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 35 commentaires):

Smallfilou

23 février 2021 à 09h45

Bonjour Guillaume,
Bravo pour vos articles, vraiment toujours au top! La précision de vos infos semble supérieure à ce qu'on peut trouver, même en cherchant bien, chez le constructeur. En plus c'est exprimé de manière claire et compréhensible ! :-)
Une question sur la suralimentation de ce moteur: le compresseur sert à quoi exactement ? Partout on lit que c'est un atmo, légende ?
Guillaume Darding [administrateur]

24 février 2021 à 22h07

Bonjour Smallfilou et merci beaucoup pour tous vos encouragements !

Le compresseur est surtout utilisé pour assurer un bon remplissage en air du cylindre à bas régime (meilleur rendement), plutôt que de suralimenter l'air d'admission pour augmenter la puissance du moteur : il n'est pas dimensionner pour cela. Si on s'en réfère au couple, le couple maximum du Skyactiv-x se rapproche plus de celui d'un moteur atmosphérique (un peu supérieur tout de même) que d'un moteur suralimenté.
JMA

05 avril 2021 à 18h32

Bonjour Guillaume,
peut on dire que ce moteur 180 cv , en raison de son taux de compression élevé (16:1) mais aussi de par son fonctionnement, s'adapterait mieux à un carburant SP98 plutôt qu'un SP95 ?
Bravo pour vos articles très explicites.
Guillaume Darding [administrateur]

05 avril 2021 à 23h48

Bonjour JMA, tout dépend de ce que vous entendez par une meilleure adaptation.
Avec le concours du capteur de pression cylindre, le fonctionnement sera optimal avec l'un ou l'autre carburant.
Quant à savoir si le Skyactiv-X pourrait développer un peu plus de puissance ou de couple avec du SP98, c'est une possibilité car la gestion de la combustion est plus fine qu'habituellement, on peut l'affirmer... mais je pourrais difficilement le confirmer !
fauii

10 avril 2021 à 13h20

Je me joins à 'Smallfilou' pour les félicitations et remercie pour les images agrandissables. Serait-il possible d'indiquer sur une ou deux images les différents composants ''spécifiques'' du moteur X pas faciles à identifier par le profane. Sinon, savez-vous s'il est correct que le moteur à 186cv et 240 Nm a reçu une compression plus basse ainsi qu'un arbre à cames modifié. J'imagine qu'un des objectifs était de lui donner plus de 'punch' mais pourquoi ont-il réduit la compression ce qui semble, à première vue, nuire au mode de combustion diesel ?

Merci d'avance !
Guillaume Darding [administrateur]

10 avril 2021 à 19h42

Bonjour fauii et merci beaucoup pour vos encouragements !

Concernant la nouvelle version du Skyactiv-X, dénommée e-Skyactiv X, le taux de compression a été effectivement réduit à 15:1 contre 16,3:1 (par modification de la forme des pistons). D'autre part, le calage des soupapes à l'admission (par la modification des cames) a été modifié pour réduire les pertes par pompage.

Je pense que Mazda a effectivement cherché à travailler sur le couple à bas régime et que, fort de l'expérience de ce moteur aux Etats-Unis parallèlement (dont le taux de compression était déjà de 15:1 à cause de carburant à octane plus faible outre-Atlantique), Mazda a préféré abaisser le taux de compression (qui reste très élevé pour un moteur essence) et optimiser à la fois la consommation et le caractère tout en faisant quelques compromis avec le mode de fonctionnement SPCCI.

Je vous propose de me contacter par mail (adresse sur la page d'accueil du site) pour m'indiquer avec plus de précisions quelles sont vos attentes concernant l'indication des composants spécifiques.
Misaki033

15 avril 2021 à 16h59

Bonjour super article très intéressant, encore une fois c est tout de même beaucoup de technologie simplement pour répondre aux normes, quand a la consommation par rapport a un moteur atmosphérique de base il y a un petit gain mais qui sera annule tôt ou tard par une logique baisse de fiabilité, car tous ces systèmes ne sont pas éternels. Comme pour les turbos et les fap des concurrents.ce qui n empêche pas que c est a priori un choix judicieux de la part de Mazda, avec un moteur moins creux et qui ne fait pas un bruit de casserole
Guillaume Darding [administrateur]

18 avril 2021 à 22h51

Bonjour Misaki033, merci beaucoup pour vos encouragements !
David T

21 juin 2021 à 15h36

Bonjour Guillaume, sauriez-vous si il y a une vanne EGR et un FAP sur ce Skyactiv X 186cv ?
D'après le carnet d'entretien , les bougies seraient aussi à changer plus tôt (64000 kms) que le Skyactive G (120000kms) peut être à cause du mélange pauvre qui les abimerait ?
La fiabilité à long terme en prendrait relativement un coup...

