utilisation modes de combustion Mazda SPCCI essence

Enfin, l'utilisation de la bougie permet des transitions d'un mode à l'autre de fonctionnement quasi-imperceptibles : les occupants du véhicules ne ressentent pas le changement d'un mode de fonctionnement à l'autre.

Combustion en mélange pauvre

Lorsque le moteur fonctionne en mode SPCCI, il fonctionne avec un mélange air/carburant significativement pauvre. Le ratio air/essence (lambda), peut dépasser 2 (il y a donc 2 fois plus d'air que nécessaire par rapport à la quantité de carburant injectée dans le cylindre). Dans le cas d'un moteur essence classique, le mélange est légèrement riche (inférieur à 1).

Outre une réduction de la consommation, ce mélange pauvre est bénéfique en matière de température de combustion, plus faible dans ces conditions. 

température de combustion en fonction de la richesse du mélange air/carburant (lambda)

Lorsque le mélange air/essence est riche, la température de combustion est plus faible car une le carburant imbrûlé (il n'y a pas assez d'air par rapport à la quantité de carburant injectée) absorbe la chaleur générée par la combustion dans le cylindre.

De même, lorsqu'il y a beaucoup plus d'air que nécessaire à l'intérieur du cylindre, l'air non utilisé dans la combustion permet aussi d'abaisser la température de combustion.

La température de combustion plus faible permet par ailleurs de réduire la formation des oxydes d'azote (NOx). C'est un point important car en conditions de mélange pauvre, les catalyseurs 3 voies ne sont pas efficaces pour traiter les NOx. A l'inverse, si les émissions d'hydrocarbures HC et de  monoxyde de carbone CO ont tendance à augmenter en mélange très pauvre en sortie moteur, le catalyseur est très efficace pour réduire les émissions de ces 2 gaz polluants dans ces conditions-là.

émissions NOX CO HC en fonction de la richesse du mélange air/carburant (lambda)

Enfin, du fait de la température de combustion plus faible, les besoins en matière de gestion de la température moteur sont réduits. Ainsi, les organes de refroidissement et de lubrification (en particulier la pompe à eau et la pompe à huile) peuvent être sous-dimensionnés par rapport à un moteur essence classique, ce qui permet de réduire la charge de ces composants sur le moteur et de contribuer à la réduction de la consommation de carburant.

Capteur de pression cylindre

La qualité de la combustion est surveillée à l'aide d'un capteur de pression présent dans chaque cylindre qui mesure la pression à l'intérieur du cylindre. Si le pic de pression n'est pas aussi important et/ou n'arrive pas au bon moment par rapport à ce qu'a estimé le calculateur, alors ce dernier va ajuster, notamment, le moment où la bougie va s'allumer dans le prochain cycle.

Pression cylindre mode de combustion Mazda SPCCI

Architecture

Mazda est fidèle au principe de rightsizing (une philosophie dont se sont inspirés Audi et le groupe Volkswagen dans le développement de la dernière génération du 2.0l TFSI), le constructeur ne déroge pas à la règle avec le Skyactiv-X qui est un moteur de 2.0l de cylindrée avec un alésage de 83,5 mm pour une course 91,2 mm (il reprend donc les mêmes cotes que le 2.0l Skyactiv-G).

Il s'agit d'un bloc moteur dit longue course (la course du piston étant significativement supérieure à l'alésage) privilégiant, en théorie, le couple à bas régime plutôt que la recherche de la puissance à très haut régime.

Vue du dessus moteur Mazda Skyactiv-X

Le bloc moteur est en aluminium et le taux de compression est de 16,3:1, un taux inhabituellement élevé pour un moteur essence, sauf à considérer les moteurs à taux de compression variable comme le MCE-5 (non commercialisé). Aux Etats-Unis, le taux de compression est diminué à 15:1 du fait de la possibilité d'utiliser des carburants au taux d'octane plus faible qu'en Europe.

La tête de piston a un profil complexe (outre les usinages pour ne pas interférer avec l'ouverture des soupapes) avec des excroissances qui ont pour but de générer un mouvement important de tourbillon (swirl) dans l'ensemble du cylindre afin de favoriser l'homogénéité du mélange air / essence.

Performances

Dans sa configuration actuelle, le Skyactiv-X développe 180 chevaux à 6.000 tr/min et un couple de 224 N.m à 3.000 tr/min. 

