Mazda 3 Grand Touring 2016 - Parte 2 - Conducción, consumo, suspensión y descifrando al Skyactiv G.

Enciendo el Mazda3, esta vez me dispongo a hacer una prueba de consumo por lo que pongo en "ceros" el medidor del consumo promedio, antes de hacerlo me indicaba nueve litros cada cien kilómetros, sé que en autopista puedo bajar esa cifra y después de unos pocos kilómetros por Chía tomamos una vía sin apenas tráfico, el medidor empieza a bajar y comienzo a familiarizarme con este Japonés, como lo escribí en la parte anterior este es un carro al que cuesta poco tiempo acostumbrarse, todos los mandos están al alcance de la mano y su uso es muy intuitivo.

Las pocas irregularidades que encuentro en esta vía son filtradas por la suspensión, que es uno de los puntos fuertes del Mazda3 y no porque sea la que más aísla a sus ocupantes, sino por ese equilibrio tan bien logrado entre suavidad y precisión; en esto influye mucho su suspensión trasera de cuyo funcionamiento les haré un ejemplo explicativo más adelante. El punto débil del Mazda3 Grand Touring en cambio está en las llantas de poco perfil, son unas "pegajosas" Toyo Proxes T1 Sport en medida 215/45 R18 con un Treadwear de solo 240, estas llantas se comportan de maravilla mientras el pavimento esté en buen estado pero hacen trabajar de más a la suspensión en los innumerables desperfectos de nuestras vías, si transita en vías con muchos huecos el Mazda3 Touring con sus rines de 16 pulgadas es una mejor opción.

He hecho algunos kilómetros por autopista, el consumo promedio del Mazda 3 se ha estabilizado en unos asombrosos 5,6 litros de gasolina cada 100 Km, ¡esos son 67,6 Km/galón en autopista!!! claro está que fueron condiciones favorables, pero recuerden que es un dos litros con suficiente potencia como para irse a nariz con nariz con una Mercedes-Benz GLK300 en una "prueba de aceleración" en condiciones... ehhh locales.

Algo curioso del Mazda 3 es que entra en modo de "corte de inyección en desaceleración" mucho más fácil y rápido que otros vehículos, casi en cualquier momento que soltaba el acelerador el indicador de consumo instantáneo me mostraba que entraba en este modo de funcionamiento, este modo es en el que gracias a la inercia y si se cumplen ciertas condiciones como tener algún cambio engranado (no funciona en neutro), el motor en temperatura óptima de funcionamiento, ir a más de ciertas rpm (generalmente 1500) y no estar presionando el pedal del acelerador, en ese momento la ECU/ECM ordena apagar los inyectores por lo que no entra gasolina al motor, ahí el consumo de combustible literalmente es cero, algo que no sucedería si fuésemos en neutro pues el motor tendría que inyectar algo de combustible al motor para mantener todo funcionando.

Tal vez el consumo promedio hubiese bajado más de ahí, pero el día que había comenzado nublado ahora estaba soleado y perfecto para unas fotos, así que decidimos detenernos a un lado de la vía donde encontramos el acceso a un nuevo centro comercial el cual no conocí (era eso o seguir en la prueba y estaba disfrutando mucho conduciendo el Japonés), mientras tomábamos algunas fotos conversamos un poco sobre el Mazda, "es mucho mejor que el anterior, yo quiero uno", "la caja es telepática", "el diseño es increíble", la cantidad de adjetivos calificativos fue en aumento hasta que me puse a pensar que no todo era perfecto, había encontrado una característica negativa del Mazda 3: cuando uno accede al motor la varilla que sostiene el capó se calienta demasiado y... bueno, nada más.