Merci d'avance !
Guillaume Darding [administrateur]

21 juin 2021 à 21h12

Bonjour David, le Skyactiv-X est effectivement équipé d'un système EGR et d'un filtre à particules (voir le paragraphe au sujet de l'échappement).

Concernant la fréquence plus élevée du changement des bougies pour le Skyactiv-X, elle est surtout due à la présence de l'EGR refroidi par eau (même phénomène pour le Skyactiv-G 2.5 turbo, non commercialisé en Europe) et non au mode de combustion du moteur.

Commentaire:

Nom d'utilisateur :

Adresse mail (non visible) :

Site internet (optionnel) :

Quelle est la forme géométrique du logo utilisé par Renault ?

Réseaux sociaux
Commentaires
Pires à propos de l'article «Présentation moteur: Audi 2.0l TFSI»

Il y a 11 heures

Bonjour, Je dois remplacer les pistons/segmentation/bielle sur mon audi Q5 TFSI 211cv de 2009. ( problème de surconsommation d'huile ). Mon véhicule étant de 2009 (66000 kms) , je n'espere pas de prise en charge d'Audi. J'ai peut être une solution en récupérant le bloc contenant les pièces défaillantes sur un moteur 211cv TFSI de 2019. Pensez- vous que le bloc de 2019 est compatible avec celui de 2009? D'avance merci pour votre aide

Fabalx à propos de l'article «Présentation moteur: Volkswagen 1.5l TSI»

Avant-hier

Bonjour, J'utilise plusieurs véhicules reprogrammés à l'ethanol, une clio et un sportvan. J'ai plus de recul avec la clio (3 ans) et considère que c'est un succes relatif : J'entends que ça fonctionne bien mais il y a un point étrange, je ne surconsomme pas mais je passe un jeu de bougies d'allumage tous les 25000KM. Est ce que le mélange est trop pauvre? Je ne pense pas vu qu'elle démarre même en hiver en e85 tant que je suis dans l'intervalle de 25000km. Si vous avez une opinion sur ce phénomène, je suis preneur de votre science. J'ai maintenant un Sportvan DACA 130CV que j'ai converti il y a de ça presque un an. Je constate toutefois un bruit métallique très discret lorsque la désactivation des cylindres opère depuis la conversion. Il est parfaitement cyclique mais je ne parviens pas à localiser s'il provient des cyclindres ou du turbo car on ne peut pas tester à l'arrêt... Est-ce que vous sauriez si le fait d'avoir modifier l'avance allumage et/ou les temps d'ouverture fermeture d'injecteurs lors de la reprogrammation ethanol peut avoir un impact néfaste sur le fonctionnement de la désactivation des cylindres? Qu'en est-il des reprogrammation incluant une montée en puissance/couple? Un passage au banc indique un passage de 130CH à 175CH identique à celle proposée pour le bloc DADA alors qu'il n'ont pas le même turbo, ni le même ratio de compression, ni les mêmes soupapes, etc... Ne sachant pas toutes ses disparités moteur avant reprogrammation, j'ai peut être fait preuve de candeur en pensant optimiser le réglage en passant au banc. Au final, je ne suis pas capable d'isoler la cause de ce changement de comportement en mode désactivation de cylindres. Est ce que ce bruit serait d'avantage imputable à un excès de gonflette ou bien les lois d'injection pour le E85??? Est-il possible pour un moteur de passer d'un cycle de Miller à un cycle Beau de Rochas par reprogrammation? Pure spéculation de néophite mais je soupsonne l'application d'une cartographie commune pour deux moteurs qui partagent finalement bien peu de chose...

pjmdur à propos de l'article «Technique : batterie Li-ion»

Avant-hier

Merci Guillaume. C'était un peu ma conclusion. Il est difficile de comprendre pourquoi sur mon véhicule, il y a une telle différence d'autonomie réelle sur ces faibles delta de température. Surtout qu'en plus il n'y en a pas trop par construction.

© Guillaume Darding

Mentions légales