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 18 commentaires):

Cam cam

20 février 2020 à 17h24

Merci pour votre retour Guillaume.

Je comprends mieux maintenant.

- On a un mélange TRES pauvre donc l'air refroidit en partie la température.

- Avec le sky-activ X, la pré-injection nous permet d'être homogène ce qui n'est pas le cas du mode stratéfié comme sur les moteurs TSI de Volkswagen. Je vais d'ailleurs m'empresser de lire votre article sur ce moteur-là.
Scotch

21 février 2020 à 00h29

bonjour

Article très intéressant.
J’ai des doutes sur le réel impact de ce type de combustion au regard de toutes les autres technologies comprises sur ce moteur et non-citées.

Le taux de compression statique de 16,3 à 1 ne veut rien dire sans parler de la loi de distribution, surtout de la gestion de la RFA par le déphasage des AAC.
Si le retard à la fermeture d’admission est grande, le taux de compression dynamique n’est pas très élevé. C’est le cycle d’Atkinson.
Cela sous-entend un remplissage inférieur, une pression plus élevée dans le plénum donc moins de pertes par pompage et un taux de détente plus grand que le taux de compression permettant une meilleure transformation de la pression de combustion en énergie mécanique transmise au piston.
Rappel les pertes par pompage d’un moteur essence sont la principale raison de la différence de rendement et de consommation de celui-ci par rapport à un moteur diesel.
D’après cet article le papillon est en majeur partie ouvert donc cela annule presque toutes les pertes par pompage.

La perte de puissance lié au manque de remplissage dû à la grande RFA est compensée par un compresseur mécanique. Un turbo serait inutile puisque la pression de combustion est mieux exploité par ce cycle d’atkinson n’est plus suffisante pour alimenter une turbine de turbo.
En gros c’est un moteur miller. Comment est géré la charge sur ce moteur? Uniquement par le papillon? Par la quantité de carburant comme un moteur diesel? Par le compresseur débrayable ???

Ce mode de combustion semi hétérogène par injection directe est émetteur de particules d’où l’apparition de filtres à particules sur des véhicules essence à injection directe.
A cela on y ajoute un EGR basse pression permettant d’injecter un gaz neutre dans cette combustion, et ainsi diminuer la température de combustion, retarder l’apparition du cliquetis dû au mélange pauvre, mais source de particules dû aux «gouttes» de carburant imbrûlés. Je ne sais pas si le CO2 est moins toxique que des particules, mais que ce soit du carbone en gaz ou que ce soit du carbone en particules cela reste du carbone. Tout dépend de la loi ou de la norme que l’on veut respecter. Rappel, la régénération d’un FAP libère énormément de particules mais n’est pas mesuré ou pris en compte dans les cycles d’homologation.

À cela on y ajoute une micro hybridation.

Mazda a eu le talent de réunir toutes ces technologies connues sur un seul moteur. Mais j’espère me tromper en disant qu’il y a une grosse partie de marketing autour de ce mode de combustion. J’aimerais avoir davantage d’explications sur ce concept de la part de Mazda car leur vidéo et leur écris restent floues et j’aimerais avoir tort.
En tout cas merci pour ces infos.
À bientôt
Scotch
Guillaume Darding [administrateur]

21 février 2020 à 09h56

Bonjour Scotch et merci pour vos encouragements !

Concernant le taux de compression, c'est une donnée très importante dans la conception d'un moteur et le taux de compression effectif (du au retard de la fermeture des soupapes à l'admission) n'en est qu'une conséquence. Le fait d'avoir un taux de compression élevé vous donne la possibilité de basculer vers des modes de fonctionnement permettant la réduction des pertes par pompage (le cycle Atkinson comme vous l'évoquez, par exemple). Si, dans une conception moteur, on part avec un taux de compression faible, il n'y aura que peu de marge de manoeuvre sur ce critère-là.

La charge moteur est gérée, autant que faire se peut, par le taux d'EGR (interne et externe) et la quantité de carburant injecté, le compresseur vient en renfort pour assurer un bon remplissage des cylindres et le papillon reste ouvert au maximum : c'est le mode de fonctionnement privilégié dans la zone SPCCI.

En dehors de cette zone, le papillon va moduler la quantité d'air admise. Considérant que le moteur fonctionne en mode "classique" principalement à haut régime et/ou à forte charge, on peut en déduire que le papillon reste de toute façon assez largement ouvert et que les pertes induites par cet organe restent limitées.