Después de la sesión fotográfica volvemos a la carretera, esta vez voy a probar la aceleración, pongo la caja en modo manual y paso de tercera a segunda, la caja automática de seis velocidades es rápida y eficaz tanto al subir como al bajar cambios y lo mejor es que obedece eficientemente a las ordenes del conductor (en GM podrían aprender una o dos cosas de esta caja), la aceleración del Mazda3 es muy lineal desde pocas rpm, por cierto que el vehículo de esta prueba tenía gasolina corriente (81 octanos IAD/AKI) y muy pocos kilómetros (unos 2000), tal vez la razón por la que no me sorprendió tanto como el último que había manejado con gasolina extra y un poco más de kilómetros recorridos, lo cierto es que bajo condiciones controladas el Mazda 3 con motor 2.0 litros y caja automática ha sido medido de 0-60 mph (0-96 Km/h) en 7,6 segundos [1] (7,5 segundos con caja mecánica [2]) y necesitó 15,9 segundos para recorrer el cuarto de milla (16,0 segundos para el mecánico), cifras bastante respetables y suficientes como para dejar atrás a un Civic, Corolla, i35 o Cruze... y si se lo estaban preguntando es muy similar a los tiempos del Focus.

La magia del Skyactiv G

Voy a contarles una breve historia: hace unos años Mazda hacía parte de Ford Motor Company, no hay que ir tan lejos en el tiempo pues el Mazda3 de anterior generación compartía muchas piezas con el Ford Focus; en aquel momento ambos carros gozaban de una excelente reputación siendo importantes actores en su segmento, pero un evento externo influiría en el futuro de Mazda, el efecto de las hipotecas subprime o de alto riesgo; lo que sucedió es que algunos bancos habían realizado préstamos a personas consideradas de "alto riesgo", algunas de estas personas no pudieron cumplir con sus obligaciones financieras y los bancos en un intento desesperado por recuperar parte de su capital se adueñaron de las casas, pero como no eran pocas se vino un efecto cascada, hubo un exceso de oferta y el precio de las casas se fue al piso, esto dio lugar a una de las peores crisis financieras mundiales de los últimos tiempos.

¿Y a qué viene esta historia?, pues que debido a esa crisis, en el año 2008 Ford vendió el 20% de las acciones que poseía de Mazda, así que la empresa de Hiroshima tuvo que desarrollar el nuevo Mazda 3 literalmente desde cero, y eso para una empresa relativamente pequeña como Mazda era una tarea titánica (para que se hagan una idea una empresa como Toyota produce casi diez veces más vehículos al año que Mazda), no solo debían desarrollar un vehículo desde cero sino que este debía ser mejor que el anterior que ya de por sí era uno de los mejores en su segmento, bastante presión sí debía haber.

Luego viene esta pequeña empresa de Hiroshima y presenta un motor de gasolina totalmente revolucionario con una relación de compresión de 14:1, en un mundo donde hace algunos años hablar de una relación de compresión de más de 12:1 en un motor con encendido por chispa (como los de gasolina) eran palabras mayores, una relación de compresión así con la gasolina equivocada y la oda al desastre comenzaría por sonar como un grupo de panderetas tocando una melodía de destrucción de los ringlands de pistón, el acto continuaría con una pérdida de compresión y finalizaría en una ensalada de anillos dentro de los cilindros de motor.

Pero todo esto tiene una justificación pues a mayor relación de compresión también hay una mayor eficiencia del motor, es por esto que a los ingenieros les gusta soñar con relaciones de compresión cada vez más altas hasta que se "chocan" con el factor limitante: la detonación o el cascabeleo (encendido descontrolado de la mezcla aire combustible antes que la bujía la encienda), pues a medida que se incrementa la relación de compresión también se incrementa la presión y la temperatura dentro de la cámara de combustión lo que aumenta las probabilidades de que ocurra el terrible cascabeleo... ¿recuerdan el sonido a pandereta y la ensalada de anillos de pistón?

¿Cómo lo solucionaron?

Lo voy a tratar de explicar de forma sencilla, pero este es un tema que tiene cierto grado de complejidad así que para los más técnicos habrá una respectiva explicación al nivel de lo esperado:

1. Inyección directa estratificada.

Dentro del motor se quema una mezcla de aire y combustible, en los motores de inyección indirecta esta mezcla se forma antes de entrar al motor por lo que cuando ingresa ya es "explosiva" y si se encuentra con un "punto caliente" o un punto de alta presión se puede producir ignición antes que la bujía encienda la mezcla, este efecto se conoce como detonación o "cascabeleo", cuando esto sucede las dos explosiones chocan entre sí reduciendo la potencia, aumentando la temperatura y causando graves daños al motor (sonido a pandereta, ensalada de anillos).

