Wie Gaskompression

Im Sommer 2017 machte Mazda eine Ankündigung: Der Autokonzern habe einen Weg gefunden, Benzinmotoren mit Selbstzündung für Personenwagen herzustellen. Mazda behauptete, sein neuer Motor könne den Kraftstoffverbrauch um 20 bis 30 Prozent senken, was für einen Benzinmotor eine beachtliche Leistung sei.

Bevor wir uns mit dieser Technologie befassen, ist es erwähnenswert, dass der Selbstzündungsmotor kein neues Konzept ist. Formel-1-Autos verwenden Selbstzündungsmotoren, und mehrere andere Autohersteller haben versucht, eine kommerziell nutzbare Version für Personenkraftwagen zu entwickeln. Aber Mazdas Motor mit dem Namen Skyactiv-X wird der erste serienmäßig produzierte und kommerziell erhältliche Motor dieses Typs sein. Dank Jay Chen, einem Antriebsstrangingenieur bei Mazda, konnte HowStuffWorks erfahren, wie dieser Durchbruch erzielt wurde. Zunächst müssen wir jedoch einen Blick auf die Grundfunktionen einer Engine werfen.

Ein Motor zündet Kraftstoff auf zwei Arten: Wärme und Kompression. Ottomotoren sind in den meisten Benzinautos zu finden. Bei diesen Motortypen zünden die Zündkerzen, um den Kraftstoff im Brennraum zu entzünden, während gleichzeitig das Kraftstoff-Luft-Gemisch komprimiert wird. Dies ist natürlich eine sehr vereinfachte Version des Prozesses, nur um den Hauptunterschied zwischen den beiden Motortypen zu veranschaulichen. Motoren mit Fremdzündung folgen einem Zyklus und erfordern ein präzises Timing, um zu funktionieren, sind aber im Allgemeinen unter einer Vielzahl von Bedingungen zuverlässig [Quelle: Knight].

Selbstzündungsmotoren funktionieren eher wie Dieselmotoren. Dieselmotoren sind für eine viel höhere Verdichtung ausgelegt (was schwerere Komponenten und eine stärkere Konstruktion erfordert) und verwenden Glühkerzen anstelle von Zündkerzen als Wärmequelle. Glühkerzen erwärmen die Kompressionskammer, was wiederum die Kompression innerhalb der Kammer erhöht. Wenn der Kraftstoff in die Kammer eingefüllt wird, wird er über die Spitze der Glühkerze gesprüht. Der Vorgang beruht jedoch mehr auf der Kompression als auf dem Kontakt des Kraftstoffs mit der Kerze. Das Fehlen eines „Funkens“ trägt dazu bei, dass Dieselmotoren höhere EPA-Bewertungen erreichen als Benzinmotoren mit ansonsten ähnlichen Spezifikationen [Quelle: Stewart].

Wenn wir uns auf Benzin konzentrieren, fragen Sie sich vielleicht: Welchen Sinn hat es, zu erklären, wie ein Dieselmotor funktioniert? Einfach, um die Bedeutung der Komprimierung zu veranschaulichen. Der beste Weg, den Gasmotor zu verbessern, besteht darin, herauszufinden, wie die Kompression erhöht werden kann, wodurch der Motor seine Kraftstoffversorgung effizienter nutzen kann.

Ein Benzinmotor mit Selbstzündung vereint die besten Teile dieser Prozesse. Der Motor ist so programmiert, dass er durch Anpassung der Steuerzeiten der Auslass- und Einlassventile Luft (typischerweise Motorabgase) im Motorzylinder einfängt. Die Einspritzdüsen fügen diesem eingeschlossenen Abgas Kraftstoff hinzu, und da das eingeschlossene Gemisch unter sehr hoher Kompression steht, kann sich die relativ kleine Kraftstoffmenge entzünden.

Selbstzündungsmotoren können sogar in zwei verschiedene Typen unterteilt werden [Quelle: Lindberg].

Der Hauptunterschied zwischen diesen beiden Motoren ist der Punkt im Prozess, an dem der Kraftstoff hinzugefügt wird, was durch Anpassungen der Zyklen und des Timings der Motoren erreicht wird. Ansonsten funktionieren die Motoren ähnlich; Die Komprimierung ist der wichtigste Faktor.

