Zomer 2017. Mazda liet een bom vallen in de auto-industrie. Ze beweerden het beest te hebben getemd: een benzinemotor met compressieontsteking, klaar voor personenauto’s. De belofte? Een sprong van 20 tot 30 procent in het brandstofverbruik. Dat is geen typfout. Voor een benzinemotor is dat een enorme sprong.
Voordat u dit afdoet als marketingpluis, moet u eerst eens kijken naar de geschiedenis. Compressieontsteking is niet nieuw. De Formule 1 heeft zich ermee bemoeid. Andere fabrikanten hebben geprobeerd het levensvatbaar te maken voor de straat, maar zijn er niet in geslaagd. Mazda’s Skyactiv-X is anders. Het is de eerste in zijn soort die op de productielijn terechtkomt.
Jay Chen, een aandrijflijningenieur bij Mazda, leidde ons door de mechanica. Om de doorbraak te begrijpen, moet je de basis begrijpen.
De vonk versus de knijp
Benzinemotoren zijn afhankelijk van bougies. Je kent de oefening. Lucht- en brandstofmengsel in de cilinder. De stekker brandt. Boom. Verbranding. Het is nauwkeurig. Het is betrouwbaar. Het werkt in bijna alle omstandigheden. Maar het heeft grenzen.
Dieselmotoren spelen volgens verschillende regels. Ze gebruiken geen bougies. Ze gebruiken extreme compressie. De lucht wordt samengedrukt totdat deze heet genoeg wordt om de brandstof bij contact te ontsteken. Geen vonk nodig. Dit proces is efficiënter. Daarom krijgen diesels vaak betere EPA-beoordelingen dan hun tegenhangers op gas met vergelijkbare specificaties. Maar diesels zijn zwaar. Ze zijn duur. Ze zijn niet bepaald sportief.
Dus wat als je ze zou kunnen combineren? Wat als je benzine zou kunnen uitpersen als een diesel, maar de lichtheid en het reactievermogen van een benzinemotor zou kunnen behouden?
Dat is het doel. Hogere compressie staat gelijk aan een hoger rendement. Mazda heeft ontdekt hoe het moet.
Hoe Skyactiv-X werkt
De motor vangt uitlaatgassen op in de cilinder. Het past de timing van de inlaat- en uitlaatkleppen aan om deze mix binnen de perken te houden. Vervolgens spuiten de brandstofinjectoren benzine in dit sterk gecomprimeerde, hete mengsel. Alleen al de druk doet de brandstof ontbranden. Er is geen bougie vereist voor de hoofdverbranding.
Het is een hybride aanpak. Het leent de beste delen van beide werelden.
Er zijn twee manieren om dit te bereiken. Homogene Charge Compression Ignition (HCCI) mengt lucht en brandstof vóór compressie. Benzine Direct Compression Ignition (GDCI) spuit brandstof in een reeds gecomprimeerd mengsel. Mazda’s Skyactiv-X maakt gebruik van een variant van HCCI. Het is de eerste in massa geproduceerde motor van dit type.
Het addertje onder het gras: het is niet eenvoudig
Het bereiken van compressieontsteking in een benzinemotor klinkt in theorie eenvoudig. In de praktijk is het een nachtmerrie van precisie. De motor moet voortdurend schakelen tussen vonkontsteking en compressieontsteking. Bij lage belasting worden bougies gebruikt. Bij hogere belastingen schakelt hij over op compressieontsteking.
Deze transitie is waar de magie gebeurt. En waar de meeste ingenieurs hebben gefaald.
Waarom het ertoe doet
Cijfers over het brandstofverbruik zijn aardig. Maar efficiëntie is het echte verhaal. Door de brandstof vollediger te verbranden, verspilt u minder. Je krijgt meer kilometers per gallon. Je vermindert de uitstoot. Mazda claimt een verbetering van 20 tot 30 procent. Als dat waar is, verandert dat het landschap voor motoren met een kleine cilinderinhoud.
De Skyactiv-X is niet zomaar een nieuwe motor. Het is een proof-of-concept. Het laat zien dat de verbrandingstechniek nog steeds ruimte biedt voor innovatie. Het daagt het idee uit dat diesels de enige weg zijn naar een hoog rendement.
