Sommer 2017. Mazda ließ eine Bombe in der Autoindustrie platzen. Sie behaupteten, das Biest gezähmt zu haben: einen Benzinmotor mit Selbstzündung, der für Pkw bereit ist. Das Versprechen? Eine Steigerung des Kraftstoffverbrauchs um 20 bis 30 Prozent. Das ist kein Tippfehler. Für einen Benziner ist das ein gewaltiger Sprung.
Bevor Sie dies als Marketing-Füllung abtun, bedenken Sie die Geschichte. Selbstzündung ist nicht neu. Die Formel 1 hat sich damit beschäftigt. Andere Hersteller haben versucht, es straßentauglich zu machen, sind aber gescheitert. Mazdas Skyactiv-X ist anders. Es ist das erste seiner Art, das vom Band läuft.
Jay Chen, Antriebsingenieur bei Mazda, führte uns durch die Mechanik. Um den Durchbruch zu verstehen, müssen Sie die Grundlagen verstehen.
The Spark vs. The Squeeze
Benzinmotoren sind auf Zündkerzen angewiesen. Du kennst die Übung. Im Zylinder vermischen sich Luft und Kraftstoff. Der Stecker zündet. Boom. Verbrennung. Es ist präzise. Es ist zuverlässig. Es funktioniert unter fast allen Bedingungen. Aber es hat Grenzen.
Bei Dieselmotoren gelten andere Regeln. Sie verwenden keine Zündkerzen. Sie verwenden extreme Komprimierung. Die Luft wird so lange komprimiert, bis sie heiß genug ist, um den Kraftstoff bei Kontakt zu entzünden. Kein Funke nötig. Dieser Prozess ist effizienter. Daher erhalten Dieselmotoren oft bessere EPA-Bewertungen als ihre Benziner mit ähnlichen Spezifikationen. Aber Diesel sind schwer. Sie sind teuer. Sie sind nicht gerade sportlich.
Was wäre also, wenn Sie sie kombinieren könnten? Was wäre, wenn Sie Benzin wie einen Diesel auspressen könnten, aber die Leichtigkeit und Reaktionsfähigkeit eines Benzinmotors behalten könnten?
Das ist das Ziel. Höhere Komprimierung bedeutet höhere Effizienz. Mazda hat herausgefunden, wie es geht.
Wie Skyactiv-X funktioniert
Der Motor fängt Abgase im Zylinder ein. Es passt die Steuerzeiten der Einlass- und Auslassventile an, um diese Mischung in Schach zu halten. Dann spritzen die Einspritzdüsen Benzin in dieses hochkomprimierte, heiße Gemisch. Allein der Druck entzündet den Kraftstoff. Für den Hauptverbrennungsvorgang ist keine Zündkerze erforderlich.
Es handelt sich um einen hybriden Ansatz. Es leiht sich das Beste aus beiden Welten.
Es gibt zwei Möglichkeiten, dies zu erreichen. Homogene Kompressionszündung (HCCI) mischt Luft und Kraftstoff vor der Kompression. Benzin-Direktkompressionszündung (GDCI) spritzt Kraftstoff in eine bereits komprimierte Mischung. Mazdas Skyactiv-X verwendet eine Variante von HCCI. Es handelt sich um den ersten serienmäßig hergestellten Motor dieser Art.
Der Haken: Es ist nicht einfach
Die Kompressionszündung in einem Benzinmotor zu erreichen, klingt theoretisch einfach. In der Praxis ist es ein Alptraum an Präzision. Der Motor muss ständig zwischen Fremdzündung und Kompressionszündung umschalten. Bei geringer Last werden Zündkerzen verwendet. Bei höherer Belastung wird auf Selbstzündung umgeschaltet.
In diesem Übergang geschieht die Magie. Und wo die meisten Ingenieure versagt haben.
Warum es wichtig ist
Die Zahlen zum Kraftstoffverbrauch sind gut. Aber Effizienz ist die wahre Geschichte. Durch eine vollständigere Kraftstoffverbrennung verschwenden Sie weniger. Sie erhalten mehr Meilen pro Gallone. Sie reduzieren Emissionen. Mazda gibt eine Verbesserung um 20 bis 30 Prozent an. Wenn das stimmt, verändert das die Landschaft für Motoren mit kleinem Hubraum.
Der Skyactiv-X ist nicht nur ein neuer Motor. Es handelt sich um einen Proof of Concept. Es zeigt, dass die Verbrennungstechnik noch Raum für Innovationen hat. Es stellt die Vorstellung in Frage, dass Dieselmotoren der einzige Weg zu hoher Effizienz seien.
In den nächsten Abschnitten werden wir uns eingehender mit den Vor- und Nachteilen befassen. Wir werden uns die Leistung in der realen Welt ansehen. Wir werden sehen, ob der 20- bis 30-Prozent-Anspruch auf der Straße Bestand hat. Denken Sie vorerst daran: Mazda hat nicht nur einen Motor optimiert. Sie haben die Art und Weise, wie Benzin verbrennt, neu erfunden.
