Im Sommer 2017 gab Mazda eine bahnbrechende Ankündigung bekannt: Das Unternehmen hatte einen Weg gefunden, Kompressionszündungsmotoren für Benzin in Personenkraftwagen zu implementieren. Mazda behauptete, dass der neue Motor die Kraftstoffeffizienz um 20 bis 30 Prozent steigern könne – ein beachtlicher Erfolg für einen Ottomotor.
Bevor wir tiefer in diese Technologie eintauchen, ist es wichtig festzuhalten, dass das Konzept der Kompressionszündung nicht neu ist. Formel-1-Wagen nutzen bereits Prinzipien der Kompressionszündung, und mehrere andere Automobilhersteller haben versucht, eine kommerziell tragfähige Version für Serienfahrzeuge zu entwickeln. Doch Mazdas Motor, bekannt als Skyactiv-X, wird der erste in Serie gefertigte und kommerziell verfügbare Motor dieses Typs sein. Dank Jay Chen, einem Powertrain-Ingenieur bei Mazda, konnte deoge erfahren, wie dieser Durchbruch erzielt wurde. Zunächst müssen wir jedoch die grundlegenden Funktionen eines Verbrennungsmotors betrachten.
Ein Motor funktioniert, indem er Kraftstoff auf zwei Arten entzündet: durch Hitze und durch Kompression. In den meisten Benzinautos finden sich Motoren mit Fremdzündung (Funkenzündung). Bei diesen Motoren zünden die Zündkerzen das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum, während dieses gleichzeitig komprimiert wird. Dies ist natürlich eine stark vereinfachte Darstellung des Prozesses, um lediglich den Hauptunterschied zwischen den beiden Motortypen zu verdeutlichen. Fremdzündermotoren folgen einem festen Zyklus und erfordern ein präzises Timing, sind jedoch unter verschiedensten Bedingungen generell zuverlässig [Quelle: Knight].p>
Kompressionszündungsmotoren funktionieren eher wie Dieselmotoren. Dieselmotoren sind für eine wesentlich höhere Kompression ausgelegt (was schwerere Komponenten und eine robustere Bauweise erfordert) und nutzen Glühkerzen als Wärmequelle anstelle von Zündkerzen. Glühkerzen erwärmen den Kompressionsraum, was wiederum den Druck im Inneren erhöht. Wenn der Kraftstoff in den Raum eingespritzt wird, geschieht dies über die Spitze der Glühkerze, wobei der Prozess stärker auf der Kompression als auf dem direkten Kontakt zwischen Kraftstoff und Kerze basiert. Das Fehlen des „Funkens“ hilft Dieselmotoren dabei, höhere Effizienzwerte und Emissionsstandards zu erreichen als Benzinmotoren mit ansonsten ähnlichen Spezifikationen [Quelle: Stewart].
Wenn wir uns auf Benzin konzentrieren, fragen Sie sich vielleicht: Warum wird erklärt, wie ein Dieselmotor funktioniert? Ganz einfach: Um die Bedeutung der Kompression zu illustrieren. Der effektivste Weg, einen Benzinmotor zu verbessern, besteht darin, die Kompression zu erhöhen, wodurch der Motor seine Kraftstoffzufuhr effizienter nutzen kann.
Ein Benzinmotor mit Kompressionszündung kombiniert die besten Aspekte dieser Prozesse. Der Motor ist so programmiert, dass er Luft (typischerweise Abgasreste) im Zylinder einschließt, indem er das Timing der Auslass- und Einlassventile anpasst. Die Einspritzdüsen führen dem eingeschlossenen Abgas Kraftstoff zu. Da dieses Gemisch unter sehr hohem Druck steht, kann die relativ geringe Menge an Kraftstoff selbstzünden.
Kompressionszündungsmotoren lassen sich zudem in zwei verschiedene Typen unterteilen [Quelle: Lindberg]:
- Homogene Ladung mit Kompressionszündung (HCCI – Homogeneous Charge Compression Ignition): Dieser Motor mischt Luft und Kraftstoff und komprimiert dieses Gemisch dann so lange, bis es sich selbst entzündet. Mazdas Motor wird der erste HCCI-Motor sein, der in Serie produziert wird.
- Benzin-Direkteinspritzung mit Kompressionszündung (GDCI – Gasoline Direct Compression Ignition): Bei diesem Motor wird das Benzin in ein bereits komprimiertes Gemisch aus Luft und Abgas eingespritzt.
Der Hauptunterschied zwischen diesen beiden Motoren liegt im Zeitpunkt der Kraftstoffzufuhr, was durch Anpassungen der Motorzyklen und des Timings erreicht wird. Ansonsten funktionieren die Motoren ähnlich; die Kompression ist hierbei der entscheidende Faktor.