In de volgende secties gaan we dieper in op de voor- en nadelen. We zullen kijken naar de prestaties in de echte wereld. We zullen zien of de claim van 20 tot 30 procent op de weg stand houdt. Onthoud voor nu: Mazda heeft niet zomaar een motor aangepast. Ze hebben opnieuw uitgevonden hoe benzine brandt.
“Het gebrek aan ‘vonk’ helpt dieselmotoren hogere EPA-ratings te behalen dan benzinemotoren met verder vergelijkbare specificaties.”
Deze verschuiving markeert een afwijking van de traditionele interne verbranding. Het is geen kleine update. Het is een fundamentele verandering in de manier waarop we denken over het verbranden van brandstof. De Skyactiv-X-motor vertegenwoordigt een belangrijke stap voorwaarts in de autotechniek. Of dit de standaard wordt, valt nog te bezien. Maar de technologie is er. En het werkt.
De dunne grens tussen kracht en explosie
Motoren met compressieontsteking hebben een duidelijk efficiëntieprofiel vergeleken met hun tegenhangers met elektrische ontsteking. Ze verbruiken minder brandstof. Ze zetten meer van die brandstof om in bruikbaar werk in plaats van het te verspillen als warmte- of ontstekingsverlies. Daardoor stoten ze minder vervuilende stoffen uit.
Mazda-aandrijflijningenieur Jay Chen beschrijft het mechanische verschil met een eenvoudige analogie. Vonkontsteking is als het aansteken van een hoekje van aanmaakhout en kijken naar de vlam die over het papier kruipt. Compressieontsteking lijkt op zelfontbranding. Het lucht-brandstofmengsel bereikt tegelijkertijd de kritische druk en temperatuur. De hele lading verandert in één keer van fase. Hierdoor komt er abrupt energie vrij.
“[Compressieontsteking] kan meer kracht halen… uit dezelfde hoeveelheid lucht, terwijl er twee tot drie keer minder brandstof wordt verbruikt en bij veel lagere verbrandingstemperaturen.”
Theoretisch gezien is dit superieur. In de praktijk is het kwetsbaar. Deze motoren zijn kieskeurig. Als ze robuust waren, zouden we er al mee rijden.
Dieselbrandstof gels bij vriesweer. Benzine blijft vloeibaar. Omgevingsomstandigheden en brandstofkwaliteit hebben een grote invloed op de prestaties van de compressieontsteking. Tot voor kort bestonden deze motoren alleen in stabiele laboratoria of ruwe prototypes die niet geschikt waren voor productie.
De cilinderomgeving moet nauwkeurig zijn. Een onjuiste druk of temperatuur onderbreekt het proces. Bij lage temperaturen bestaat het risico dat gevoelige componenten beschadigd raken. Hoge temperaturen veroorzaken kloppen. Dit gebeurt wanneer het mengsel voortijdig ontploft. Het verspilt brandstof en verslechtert de prestaties. Motoren met vonkontsteking tolereren een grotere foutmarge.
Betrouwbaarheid vereist een nauwkeurige verhouding tussen lucht, brandstof en uitlaatgassen. De compressie moet exact zijn. Warmtetoepassing moet op de juiste tijd worden getimed. Omdat nog niemand een betrouwbare benzinemotor met compressieontsteking heeft gebouwd, vereist het proces verdere verfijning.
De toekomst van benzinemotoren
De speculaties sloegen hard toe na de aankondiging van Mazda. Zou een compressieontstekingsmotor op de massamarkt de verbrandingsmotor kunnen redden? Kan een verfijnde gasmotor, nu de industrie zich richt op hybrides en elektrische voertuigen, efficiënt genoeg zijn om te concurreren?
Chen, een Mazda-ingenieur, schetst de logica. Het doel is om elke druppel efficiëntie uit de verbrandingsmotor te persen. Eenmaal geperfectioneerd, heeft deze technologie – in combinatie met elektrificatie – tot doel aandrijflijnen te leveren die tot ver in deze eeuw meegaan. De maatstaf is strikt. Mazda gelooft dat het de “well-to-wheel” CO2-uitstoot van puur batterij-elektrische voertuigen kan evenaren of verslaan, zelfs die welke worden opgeladen via netwerken die veel fossiele brandstoffen gebruiken.
Kortom. Een auto op gas kan net zo efficiënt zijn als een elektrische auto. Misschien nog wel meer. Laten we eens kijken waarom deze doorbraak verschilt van eerdere pogingen.