En un motor con inyección directa entra el aire primero y el combustible es inyectado en una zona donde es menos probable que detone, además que refrigera la mezcla aire-combustible lo que también ayuda a reducir la detonación.

Explicación técnica

Para esta explicación técnica, dejo un aparte de un excelente libro llamado Design and Simulation of Four Stroke Engines, de Gordon P. Blair, donde el autor explica muy bien por qué los motores con inyección directa pueden tener relaciones de compresión más altas [3]:

Los motores de combustión interna de encendido por chispa, queman una mezcla homogénea. La mezcla aire-combustible entra al cilindro a través del múltiple/colector de admisión con una parte del combustible ya vaporizado mientras se encuentra en el múltiple, o cerca de la válvula de admisión más caliente. La superficie del múltiple tiende a estar más caliente cuanto más cerca se encuentra de la culata. El resto de la gasolina en estado líquido se vaporiza durante el tiempo de admisión y compresión, entonces en el momento en que salta la chispa, la cámara de combustión está llena con una mezcla de aire-combustible y gases de escape residuales, está mezcla se encuentra uniformemente distribuida en toda la cámara de combustión. Esto es conocido como proceso de combustión homogénea y es propia de motores con inyección indirecta.

"Si el combustible se suministra a la cámara de combustión por otros medios, como un sistema de inyección directa, todo el proceso de vaporización del combustible ocurre durante el tiempo de compresión. En este caso, ocurre que al comienzo de la ignición, existen zonas en la cámara de combustión en las cuales hay diferentes proporciones de aire-combustible. Esto es conocido como combustión con mezcla estratificada..."

También es posible utilizar la carga estratificada para reducir la detonación o cascabeleo. Si las extremidades de la cámara de combustión sólo contienen aire, o una mezcla muy pobre, entonces existe la posibilidad de aumentar la eficiencia térmica al aumentar la relación de compresión, mientras baja la probabilidad de que ocurra detonación. La mezcla en los extremos de la cámara no pueden detonar si estos no contienen combustible.

2. Ciclo Otto-Atkinson.

Los motores de ciclo Otto tienen cuatro tiempos: Admisión (cuando entra la mezcla aire-combustible), Compresión (cuando esta mezcla se comprime dentro de los cilindros), explosión/potencia (cuando la mezcla se enciende y se genera una explosión) y Expuslión/escape (cuando los gases residuales de escape son expulsados de los cilindros a través de las válvulas de escape).

En un motor de ciclo Atkinson todo es muy similar excepto porque la carrera de compresión se reduce con respecto a la carrera de expulsión/escape, esto se logra retrasando el momento de cierre de la válvula de admisión (RCA), así que mientras en un motor Otto la mezcla aire-combustible se comienza a comprimir apenas el pistón comienza la carrera ascendente, en un motor de ciclo Atkinson se comienza a comprimir la mezcla cuando la válvula de admisión se cierra, esto genera que la relación de compresión efectiva es menor que la relación de compresión teórica. 

Los árboles de levas de admisión y escape cuentan con un sistema de tiempo variable, el cual puede variar el momento en que abren y cierran las válvulas.

Los motores de ciclo Atkinson tienen ventaja en cuando a eficiencia en el consumo de combustible, pero comparándolos con los motores de ciclo Otto pierden en cuanto a la potencia que pueden producir; hoy en día y gracias a los sistemas de tiempo variable de apertura de válvulas el Skyactiv G puede combinar lo mejor de ambos mundos, en cargas bajas y en marcha mínima el motor funciona similar a un Atkinson, pero cuando se requiere potencia o aumenta la carga del motor este funciona como un ciclo Otto; esto lo logra gracias a un rango de 70 grados de variación en el tiempo de apertura de válvulas.

3. Múltiple/colector de escape 4:2:1 con un diseño específico.

Las altas temperaturas en la cámara de combustión aumentan las probabilidades de detonación/cascabeleo, uno de los causantes de esta temperatura son los gases de escape residuales (esos que quedan de la combustión anterior) y que no pueden ser expulsados completamente o que pueden llegar hasta otro cilindro debido al traslape u overlap de válvulas de admisión y escape (ese breve periodo en que la válvula de escape no se ha terminado de cerrar pero la de admisión ya ha comenzado a abrirse y ambas permanecen abiertas a la vez). 