Vor- und Nachteile von Kompressionszündungsmotoren
Kompressionszündungsmotoren bieten einige Vorteile, bringen aber mindestens ebenso viele Herausforderungen mit sich. Zu den Vorteilen gehören:
- Ein geringerer Kraftstoffverbrauch im Vergleich zu Fremdzündermotoren
- Eine effizientere Kraftstoffnutzung (das heißt, es geht weniger Energie durch die Zündung selbst oder durch übermäßige Hitze verloren)
- Aufgrund des geringeren Verbrauchs stößt das Fahrzeug weniger Schadstoffe aus
„Als grobe Analogie: Die Funkenzündung ist vergleichbar mit dem Entfachen eines Feuers, bei dem man nur eine Kante des Zeitungspapiers anzündet und die Flamme allmählich über das Papier wandern lässt“, erklärt Mazda-Powertrain-Ingenieur Jay Chen per E-Mail. „Die [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 diese nahezu simultane Energiefreisetzung kann die [Kompressionszündung] mehr Leistung aus der gleichen Luftmenge gewinnen (da dies geschieht, bevor das Expansionsverhältnis ausgeschöpft ist), während sie zwei- bis dreimal weniger Kraftstoff verbraucht und bei deutlich niedrigeren Verbrennungstemperaturen arbeitet, was die verschwendete Wärmeenergie und die Schadstoffbildung weiter reduziert.“
Das klingt hervorragend, oder? Das Problem ist jedoch, dass diese Motoren extrem empfindlich sind – wären sie einfach zu konstruieren und zu betreiben, würden wir sie bereits seit langem nutzen. Selbst wenn Sie nicht mit Dieselmotoren vertraut sind, haben Sie vielleicht gehört, dass diese unter suboptimalen Bedingungen problematisch sein können. Teilweise liegt das am Dieselkraftstoff selbst, der bei sehr niedrigen Temperaturen zur „Paraffinierung“ (Vergelung) neigt. Bei Benzin haben wir dieses Problem nicht, da es selbst bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt flüssig bleibt. Dennoch kann die Kompressionszündung durch das Wetter, andere Umgebungsbedingungen sowie Faktoren wie die Kraftstoffqualität beeinflusst werden.
„Bis jetzt existierten Verbrennungsmotoren mit Kompressionszündung nur unter stabilen Laborbedingungen oder in groben Fahrzeugprototypen, die zu unfertig für die Serienproduktion waren“, so Chen.
Anders ausgedrückt: Wenn Druck und Temperatur in den Zylindern nicht exakt reguliert werden, funktioniert der Vorgang nicht. Zu niedrige Temperaturen können die empfindlichen Bauteile des Ottomotors beschädigen. Wird der Motor zu heiß, kann es zum Klopfen (ungewollte Selbstentzündung des Kraftstoff‑Luft‑Gemisches) kommen, was Kraftstoff verschwendet und zu einem schlechten Motorlauf führt. Ein Ottomotor kann ebenfalls zu kalt oder zu heiß werden, weist jedoch einen wesentlich größeren Toleranzbereich auf.
Die zuverlässige Funktion eines Kompressionszündungsmotors beruht auf einer exakten Kombination von Luft, Kraftstoff und Abgasen im optimalen Verhältnis, bei der exakt richtige Verdichtung und mit genau der erforderlichen Wärmezufuhr zum richtigen Zeitpunkt. Wie bekannt, ist bislang kein Fahrzeug mit einem Kompressionszündungsgasmotor erfolgreich gebaut worden, weshalb dieser Prozess weiter verfeinert werden muss.
Die Zukunft von Benzinmotoren
Kurz nach Mazdas Ankündigung begannen Fachleute der Automobilindustrie zu spekulieren, ob ein massentauglicher Kompressionszündungsmotor die Benzinmotoren „retten“ könnte. Das heißt, angesichts des zunehmenden Anteils von Hybrid‑ und Elektroantrieben, könnte dieser Ottomotor effizient genug sein, um ein ernstzunehmender Konkurrent zu werden?