Eerdere pogingen: Saturn, Mercedes en Hyundai
In 2007 testte Motor Trend een Saturn Aura met een motor met compressieontsteking. Het brandstofverbruik daalde met 15 procent vergeleken met het standaardmodel. GM was van plan om tegen 2015 soortgelijke voertuigen op de markt te brengen. Toen stierf Saturnus. GM verlegde de focus naar de Chevrolet Volt en puur elektrische platforms.
Mercedes-Benz werkte aan een systeem genaamd DiesOtto. Ford had ook een project. Geen van beide haalde de productie.
Hyundai biedt een duidelijkere verklaring waarom deze projecten vastlopen. Hun inspanningen kwamen rond 2013 naar boven. Het doel was een bougievrije motor met compressieontsteking. Doelrelease: 2023.
Veelbelovend op papier. De realiteit controleerde hard in 2016.
De componenten waren niet sterk genoeg voor de vereiste compressie. Je kunt het blok, de krukas en de lagers versterken. Zo overleven dieselmotoren de druk. Maar het kost geld. Het voegt gewicht toe. Het vermindert de algehele efficiëntie.
Hyundai was van plan een turbocompressor te gebruiken om de compressie op peil te houden en het vermogen te vergroten. Ze beseften al snel dat er ook een supercharger nodig was. Dat heeft de begroting kapot gemaakt. Erger nog, de vervuilingsproductie was lang niet schoon of efficiënt zoals gepland. Het project werd gesloopt. Het was te duur. Te vies.
Hoe Skyactiv-X het vonkprobleem oplost
Mazda ontwikkelt deze technologie net zo lang als zijn concurrenten.
“Skyactiv-X stond altijd al in de plannen, zelfs voordat de eerste generatie Skyactiv werd gelanceerd”, zegt Chen.
De roadmap begon in 2009 met Skyactiv Technology. De sleutel was onconventioneel hoge compressieverhoudingen. Dit verbeterde de efficiëntie en de prestaties van de aandrijflijn. Het vereiste een synergetische combinatie van bestaande technieken. Dingen die voor productiemotoren onmogelijk werden geacht, werden werkelijkheid.
Dus wat is Skyactiv-X? Het is Mazda’s strategie om de compressie te verhogen voor meer efficiëntie. Maar ze moesten het proces aanpassen. Ze hebben een bougie toegevoegd.
Waarom? De motor schakelt tussen compressieontsteking en vonkontsteking, afhankelijk van wat op dat moment het meest efficiënt is. Dit lijkt in tegenspraak met de basisbeginselen van hoge compressie. Chen zegt dat het werkt.
“Deze doorbraak, die we vonkgestuurde compressie-ontsteking (SPCCI) noemen, heeft het bruikbare bereik van de werking en controle van compressie-ontsteking aanzienlijk uitgebreid”, legt Chen uit. “Het bood de oplossing voor een naadloze overgang tussen de verbrandingsmodi CI [compressieontsteking] en SI [vonkontsteking] bij hoge motortoerentallen.”
De bougie is het magische ingrediënt. Het maakt een soepele werking mogelijk. Het past zich aan de omstandigheden aan. Het wordt alleen gebruikt als het absoluut noodzakelijk is.
De motor houdt zichzelf in de gaten. Het past de werking aan op basis van de omgevingsomstandigheden. Rijstijl. Voorkeuren van chauffeurs. Instellingen.
De supercharger en markttiming
Nadat Mazda het idee had bedacht, nam Mazda nog eens twee jaar de tijd om de motor te ontwikkelen. Er kwam één belangrijke beslissing naar voren.
Voertuigen met Skyactiv-X-motoren zullen beschikken over superchargers. Het doel is om de pk-specificaties te verhogen. Dit verbetert de rijdynamiek. Het helpt kopers ervan te overtuigen een risico te nemen met nieuwe technologie.
Wanneer kunnen chauffeurs dit verwachten? Een Mazda-woordvoerder weigerde bekend te maken welke voertuigen als eerste zullen worden uitgerust. Beschikbaarheidsdata zijn ook niet bekendgemaakt.
We weten niet of deze auto’s meer zullen kosten dan vergelijkbare modellen met elektrische ontsteking. Speculatie suggereert dat dit wel het geval zal zijn. Hoewel Mazda de eerste is die op de markt komt, zullen andere fabrikanten vrijwel zeker volgen. De race is begonnen.