Puissance couple Mazda Skyactiv-X

Micro-hybridation

Le Skyactiv-X est équipé d'un alterno-démarreur sous une tension de 24 V. Il est entraîné par courroie et fourni 4,8 kW (6,5 chevaux) à 1000 tr/min et 60,5 Nm de couple à 200 tr/min. Lors de la régénération au freinage, l'alterno-démarreur recharge une petite batterie Li-Ion d'une capacité de 0,17 kWh logée dans le soubassement du véhicule au niveau du passager avant.

Injection

Les injecteurs d'essence sont montés en position centrale dans la chambre de combution. La pression d'injection peut atteindre 500 bar. Cette pression est significativement plus élevée que les pressions d'injection habituelles des moteurs à essence à injection directe (comme, par exemple, le Volkswagen 1.5l TSI dont la pression atteint 350 bar). 

Système d'injection 500 bar Mazda Skyactiv-X

Cette pression élevée permet d'optimiser la pulvérisation du carburant autour de la bougie lors de la deuxième injection, juste avant l'allumage par la bougie.

Distribution

Le calage des soupapes est variable à l'admission et à l'échappement. Afin de compter sur une grande réactivité et ce, à tous les régimes moteur, l'ajustement du calage est réalisé à l'aide d'actionneurs électriques tant à l'admission qu'à l'échappement.

Vue en coupe moteur Mazda Skyactiv-X

Les arbres à cames sont mis en rotation par le vilebrequin à l'aide d'une chaîne. Les soupapes sont actionnées par l'intermédiaire de linguets à rouleaux.

Admission et suralimentation

Le moteur Skyactiv-X est équipé d'un compresseur mécanique de type Roots pour alimenter le moteur en air frais. Le compresseur est entraîné par une courroie et il est débrayable. Enfin, l'air frais compressé est refroidi par eau.

Vue compresseur Roots moteur Mazda Skyactiv-X

Pour alimenter les cylindres en air, le moteur peut compter sur de l'air frais compressé, un EGR mécanique (les gaz étant prélevés après le filtre à particules) et un EGR "interne" (les gaz d'échappement sont admis dans le cylindre lors de la phase d'admission grâce à la fermeture tardive des soupapes d'échappement). L'EGR mécanique permet de refroidir la chambre de combustion tandis que l'EGR interne permet au contraire de réchauffer la chambre, ce qui est très utile lors des démarrages à froid.

Grâce à ces 3 sources d'alimentation et grâce au fait que la combustion se fait majoritairement en mélange pauvre (ce qui nécessite un apport d'air important), le papillon d'accélérateur peut rester, dans une majeure partie des cas, complètement ouvert. Cela permet de réduire significativement les turbulences dans les conduits d'admission et d'améliorer, en conséquence, le rendement du moteur.

Echappement

Les systèmes de dépollution du Skyactiv-X sont accolés au moteur. Il est composé d'un catalyseur 3 voies et d'un filtre à particules. Le moteur dispose aussi EGR refroidi par eau dont les gaz sont prélevés après le filtre à particules.

Vue système d'échappement Mazda Skyactiv-X - catalyseur 3 voies et filtres à particules

En l'absence de turbocompresseur, les gaz d'échappement sont plus chauds en sortie moteur, ce qui a permis a Mazda de développer un collecteur d'échappement relativement long, afin de faciliter l'évacuation des gaz hors des cylindres et réduire la contrepression du système d'échappement.

Le collecteur est complètement isolé pour éviter les déperditions de chaleur dans le compartiment moteur (ce qui peut être problématique avec d'éventuels composants électroniques à proximité) et conserver au maximum la température des gaz d'échappement (ce qui est nécessaire pour accélérer les réactions chimiques des systèmes de dépollution).

Brève prise en main

Si le Skyactiv-x doit prendre le meilleur du moteur essence et le meilleur du moteur diesel, il est aussi légitime de se demander s'il n'hérite pas des défauts de l'un ou de l'autre. Dans les faits, la sonorité est plutôt quelconque, ce n'est clairement pas un moteur sportif. Mais, avant tout, les cognements typiques d'un moteur diesel ne sont pas présents et le niveau de vibration est comparable à celui d'un moteur essence.

Berline Mazda3 vue de profil Skyactiv-X

L'ordinateur de bord semble confirmer que le moteur fonctionne dans 90% des cas selon le mode SPCCI. Il faut vraiment le pousser dans les tours pour le voir basculer dans un mode de fonctionnement classique. D'ailleurs, la transition entre les deux modes de fonctionnement est imperceptible.