„Das Fehlen eines ‚Funkens‘ trägt dazu bei, dass Dieselmotoren höhere EPA-Bewertungen erreichen als Benzinmotoren mit ansonsten ähnlichen Spezifikationen.“
Diese Verschiebung markiert eine Abkehr von der traditionellen Verbrennungskraftmaschine. Es handelt sich nicht um ein kleines Update. Es ist eine grundlegende Änderung unserer Einstellung zur Kraftstoffverbrennung. Der Skyactiv-X-Motor stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Automobiltechnik dar. Ob es zum Standard wird, bleibt abzuwarten. Aber die Technologie ist da. Und es funktioniert.
Der schmale Grat zwischen Kraft und Explosion
Selbstzündungsmotoren zeichnen sich im Vergleich zu ihren Gegenstücken mit Fremdzündung durch ein ausgeprägtes Effizienzprofil aus. Sie verbrauchen weniger Kraftstoff. Sie wandeln einen größeren Teil dieses Brennstoffs in nutzbare Arbeit um, anstatt ihn als Wärme oder Zündverlust zu verschwenden. Dadurch stoßen sie weniger Schadstoffe aus.
Der Mazda-Antriebsstrangingenieur Jay Chen beschreibt den mechanischen Unterschied mit einer einfachen Analogie. Funkenzündung ist so, als würde man eine Ecke eines Anzündholzes anzünden und beobachten, wie die Flamme über das Papier kriecht. Die Kompressionszündung ähnelt einer Selbstentzündung. Das Luft-Kraftstoff-Gemisch erreicht gleichzeitig einen kritischen Druck und eine kritische Temperatur. Die gesamte Ladung wechselt die Phase auf einmal. Dabei wird schlagartig Energie freigesetzt.
„[Kompressionszündung] kann aus der gleichen Luftmenge mehr Leistung extrahieren, während zwei- bis dreimal weniger Kraftstoff verbraucht wird und die Verbrennungstemperatur viel niedriger ist.“
Theoretisch ist das überlegen. In der Praxis ist es fragil. Diese Motoren sind wählerisch. Wenn sie robust wären, würden wir sie schon fahren.
Dieselkraftstoff geliert bei eisigem Wetter. Benzin bleibt flüssig. Umgebungsbedingungen und Kraftstoffqualität haben großen Einfluss auf die Leistung der Kompressionszündung. Bis vor Kurzem existierten diese Motoren nur in stabilen Laboren oder als grobe Prototypen, die für die Produktion ungeeignet waren.
Die Zylinderumgebung muss präzise sein. Falscher Druck oder falsche Temperatur unterbrechen den Prozess. Bei kalten Temperaturen besteht die Gefahr, dass empfindliche Komponenten beschädigt werden. Hohe Temperaturen verursachen Klopfen. Dies geschieht, wenn die Mischung vorzeitig detoniert. Es verschwendet Kraftstoff und beeinträchtigt die Leistung. Ottomotoren tolerieren eine größere Fehlertoleranz.
Zuverlässigkeit erfordert ein genaues Verhältnis von Luft, Kraftstoff und Abgasen. Die Kompression muss exakt sein. Die Wärmeanwendung muss zeitlich richtig erfolgen. Da noch niemand einen zuverlässigen Selbstzündungs-Benzinmotor gebaut hat, muss das Verfahren noch weiter verfeinert werden.
Die Zukunft der Benzinmotoren
Nach der Ankündigung von Mazda kam es zu heftigen Spekulationen. Würde ein Massenmarkt-Selbstzündungsmotor den Verbrennungsmotor retten? Könnte ein moderner Benzinmotor effizient genug sein, um mithalten zu können, da sich die Branche zunehmend auf Hybrid- und Elektrofahrzeuge konzentriert?
Chen, ein Mazda-Ingenieur, erläutert die Logik. Ziel ist es, jeden Tropfen Effizienz aus dem Verbrennungsmotor herauszuholen. Sobald diese Technologie perfektioniert ist und zusammen mit der Elektrifizierung eingesetzt wird, sollen Antriebsstränge entstehen, die bis weit in dieses Jahrhundert hinein Bestand haben. Die Metrik ist streng. Mazda ist davon überzeugt, dass es die „Well-to-Wheel“-CO2-Emissionen rein batterieelektrischer Fahrzeuge erreichen oder sogar übertreffen kann, selbst wenn diese über Netze mit hohem Anteil an fossilen Brennstoffen geladen werden.
Zusamenfassend. Ein Benzinauto kann genauso effizient sein wie ein Elektroauto. Vielleicht sogar noch mehr. Schauen wir uns an, warum sich dieser Durchbruch von früheren Versuchen unterscheidet.