Múltiple/colector de escape de un motor Skyactiv G, del bloque de motor salen cuatro tubos que luego se unen en pares y al final se unen en un solo tubo, a esta disposición se le llama 4:2:1.

Los ingenieros de Mazda han diseñado un colector de escape de tipo 4:2:1 (en vez del diseño más tradicional 4:1) lo han hecho con ductos más largos para que los gases residuales de escape no puedan llegar hasta otro cilindro, esto ayuda a reducir la temperatura en las cámaras de combustión. En la siguiente imagen se puede apreciar que con un múltiple/colector de escape corto, los gases residuales de escape pueden viajar desde el cilindro 3 (en tiempo de escape) hasta el cilindro 1 (en tiempo de admisión), en el segundo ejemplo vemos la solución dada por Mazda y se aprecia que a los gases residuales les tomaría más tiempo alcanzar el cilindro 1 desde el cilindro 3. Este diseño también mejora el efecto de "scavenging" (lo expliqué aquí), en el cual los gases de escape de cada cilindro que viajan a través de la tubería succionan los gases de escape que vienen detrás de ellos (los del siguiente cilindro en tiempo de escape).

La siguiente gráfica muestra que aunque un motor con una relación de compresión (RC) de 14:1 tiene una temperatura mayor en la cámara de combustión que un motor con RC de 11:1, si se reduce el porcentaje de gases residuales de escape en cuatro puntos porcentuales, se puede obtener en un motor con RC de 14:1 una temperatura en la cámara de combustión similar a la de un motor con RC de 11:1, lo que reduce considerablemente la propensión a la detonación.

Y aunque este tipo de colectores/múltiples de escape han sido usados durante años en el mundo de las competencias y de los preparadores de motores, en cambio no son muy usados en los vehículos de calle, no solo porque son más costosos de producir (y cada vez que un ingeniero propone uno así los encargados de costos saltan de sus tablas de Excel puestos y ponen el grito en el cielo), también es porque este recorrido más largo hace que los catalizadores queden más retirados del bloque de motor lo cual aumenta el tiempo para que estos elementos alcancen su temperatura óptima de funcionamiento y esto es algo que cualquier fabricante quiere evitar.

Este nuevo inconveniente fue solucionado al retrasar unos grados el momento en que salta la chispa de encendido, lo que aumenta la temperatura de los gases de escape pero que a su vez tiene otro inconveniente y es una combustión inestable, así que para solucionar este problema recurrieron a la magia de la inyección directa y a un diseño de cabeza de pistón la cual tiene una cavidad que evita que el frente de llama toque el pistón lo que haría la combustión más lenta y aumentaría el riesgo de detonación.

En la imagen de la izquierda y arriba se observa un diseño de pistón de cabeza plana con una relación de compresión de 11,2, en la parte inferior se observa que al aumentar la relación de compresión hasta 15,0:1 el volumen de la cámara se reduce y el frente de llama se choca más rápido contra la cabeza del pistón lo que reduce su velocidad y aumenta las probabilidades de detonación; la imagen de la derecha muestra el diseño de pistón usado por Mazda en el motor Skyactiv G, aquí el frente de llama no se choca contra la cabeza del pistón y para cuando este ha crecido lo suficiente el pistón ya habrá descendido en su carrera de expansión.

A ver a ver... recapitulando: en Mazda subieron la relación de compresión para mejorar la eficiencia pero esto aumentaba el problema del cascabeleo, así que para solucionar el cascabeleo usaron un diseño de múltiple de escape que evitaba que los gases residudales de escape volvieran a otro cilindro pero que no ayudaba a calentar rápido el catalizador, así que para solucionar esto retrasaron la chispa de encendido lo que aumentaba la temperatura de los gases de escape pero que a la vez causaba una combustión inestable, así que para solucionar esto recurrieron a un nuevo diseño de pistón usado en conjunto con la inyección directa y afortunadamente esto no causó otro problema más, el ciclo estaba cerrado.