Selbstzündungsmotoren haben einige Vorteile und mindestens ebenso viele Nachteile. Zu seinen Vorteilen gehören:

„Als grobe Analogie ist die Funkenzündung so, als würde man ein Feuer entfachen, indem man nur eine Kante des Zeitungsholzes anzündet und die Flamme allmählich über das Papier steigen lässt“, erklärt Mazda-Antriebsingenieur Jay Chen per E-Mail. „[Kompressionszündung] ähnelt eher einer spontanen Verbrennung, bei der Kraftstoff und Luft einen kritischen Druck und eine kritische Temperatur erreicht haben und die gesamte Ladung gleichzeitig die Phase wechselt, wodurch die gesamte Energie auf einmal freigesetzt wird. Durch die nahezu gleichzeitige Freisetzung der gesamten Energie [ Kompressionszündung] kann aus der gleichen Luftmenge mehr Leistung extrahieren (da dies geschieht, lange bevor das Expansionsverhältnis aufgebraucht ist), während zwei- bis dreimal weniger Kraftstoff verbraucht wird und die Verbrennungstemperaturen viel niedriger sind, was die Verschwendung von Wärmeenergie und die Entstehung von Emissionen weiter reduziert ."

Klingt großartig, oder? Das Problem ist, dass diese Motoren wirklich anspruchsvoll sind – wenn sie einfach zu konstruieren und zu verwenden wären, würden wir sie inzwischen fahren. Auch wenn Sie mit Dieselmotoren nicht vertraut sind, haben Sie vielleicht gehört, dass sie unter suboptimalen Bedingungen unpraktisch sein können. Ein Teil davon ist auf den Dieselkraftstoff selbst zurückzuführen, der bei sehr kalten Temperaturen dazu neigt, zu „gelieren“. Mit Benzin haben wir dieses Problem nicht, da es auch bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt flüssig bleibt. Die Selbstzündung kann jedoch immer noch durch das Wetter und andere Umgebungsbedingungen sowie andere Faktoren wie die Qualität des Kraftstoffs beeinflusst werden.

„Bisher existierten Selbstzündungs-Verbrennungsmotoren nur unter stabilen Laborbedingungen oder in Rohfahrzeugprototypen, die zu rau waren, um in der Produktion eingesetzt zu werden“, sagt Chen.

Mit anderen Worten: Wenn der Druck und die Temperatur in den Zylindern nicht sorgfältig aufrechterhalten werden, funktioniert der Prozess nicht. Zu niedrige Temperaturen können die empfindlichen Komponenten des Motors beschädigen. Wenn der Motor zu heiß wird, kann er anfangen zu klopfen – ein Zustand, der auftritt, wenn das Kraftstoff-Luft-Gemisch zu heiß wird und zum falschen Zeitpunkt explodiert, wodurch Kraftstoff verschwendet wird und der Motor schlecht läuft. Ein Ottomotor kann ebenfalls zu kalt oder zu heiß werden, weist jedoch eine viel höhere Fehlerquote auf.

Der zuverlässige Betrieb eines Selbstzündungsmotors hängt von einer präzisen Kombination aus Luft, Kraftstoff und Abgasen ab, die im perfekten Verhältnis gemischt werden, bei perfekter Kompression und mit genau der richtigen Wärmemenge zum richtigen Zeitpunkt. Wie wir wissen, war es bisher noch niemandem gelungen, ein Auto mit einem Selbstzündungs-Gasmotor zu bauen, daher musste dieser Prozess weiter verfeinert werden.

Kurz nach der Ankündigung von Mazda begannen Experten der Autoindustrie zu spekulieren, ob ein Massenmarkt-Selbstzündungsmotor Benzinmotoren „retten“ könnte. Das heißt, könnte dieser Gasmotor effizient genug sein, um ein ernstzunehmender Konkurrent zu sein, da sich die Branche immer mehr in Richtung Hybrid- und Elektrotechnologie bewegt?