Chen erklärt, dass Mazdas Antriebstechnik‑Team davon überzeugt ist, dass „durch die Maximierung jeder einzelnen Effizienzsteigerung des Verbrennungsmotors (in Verbindung mit Elektrifizierung, sobald der Verbrennungsmotor perfektioniert ist) ein Antriebssystem bereitgestellt werden kann, das bis ins nächste Jahrhundert effizient genug ist, um ‚von‑der‑Quelle‑bis‑zum‑Rad‘ CO2‑Emissionen zu erzeugen, die mit denen reiner Batterie‑Elektrofahrzeuge vergleichbar oder sogar geringer sind, sofern diese aus fossilen Kraftwerken stammen.“
Anders ausgedrückt: Mazda vertritt die Ansicht, dass ein durch einen Ottomotor angetriebener Wagen mit fortschreitender Weiterentwicklung mindestens so effizient sein kann wie ein Elektrofahrzeug, und eventuell sogar noch effizienter. Werfen wir einen Blick darauf, wie diese Durchbruchstechnologie der Kompressionszündung sich von früheren Ansätzen unterscheidet.
Im Jahr 2007 fuhr Motor Trend einen Saturn Aura, angetrieben von einem Kompressionszündungsmotor, der im Vergleich zu einem regulären Aura eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs um 15 Prozent erreichte [Quelle: Markus]. Zum damaligen Zeitpunkt rechnete GM damit, ein Fahrzeug mit einem Kompressionszündungsmotor bis 2015 auf den Markt zu bringen; die Saturn‑Marke wurde jedoch einige Jahre später eingestellt, und GM richtete zunehmend seinen Fokus auf Elektro‑ und Plug‑in‑Hybrid‑Fahrzeuge wie den Chevrolet Volt.
Zur gleichen Zeit entwickelte Mercedes‑Benz ein Kompressionszündungs‑System namens DiesOtto, und auch Ford arbeitete an einem entsprechenden Projekt [Quelle: Estrada]. Allerdings erhielten weder diese noch andere Systeme die Freigabe für die Serienproduktion, und die Erfahrungen von Hyundai könnten erklären, warum [Quelle: Markus].
Abgesehen von Mazda hat Hyundai vermutlich die meiste Fortschritte gemacht, wobei die Bemühungen bereits um 2013 öffentlich wurden [Quelle: Markus]. Das Unternehmen entwickelte seine Version eines Kompressionszündungsmotors ohne Zündkerzen oder Glühkerzen, mit einem geplanten Markteinführungsdatum von 2023.
Trotz vielversprechender Fortschritte gab Hyundai 2016 offen, dass die Motorbauelemente nicht stark genug waren, um die für den Vorgang erforderliche Verdichtung zu bewältigen. Stärkere Bauteile – insbesondere Block, Kurbelwelle und Lager – können natürlich entwickelt werden; das ist der Ansatz von Dieselmotoren. Allerdings ist dies sehr kostenintensiv, und die verstärkten Komponenten erhöhen das Fahrzeuggewicht sowie mindern die Gesamtauswirkung. Hyundai hatte ursprünglich geplant, einen Turboauflader einzusetzen, um Leistung zu steigern und die notwendige Verdichtung aufrechtzuerhalten, stieß jedoch auf die Notwendigkeit eines zusätzlich Superchargers, was das Budget weiter sprengte. Schließlich war Hyundai mit den Emissionen dieser Antriebe unzufrieden. Letztlich war das Projekt deutlich teurer und nicht annähernd so sauber und effizient, wie ursprünglich geplant [Quelle: Markus].
Mazdas Entwicklungsbemühungen dauern fast so lange wie die seiner Wettbewerber.
„Skyactiv‑X war bereits vor dem Launch der ersten Skyactiv‑Generation geplant“, erklärt Chen, Mazda‑Ingenieur. „Der erste Schritt auf diesem Fahrplan war die Einführung der Skyactiv‑Technologie [die] im Jahr 2009 vorgestellt wurde. Der zentrale Fortschritt zu dieser Zeit war die Anwendung eines ungewöhnlich hohen Verdichtungsverhältnisses, um die Gesamtauswirkung des Motors sowie die Antriebsleistung zu steigern. Dies wurde durch eine synergistische Kombination bestehender Methoden erreicht, um etwas zu verwirklichen, das bis dahin als unmöglich für Serienmotoren galt.“
In einfachen Worten: „Skyactiv“ bezeichnet Mazdas Strategie, den Verdichtungsdruck zu erhöhen, um die Effizienz zu steigern, und Mazda musste dabei einige Anpassungen vornehmen, um den kommenden Skyactiv‑X zum Funktionieren zu bringen. Als Folge dieser Anpassungen fügte Mazda einen Zündfunkenzündungsanschluss hinzu, sodass der Motor zwischen Kompressionszündung und Zündungszündung wechseln kann, je nachdem, was zu einem gegebenen Zeitpunkt effizienter ist. Dies mag zwar im Widerspruch zu den Grundprinzipien der Hochverdichtungsmotoren stehen, doch Chen betont, dass es funktioniert.