Le compresseur est débrayable car au-delà d'un certain régime moteur, il consomme beaucoup de puissance moteur (le compresseur est entraîné par le vilebrequin) et il est donc préférable de le désactiver. L'embrayage n'est donc pas utilisé pour moduler la pression de suralimentation.
boudabar

01 mars 2020 à 18h11

Tres belle presentation ! Tres precise et tres explicite.
juste une petite question. Pour ce type de moteur, est il preferable d'utiliser du SP95 ou SP98. ?
Guillaume Darding [administrateur]

04 mars 2020 à 15h46

Bonjour boudabar, pour ma part, je ne conseille pas particulièrement l'un ou l'autre carburant.
En théorie, le SP98 peut apporter quelques bénéfices (additifs supplémentaires, réduction de la consommation). Dans les faits, ce n'est pas forcément flagrant (cela peut varier d'un moteur à l'autre).

Si vous voulez évaluer les éventuels bienfaits du SP98, je vous conseille de faire 3 ou 4 pleins d'affilée avec ce carburant. Si, au dernier plein, vous constatez une baisse substantielle de la consommation (de nature à compenser la différence de prix entre les 2 carburants) et/ou un léger changement de tonalité de votre moteur, alors le SP98 peut être bénéfique.
Vincent_D

11 mars 2020 à 17h19

Bonjour Guillaume,

Merci pour cet article, et de manière générale pour l'ensemble de votre travail sur vos écrits.

Après ma lecture, je m'interroge cependant sur la durabilité de ce bloc Skyactiv-X, comparativement à un diesel. Si le SKyactiv-X fonctionne en mélange - très - pauvre la majorité du temps, la complexité du bloc n'entraine-t-elle pas une baisse de la fiabilité / durabilité du bloc moteur ?

un 2L diesel peut - correctement entretenu et sans conduite en ville excessive - "vivre" plusieurs centaine de millier de km. A l'inverse, les blocs essence sont réputés avoir une durée de vie inférieure (et/ou avec des frais de maintenance importants).

Le combo essence + technicité du bloc n'est-elle pas de nature à amener une durée de vie plus proche d'un petit bloc essence downsizé fragile que d'un gros diesel "à l'ancienne" ? (et ce malgré la réputation de fiabilité de Mazda).

Merci encore pour vos articles,

Vincent
Guillaume Darding [administrateur]

12 mars 2020 à 10h08

Bonjour Vincent et merci pour vos encouragements !

C'est difficile de statuer concernant la fiabilité de ce moteur. Certes, Mazda a une excellente réputation sur ce point et le constructeur a prouvé une bonne maîtrise des taux de compression élevée sur les moteurs Skyactiv-G, mais on n'est jamais a l'abri d'une erreur de conception... seul l'avenir nous le dira !
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.

Commentaire:

Nom d'utilisateur:

Adresse mail (non visible):

Site internet (optionnel):

Quelle est la forme géométrique du logo utilisé par Renault?

Réseaux sociaux
Commentaires
Guillaume Darding à propos de l'article «Présentation moteur: 2.0l diesel Mercedes OM 654»

Il y a 4 heures

Bonjour pjmdur, le GLA 200d est effectivement pourvu du OM654 présenté dans cet article avec quelques modifications d'importance : dans l'article, les photos font référence à un moteur monté longitudinalement tandis que le GLA a un moteur en position transversale. Il utilise donc la variante OM654 Q (Q provenant de quer - transversal en allemand). Nombre de composants ont été repositionnés sur le moteur / modifiés pour s'adapter à l'architecture transversale (afin de minimiser la hauteur sous capot et garantir une bonne protection en cas de choc piéton) mais les fonctionnalités sont identiques. D'autre part, par rapport à la version décrite dans l'article, un second SCR (similaire à la SCR box qui était présente dans le cas du OM651) a été ajouté afin de satisfaire aux dernières évolutions des normes Euro 6 (tests en conditions de conduite réelles RDE en particulier). A noter que cette évolution concerne aussi les OM654 montés longitudinalement.

pjmdur à propos de l'article «Présentation moteur: 2.0l diesel Mercedes OM 654»

Hier

Bonjour Guillaume. Je m'intéresse à ce moteur 2L qui apparaît en puissance 150CV sur les derniers GLA. Il est parfois difficile de s'y retrouver dans toutes les versions. S'agit-il d'une évolution du moteur dont il est question dans cet article? Cordialement.

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

Avant-hier

Bonjour Virginie, merci beaucoup pour votre retour d'expérience !

© Guillaume Darding

Mentions légales