¿Al final todo esto es suficiente como para usar gasolina corriente en Colombia?

Mazda promociona sus motores Skyactiv G como diseñados para usar gasolina corriente en Colombia, esta afirmación hay que tomarla con pinzas y voy a dejarles unos hechos que no les contarán en alguna sala de ventas de Mazda; cuando Mazda presentó este motor para el mercado Europeo y Japonés con una relación de compresión de 14:1, allá el 2.0 litros tiene una potencia declara de 165 CV (123,04 kW en unidades del Sistema Internacional), cuando el Mazda 3 "cruzó el charco" y llegó a América su motor tuvo una reducción en la relación de compresión a 13:1 (desde los 14:1 originales), debido a esto perdió algo de potencia que ahora se quedaba en 155 HP (115,6 kW*), pero también perdió torque y su consumo se vio levemente afectado.
*Nota del Autor: Debido a que la potencia expresada en CV (caballos vapor) no es exactamente equivalente a la expresada en HP (Horse Power) realizo la equivalencia respectiva en kW.

Esto sucedió así debido a que la mayoría de los países Europeos cuentan con gasolina "regular" o "corriente" de 95 RON y con gasolina "premium" o "extra" de 98 (inclusive la Aral Ultimate en Alemania tiene 102 RON), en cambio en los Estados Unidos y México la "regular" tiene 87 octanos AKI (unos 92 RON) y la "premium" 91 AKI (unos 95 RON), la mayoría de gasolinas del continente son similares o mejores a las de Estados Unidos excepto en... adivinen... ¡Colombia!

Gasolina disponible en Alemania, 95, 98 y 102 octanos.

Aquí según datos oficiales de Ecopetrol la gasolina corriente tiene 81 octanos AKI [4], mientras que la gasolina "extra" (aquí valen más esas comillas) o "premium" solo tiene 87 octanos AKI [5], es decir lo mismo que la "regular" de Estados Unidos o México. Entonces si cuando el Skyactiv G tuvo que adaptarse a la gasolina de 87 octanos AKI del continente requirió una reducción en la relación de compresión así como una consecuente pérdida de potencia, no es de extrañar que con la gasolina "regular" o "corriente" de Colombia de 81 octanos este motor tenga una importante pérdida de rendimiento, por lo que difícilmente un Mazda con motor Skyactiv G deba ser usado con gasolina corriente en Colombia, de nuevo esto hará parte de una campaña de mercadeo que seguramente tendrá al límite todos los sistemas de protección contra detonación del motor, ¿cascabelea?... no, así que en teoría puede funcionar con esta gasolina, pero en teoría también ud. puede vivir con un solo riñón.

Suspensión trasera de tipo independiente del Mazda 3 Skyactiv.

Las ventajas de la suspensión independiente.
La suspensión independiente es ventajosa porque este tipo de mecanismo permite controlar de manera precisa el movimiento relativo entre las llantas y la carrocería, pero esto no dice mucho y puede que dé lugar a confusiones, así que para explicarlo mejor he creado unos diagramas cinemáticos y unas simulaciones de movimiento usando software CAD, pero primero les voy a explicar cuál es mi "rollo" contra las suspensiones de eje rígido o rueda tirada y la respuesta es muy sencilla: primero solo tienen un centro de rotación que para mayor desgracia está en sentido longitudinal a la marcha y cuyo eje de articulación también se inclina en las curvas por lo que la llanta va a terminar por no apoyarse completamente lo que a su vez va a reducir notablemente la estabilidad del vehículo; y segundo no se puede variar la caída o camber según el recorrido de la suspensión.

Suspensión de eje rígido o rueda tirada unida por un brazo torsional,

En la siguiente imagen tomada de Km77.com [6] se puede apreciar el efecto que se produce al tomar una curva con este tipo de suspensión, cuando la llanta se comprime el camber o caída se torna positivo, la llanta resulta apoyándose con una menor superficie y la estabilidad del vehículo se ve comprometida, ¿ventajas?, es más barata y ocupa menos espacio.