Frühere Versuche: Saturn, Mercedes und Hyundai
Bereits 2007 testete Motor Trend einen Saturn Aura mit Selbstzündungsmotor. Der Kraftstoffverbrauch sank im Vergleich zum Standardmodell um 15 Prozent. GM plante, bis 2015 ähnliche Fahrzeuge auf den Markt zu bringen. Dann starb Saturn. GM verlagerte den Fokus auf den Chevrolet Volt und rein elektrische Plattformen.
Mercedes-Benz arbeitete an einem System namens DiesOtto. Ford hatte auch ein Projekt. Keiner von beiden schaffte es in die Produktion.
Hyundai bietet eine klarere Erklärung dafür, warum diese Projekte ins Stocken geraten. Ihre Bemühungen tauchten etwa im Jahr 2013 auf. Das Ziel war ein zündkerzenfreier Selbstzündungsmotor. Geplante Veröffentlichung: 2023.
Auf dem Papier vielversprechend. Die Realität wurde im Jahr 2016 hart auf die Probe gestellt.
Die Bauteile waren für die erforderliche Kompression nicht stark genug. Sie können den Block, die Kurbel und die Lager verstärken. So überstehen Dieselmotoren den Druck. Aber es kostet Geld. Es erhöht das Gewicht. Es verringert die Gesamteffizienz.
Hyundai plante den Einsatz eines Turboladers, um die Verdichtung aufrechtzuerhalten und die Leistung zu steigern. Sie erkannten schnell, dass auch ein Kompressor benötigt wurde. Das hat das Budget gesprengt. Schlimmer noch: Der Schadstoffausstoß war nicht annähernd sauber oder effizient wie geplant. Das Projekt wurde verworfen. Es war zu teuer. Zu schmutzig.
Wie Skyactiv-X das Spark-Problem löst
Mazda entwickelt diese Technologie genauso lange wie seine Konkurrenten.
„Skyactiv-X war schon vor der Markteinführung der ersten Skyactiv-Generation in den Plänen“, sagt Chen.
Die Roadmap begann 2009 mit Skyactiv Technology. Der Schlüssel waren unkonventionell hohe Kompressionsverhältnisse. Dies verbesserte die Effizienz und die Leistung des Antriebsstrangs. Es erforderte eine synergetische Kombination vorhandener Techniken. Dinge, die für Serienmotoren für unmöglich gehalten wurden, wurden Wirklichkeit.
Was ist Skyactiv-X? Es ist Mazdas Strategie, die Verdichtung zu steigern, um die Effizienz zu steigern. Aber sie mussten den Prozess optimieren. Sie fügten eine Zündkerze hinzu.
Warum? Der Motor schaltet zwischen Selbstzündung und Fremdzündung um, je nachdem, was gerade am effizientesten ist. Dies scheint den Grundlagen der Hochkomprimierung zu widersprechen. Chen sagt, es funktioniert.
„Dieser Durchbruch, den wir Funkengesteuerte Kompressionszündung (SPCCI) nennen, hat den nutzbaren Bereich des Betriebs und der Steuerung der Kompressionszündung erheblich erweitert“, erklärt Chen. „Es lieferte die Lösung für einen nahtlosen Übergang zwischen den Verbrennungsmodi CI (Kompressionszündung) und SI (Funkenzündung), die bei hohen Motordrehzahlen verwendet werden.“
Die Zündkerze ist die magische Zutat. Es ermöglicht einen ruhigen Lauf. Es passt sich den Bedingungen an. Es wird nur verwendet, wenn es unbedingt notwendig ist.
Der Motor überwacht sich selbst. Es passt den Betrieb an die Umgebungsbedingungen an. Fahrstil. Fahrerpräferenzen. Einstellungen.
Der Supercharger und das Market Timing
Nach der Konzeption der Idee brauchte Mazda weitere zwei Jahre, um den Motor zu entwickeln. Es kam zu einer wichtigen Entscheidung.
Fahrzeuge mit Skyactiv-X-Motoren werden über Kompressoren verfügen. Ziel ist es, die PS-Werte zu steigern. Dadurch verbessert sich die Fahrdynamik. Es hilft, Käufer davon zu überzeugen, bei neuen Technologien ein Risiko einzugehen.
Wann können Autofahrer damit rechnen? Welche Fahrzeuge erstmals ausgerüstet werden, wollte ein Mazda-Sprecher nicht verraten. Verfügbarkeitstermine werden ebenfalls nicht bekannt gegeben.
Wir wissen nicht, ob diese Autos mehr kosten werden als vergleichbare Modelle mit Ottomotor. Spekulationen deuten darauf hin, dass dies der Fall sein wird. Während Mazda als Erster auf den Markt kommt, werden andere Hersteller mit ziemlicher Sicherheit folgen. Das Rennen ist eröffnet.