Chen sagt, Mazda sei von der Überzeugung motiviert, dass „wir durch das Ausschöpfen jedes bisschen Effizienz aus dem Verbrennungsmotor (in Verbindung mit der Elektrifizierung, sobald der Verbrennungsmotor perfektioniert ist) eine Methode liefern können, das Automobil bis weit in dieses Jahrhundert hinein anzutreiben.“ das das Potenzial hat, die gleichen oder weniger „Well-to-Wheel“-CO2-Emissionen zu erzeugen als rein batterieelektrische Fahrzeuge, die von Kraftwerken unterschiedlicher Art auf Basis fossiler Brennstoffe angetrieben werden.“

Mit anderen Worten: Mazda geht davon aus, dass ein Auto mit Benzinmotor bei kontinuierlicher Innovation mindestens so effizient sein kann wie ein Elektroauto, möglicherweise sogar noch effizienter. Werfen wir einen Blick darauf, wie sich dieser Durchbruch in der Selbstzündungstechnologie von den Vorgängern unterscheidet.

Im Jahr 2007 fuhr Motor Trend einen Saturn Aura mit Selbstzündungsmotor, der im Vergleich zu einem regulären Aura eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs um 15 Prozent erzielte [Quelle: Markus]. Damals erwartete GM, im Jahr 2015 ein Fahrzeug mit Selbstzündungsmotor auf den Markt zu bringen, doch die Marke Saturn wurde nur wenige Jahre später eingestellt und GM verlagerte seinen Fokus nach und nach auf Elektro- und Plug-in-Hybridfahrzeuge wie den Chevrolet Volt.

Etwa zur gleichen Zeit arbeitete Mercedes-Benz an einem Selbstzündungssystem namens DiesOtto, und auch Ford hatte ein Projekt in der Entwicklung [Quelle: Estrada]. Allerdings erhielt keiner dieser Motoren grünes Licht für die Produktion, und die Erfahrung von Hyundai könnte helfen, den Grund dafür zu erklären [Quelle: Markus].

Abgesehen von Mazda hat Hyundai wahrscheinlich die größten Fortschritte gemacht, wobei die Bemühungen erstmals um 2013 ans Licht kamen [Quelle: Markus]. Das Unternehmen entwickelte seine Version eines Selbstzündungsmotors ohne Zündkerzen oder Glühkerzen mit einem geplanten Veröffentlichungsdatum im Jahr 2023.

Trotz vielversprechender Fortschritte stellte Hyundai im Jahr 2016 fest, dass die Motorkomponenten einfach nicht stark genug waren, um die für das Funktionieren des Prozesses erforderliche Kompression zu bewältigen. Natürlich können stärkere Motorkomponenten, nämlich Block, Kurbel und Lager, konstruiert werden; So funktionieren Dieselmotoren. Es ist einfach sehr teuer, und diese stärkeren Komponenten erhöhen das Gewicht des Autos und verringern seine Gesamteffizienz. Hyundai hatte von Anfang an geplant, einen Turbolader zu verwenden, um die Leistung zu steigern und die nötige Verdichtung aufrechtzuerhalten, aber sie stellten fest, dass sie auch einen Kompressor benötigen würden, was das Budget zusätzlich sprengte. Und schließlich war Hyundai mit der Menge an Umweltverschmutzung, die diese Antriebsstränge verursachten, nicht zufrieden. Am Ende war das Projekt deutlich teurer und bei weitem nicht so sauber und effizient wie geplant [Quelle: Markus].

Die Entwicklungsbemühungen von Mazda laufen schon fast so lange wie die seiner Konkurrenten.

„Skyactiv-X war bereits vor der Markteinführung der ersten Skyactiv-Generation in den Planungen“, erklärt Mazda-Ingenieur Chen. „Der erste Schritt in dieser Roadmap war die Skyactiv-Technologie von Mazda, die 2009 eingeführt wurde. Die wichtigste Verbesserung damals war die Anwendung eines unkonventionell hohen Motorverdichtungsverhältnisses, um die Gesamteffizienz des Motors sowie die Leistung des Antriebsstrangs zu steigern. Dies wurde erreicht durch a synergistische Kombination bestehender Techniken, die gemeinsam angewendet werden, um das zu erreichen, was (bis dahin) für Serienmotoren für unmöglich gehalten wurde.“