En una suspensión de tipo independiente los elementos de unión están ubicados en forma transversal a la marcha, la caída o camber puede variarse y controlarse de acuerdo a las necesidades de quien la esté diseñando; esta es una de las ventajas de los mecanismos de cuatro barras (una forma de simplificar este tipo de suspensión), a continuación pueden encontrar un diagrama cinemático de un mecanismo de cuatro barras en el cual se pueden apreciar tres posiciones de la misma suspensión, en los tres casos he resaltado el Centro Instantáneo de Rotación o CIR y se darán cuenta que varía de acuerdo a la posición relativa entre las ruedas y el chasis, si sonó un poco complicado lo que necesitan saber es que gracias a esto la llanta siempre estará apoyada de una forma óptima.

Diagrama cinemático de un mecanismo de suspensión de tipo "cuatro barras", en el cual la suspensión se comprime, por ejemplo al tomar una curva esta sería la posición que adoptarían las llantas que se ubican en la parte exterior de la curva.

En este caso la barra AD y la barra BC serían los brazos de la suspensión (CD sería la portamangueta que sostiene la llanta), los cuales y de acuerdo a su movimiento serían manivelas si asumimos el movimiento relativo de estas barras respecto al chasis del vehículo (AB), sin embargo el chasis también se inclina en las curvas y debido a esto la geometría de la suspensión varía respecto al suelo. Al final podemos observar que medida que varía el recorrido de la suspensión así mismo varía el centro instantáneo de rotación de todo el sistema, algo que no sucedería en una suspensión de tipo "eje rígido".

Diagrama cinemático de un mecanismo de suspensión de tipo "cuatro barras", en el cual la suspensión está en reposo, por ejemplo cuando el vehículo se desplaza en línea recta a velocidad constante sobre una superficie plana.

Diagrama cinemático de un mecanismo de suspensión de tipo "cuatro barras", en el cual la suspensión se extiende, por ejemplo al tomar una curva esta sería la posición que adoptarían las llantas que se ubican en la parte interiorde la curva.

Aquí les dejo una breve simulación del movimiento:

Al final mi conclusión es que aquí está el mejor interior, un motor avanzado tecnológicamente, potente y económico en combustible, una suspensión bien desarrollada y puesta a punto, una aerodinámica bien estudiada con un resultado asombroso, un nivel de seguridad de los más altos del segmento (excepto el Prime, no compren el Prime), un diseño llamativo y un precio contenido así que solo me resta decir: Mazda 3 Skyactiv el mejor carro en su gama, larga vida al nuevo rey.

Pero... ¿cuál me compro?... Aquí algunas diferencias importantes en la gama.

BIBLIOGRAFÍA

[1] 2014 Honda Civic EX-L vs. 2014 Kia Forte EX, 2014 Mazda 3 i Touring, 2014 Toyota Corolla S, 2014 Volkswagen Jetta SE - Comparison Tests Page 7. CAR AND DRIVER. [Citado el 14 de Febrero de 2016] Disponible en <http://www.caranddriver.com/comparisons/2014-honda-civic-ex-l-vs-2014-kia-forte-ex-2014-mazda-3-i-touring-2014-toyota-corolla-s-2014-volkswagen-jetta-se-comparison-test>

[2] 2016 Mazda 3 60-second review. CAR AND DRIVER. [Citado el 14 de Febrero de 2016] Disponible en <http://www.caranddriver.com/reviews/2016-mazda-3-60-second-review-video>

[3] GORDON P. Blair. DESIGN and SIMULATION of FOUR-STROKE ENGINES. Primera Edición. Warrendale, PA 15096-0001 USA: SAE, 1999. Página 412. ISBN: 0-7680-0440-3. 

[4] Gasolina motor regular. ECOPETROL [Citado el 21 de Febrero de 2016] Disponible en <http://www.ecopetrol.com.co/especiales/Catalogo_de_Productos/Combustibles1.html>

[5] Gasolina motor estra. ECOPETROL [Citado el 21 de Febrero de 2016] Disponible en <http://www.ecopetrol.com.co/especiales/Catalogo_de_Productos/Combustibles2.html>

[6] Tipos de suspensión independiente. KM77. [Citado el 21 de Febrero de 2016] Disponible en <http://www.km77.com/tecnica/bastidor/clasificacion-suspension/t03.asp>