Si le moteur ne donne pas forcément l'impression de fournir 180 chevaux, il fait en revanche preuve d'une belle allonge dès les plus bas régimes (1.400 tr/min) : il se conduit aisément sur le couple comme un moteur diesel. L'alterno-démarreur permet de stopper le moteur en douceur, infiniment plus que les systèmes start/stop simplement équipés d'un démarreur renforcé.

Production

Le moteur Skyactiv-X est produit au Japon dans l'usine d'Ujina (Hiroshima). Selon Mazda, les coûts de production se situent à mi-chemin entre le coût de production d'un moteur essence et celui d'un moteur diesel.

Usine de production Mazda Skyactiv-X Ujina Hiroshima

Crédits photos : Mazda
Illustrations et graphiques : Guillaume Darding

Les 10 derniers commentaires sur le sujet (voir les 25 commentaires):

Charles

27 mars 2020 à 11h19

Coucou,
Je vous remercie de cette présentation sur le modèle Mazda Skyactiv-X. Je considère que la motorisation d’essence à combustion spontanée peut rendre la conduite beaucoup plus agréable. Par ailleurs, le moteur HCCI vous permet de consommer moins de carburant et de réduire les émissions de gaz polluants. Je trouve cette innovation que propose Madza très intéressante.
jeff

03 mai 2020 à 17h12

bonjour,
Votre article est vraiment très complet ...J'ai acheté le Cx30 skyactivX à sa sortie 11/2019...à la place d'un cx5 168cx diesel ...histoire de faire un petit effort pour l'environnement...(avec le confinement je dépasse mes résolutions.)Je le trouve plus que poussif pour 180cx ; mais par contre très agréable à conduire pour la souplesse de son moteur et de sa boite...mais même à 4000 tours ..les chevaux sont restés à l'écurie..POURQUOI SELON VOUS?
Guillaume Darding [administrateur]

04 mai 2020 à 12h14

Bonjour jeff,

je pense qu'on peut trouver l'explication de cette impression de poussivité dans le couple limité et l'insonorisation du Skyactiv-X qui lisse les sensations (le Skyactiv-X a quasiment 2 fois moins de couple que votre précédent moteur).

Lors de mon essai de ce moteur, j'ai effectivement noté que ce moteur était effectivement assez avare en sensation (voir le chapitre brève prise en main). Néanmoins, si on se fie à l'aiguille du compteur de vitesse, les chevaux sont bien là, juste que tout est lissé.
SorinP

16 septembre 2020 à 11h35

Bonjour,
JE suis propriétaire d'une CX30 skyactiv X. J'ai essayé de vérifier à vitesse stabilisé (100 et 120km/h) l'ouverture du papillon et le lambda via OBD.
Pour lambda, il y a des chances que les valeurs lus via OBD avec un logiciel simple sont mauvaises. (entre 0.68 à WOT et 1.0 en fonctionnement normal). Pour sensor1 je n'ai pas acces directement au signal brut de la sonde.
Par contre, l'ouverture du papillon à l'air tout à fait ordinaire. 12% au relenti, 92% WOT, et 25-30% sur autoroute à vitesse stabilisé. Je ne suis donc pas sur que ce qui Mazda affirme par rapport au papillon est correct.
Guillaume Darding [administrateur]

17 septembre 2020 à 23h38

Bonjour Sorin et merci pour votre retour d'expérience.

Je pense qu'il faudrait regarder la position du papillon à des vitesses plus faibles (entre 30 et 70 km/h). D'autre part, il peut y avoir un certains nombre de raisons (température d'air extérieure trop élevée ou trop basse, température des systèmes de dépollution trop faible,...) qui peuvent pousser le moteur à basculer en mode de combustion classique plutôt qu'en SPCCI... et on ne peut pas exclure non plus que le discours de Mazda soit un peu optimiste !
SorinP

18 septembre 2020 à 08h54

Bonjour Guillaume, et merci pour votre réponse.
Conformément à l'indication du bord, le moteur tourne quasi tout le temps en mode SPCCI, sauf au relenti ou à 100% charge, y compris quand le moteur est froid.
Bonne idée, je vais refaire le test à 50 et 70km/h, après avoir bien chauffé le moteur, et je reviens vers vous.
SorinP