Laienhaft ausgedrückt: „Skyactiv“ ist die Bezeichnung für Mazdas Strategie, die Kompression zu erhöhen, um die Effizienz zu steigern, und Mazda musste ein wenig herumbasteln, um den kommenden Skyactiv-X zum Laufen zu bringen. Als Ergebnis dieser Basteleien fügte Mazda dem Mix eine Zündkerze hinzu, sodass der Motor zwischen Kompressions- und Fremdzündung wechseln kann, je nachdem, was gerade am effizientesten ist. Das mag so klingen, als würde es den Grundlagen der Hochkompressionsmotorentechnologie zuwiderlaufen, aber Chen sagt, es funktioniert.

„Dieser Durchbruch, den wir funkengesteuerte Kompressionszündung (SPCCI) nennen, erweiterte den nutzbaren Bereich des Betriebs und der Steuerung der Kompressionszündung erheblich und lieferte die Lösung für einen nahtlosen Übergang zwischen CI (Kompressionszündung) und SI (Funkenzündung). Verbrennungsmodi, die bei hohen Motordrehzahlen verwendet werden (im Fall von Skyactiv-X)“, sagt Chen.

Einfacher ausgedrückt ist die Zündkerze die magische Zutat, die dafür sorgt, dass der Motor reibungslos läuft und sich an unterschiedliche Bedingungen anpasst. Sie wird nur verwendet, wenn es absolut notwendig ist. Der Motor von Mazda ist so konzipiert, dass er sich selbst überwacht und seinen Betrieb an Faktoren wie die aktuellen Umgebungsbedingungen, die Art und Weise, wie das Auto gefahren wird, sowie die Vorlieben und Einstellungen des Fahrers anpasst [Quelle: Estrada].

Nachdem Mazda diese Idee hatte, dauerte die Entwicklung des Motors weitere zwei Jahre, in denen eine weitere wichtige Entscheidung getroffen wurde. Fahrzeuge, die mit Skyactiv-X-Motoren ausgestattet sind, werden über Kompressoren verfügen, um die PS-Werte zu steigern, was die Fahrdynamik verbessern und dazu beitragen wird, potenzielle Käufer davon zu überzeugen, ein Risiko für diese neue Technologie einzugehen [Quelle: Estrada].

Die letzte große Frage: Wann können Autofahrer damit rechnen? Ein Sprecher von Mazda sagt, dass das Unternehmen noch nicht bekannt geben könne, welche Fahrzeuge als erste mit dem Skyactiv-X-Motor ausgestattet sein werden und wann sie verfügbar sein werden. Wir wissen auch nicht, ob Fahrzeuge mit Selbstzündungsmotor mehr kosten werden als vergleichbare Fahrzeuge mit Ottomotor. Es lässt sich jedoch mit Sicherheit spekulieren, dass Mazda zwar der Erste sein wird, der diese Technologie auf den Markt bringt, andere Hersteller jedoch mit ziemlicher Sicherheit folgen werden.

Im Gegensatz zu vielen meiner Kollegen mache ich mir keine besonderen Sorgen über die „Einsparung von Gasmotoren“, auch wenn das wahrscheinlich zur Arbeitsplatzsicherheit beitragen würde. Vielleicht sollte ich diesbezüglich etwas egoistischer sein, aber ich habe mich entschieden, über den Selbstzündungsmotor zu schreiben, einfach weil ich von jeder Innovation fasziniert bin, die dazu beitragen kann, ein Auto effizienter zu machen.

Aus diesem Grund – Nachhaltigkeit im Allgemeinen – möchte ich unbedingt ein Fahrzeug mit Selbstzündungsmotor testen, sobald es verfügbar ist. Wie bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen wird es meiner Meinung nach viel Diskussion darüber geben, ob diese Fahrzeuge leistungsstark genug sind oder nicht. Ehrlich gesagt vermute ich, dass der Durchschnittsmensch den Unterschied nicht erkennen kann. Es gibt viele Möglichkeiten, ein Auto interessant zum Fahren zu machen, abgesehen davon, es einfach so leistungsstark wie möglich zu machen, und das ist ein Bereich, in dem Mazda herausragend ist.

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