20 septembre 2020 à 09h46

Bonjour Guillaume,
Comme promis, je reviens avec plus de résultats. Apres avoir réussi à lire les valeurs de lambda fiables, je confirme qu'il y a des situations quand le moteur tourne en régime lean, avec lambda entre 1.4 et 1.91. La vitesse dois rester inferieure à 90km/h et j'ai réussi ça seulement sut le régulateur de vitesse. Dans ces situation l'ECU ouvre effectivement plus le papillon et laisse passer plus d'air, mais par contre "largement ouvert la plupart du temps" est un peu optimiste, comme Guillaume dit.
Guillaume Darding [administrateur]

21 septembre 2020 à 22h48

Bonjour Sorin, merci beaucoup pour votre retour d'expérience et le partage de vos données !
Georges G

09 octobre 2020 à 00h37

Bonjour à tous, et merci pour ces échanges très instructifs,
J'envisage l'achat d'un CX30 180CV, et je me demande si la particularité de ce moteur, en particulier en raison du taux de compression, lui permet de recevoir une adaptation au carburant E85 ?
Guillaume Darding [administrateur]

12 octobre 2020 à 22h18

Bonjour Georges,

je ne recommenderai pas vraiment d'essayer une adaptation à l'E85 sur ce moteur. Dans le meilleur des cas, le moteur ne fonctionnera jamais en mode SPCCI, ce qui risque d'avoir des incidences sur la consommation, mais je crains quand même que, du fait du taux de compression élevé, le moteur risque surtout de se mettre en mode dégradé et de ne pas fonctionner normalement, que ce soit à l'aide du reprogrammation ou de l'ajout d'un boîtier.

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Commentaires
Pascal29 à propos de l'article «Présentation moteur: Ford 1.0l Ecoboost»

Avant-hier

D'après le site ci après, il fait 240 nm : https://www.moteurnature.com/actu/2020/ford-puma-ecoboost-hybrid-essai-detaille.php

Berkut à propos de l'article «Présentation moteur: Ford 1.0l Ecoboost»

Avant-hier

Bonjour Guillaume, très intéressant ce site ! J'aimerais avoir ton avis : Je suis intéressé par le PUMA pour un usage "gros rouleur", et donc jusqu'ici diéséliste, mais le MHEV-essence m'intrigue. Ce que je trouve "inconsistant", c'est que le configurateur Ford fait état de 93kW-210nm pour le 125 (c'est à dire puissance inchangée, mais couple augmenté de 40 N.m grâce à la micro-hybridation, comme on peut lire un peu partout), par contre le 155PS verrait bien sa puissance augmentée (turbo plus gros ai-je cru lire, et injection en conséquence), mais le couple serait inférieur, donné pour 190 N.m "seulement"). On n'aurait donc que 20 N.m de plus que le 125 "stock", que j'attribuerais (?) d'ailleurs plutôt au fonctionnement à plus haute pression (culasse renforcée je crois), aucun bénef d'hybridation donc ? Ou alors serait-ce que le turbo a trop d'inertie à bas régime sur le 155 pour vraiment gaver là où celui du 125 travaille déjà (et donc la MH fait ce qu'elle peut pour compenser ?). D'ailleurs les conso et émissions de CO2 en cycle mixte sont les mêmes. En tout état de cause, le Diesel 4cylindres non hybridé à 120cv explose tout ça avec 285 N.m, et comme le réservoir est petit en plus (43l contre 55 pour 50 donnés sur mon Duster-déjà pas gras), ça fait revenir moins souvent à la pompe....Consomme moins, émet moins de CO2, sinon S&S pareil. Juste Crit'air 2 contre 1 pour tous les modèles essence, mais j'habite une petite ville où ce n'est pas facteur, et je me rends rarement dans la grande ville à 20km où ça pourrait devenir un problème....un jour...peut-être...

Juju à propos de l'article «Essai: pneus Michelin CrossClimate»

Il y a 3 jours

J'ai testé les crossclimate sur une C5 tourner sur le train AR à l'année. C'est un excellent complement des 2 jantes en pneus neiges que je montais l'hiver à l'avant. Le grip est très bon quel que soit les conditions et il y a bien qu'en conduite ultra sportive par très forte chaleur que j'ai réussi à prendre en défaut ces pneus. Le gros avantage des ce pneu est d'avoir le flocon et donc d'être accepté lorsqu'on roule comme moi souvent en Suisse l'hiver. J'envisage d'ailleurs de monter les CC2 sur ma 308sw quand le train d'origine sera fini. Attention, il faut rester conscient des limites, ça ne remplace pas un train de vrai pneu neige quand on est dans la tourmente mais il fait très bien le job pour celui qui roule très occasionnellement sur route enneigée.

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