„Dieser Durchbruch, den wir als spannungsgesteuerte Kompressionszündung (SPCCI) bezeichnen, erweitert den nutzbaren Betriebsbereich der Kompressionszündung und deren Steuerung erheblich und löst zudem das Problem einer nahtlosen Übergangsphase zwischen CI [Kompressionszündung] und SI [Zündungszündung] bei hohen Motordrehzahlen (im Fall von Skyactiv‑X),“ so Chen.
Kurz gesagt: Die Zündkerze ist das Schlüsselelement, das dem Motor ein reibungsloses Funktionieren und die Anpassung an unterschiedliche Bedingungen ermöglicht, und sie wird nur eingesetzt, wenn es absolut notwendig ist. Mazdas Motor ist so ausgelegt, dass er sein eigenes Verhalten überwacht und seine Arbeitsweise anhand von Faktoren wie aktuellen Umweltbedingungen, Fahrstil, Fahrerdispositionen und Einstellungen steuert [Quelle: Estrada].
NachdemMazda diese Idee entwickelt hatte, dauerte es weitere zwei Jahre, um den Motor zu entwickeln, währenddessen eine weitere wichtige Entscheidung getroffen wurde. Fahrzeuge, die mit Skyactiv-X-Motoren ausgestattet sind, werden mit Turboladern (Superchargers) versehen, um die PS-Leistung zu erhöhen, was die Fahrdynamik verbessert und dazu beiträgt, potenzielle Käufer davon zu überzeugen, sich auf diese neue Technologie einzulassen [source: Estrada].
Die letzte große Frage — wann können Fahrer damit rechnen, es zu sehen? Ein Sprecher von Mazda erklärt, dass das Unternehmen noch nicht offenlegen kann, welche Fahrzeuge zuerst mit dem Skyactiv-X-Motor ausgestattet werden oder wann sie verfügbar sein werden. Wir wissen ebenfalls nicht, ob Fahrzeuge mit Kompressionszündungsmotoren (Compression-Ignition) teurer sein werden als vergleichbare Fahrzeuge mit Zündfunkenentzündung (Spark-Ignition). Es ist jedoch gerechtfertigt, zu spekulieren, dass Mazda zwar das erste Unternehmen sein wird, das diese Technologie auf den Markt bringt, andere Hersteller jedoch fast sicher folgen werden.
Viel mehr Informationen
Autorschafts-Notiz: Wie Gas-Kompressionszündungsmotoren funktionieren
Im Gegensatz zu vielen meiner Kolleginnen und Kollegen mache ich mir keine besonderen Sorgen darum, „Verbrennungsmotoren zu retten“, auch wenn das wahrscheinlich meine Arbeitsplatzsicherheit erhöhen würde. Vielleicht sollte ich etwas egoistischer sein, aber ich habe mich entschieden, über den Kompressionszündungsmotor zu schreiben, einfach weil ich von jeder Innovation fasziniert bin, die ein Auto effizienter machen kann.
Aus diesem Grund — Nachhaltigkeit im Allgemeinen — bin ich bestrebt, so bald wie möglich ein Fahrzeug mit einem Kompressionszündungsmotor Probe zu fahren. Wie bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen wird es wahrscheinlich viele Diskussionen darüber geben, ob diese Fahrzeuge ausreichend leistungsstark sind. Ehrlich gesagt, vermute ich, dass der durchschnittliche Verbraucher den Unterschied nicht bemerken wird. Es gibt zahlreiche Möglichkeiten, ein Auto außergewöhnlich zu fahren, ohne es lediglich in puncto Leistung zu maximieren, und das ist ein Bereich, in dem Mazda hervorragt.
Verwandte Artikel
- Hatten Autos jemals äußere Verbrennungsmotoren?
- Diesel ist nicht immer ein schlechterer Umweltverschmutzer als Benzin
- Wie ein Atkinson-Zyklus-Motor funktioniert
- Wie viel Luftverschmutzung entsteht durch Autos?
Weitere großartige Links
- Wie ein Kraftfahrzeug-Zündsystem funktioniert
- Mazda könnte die Technologie haben, um den Verbrennungsmotor zu retten
- Mazdas schlauer neuer Motor nutzt mehr Meilen bei weniger Kraftstoff
- Wie die Tesla-Turbine funktioniert
Quellen
- Brown, Jacob. Spezialist, Produktkommunikation, Mazda. Persönliche Korrespondenz. 1. Sept. 2017.
- Chen, Jay. Antriebstechniker, Mazda. Persönliche Korrespondenz über Jacob Brown. 1. Sept. 2017.
- Estrada, Zac. „Mazda könnte die Technologie haben, um den Verbrennungsmotor zu retten.“ The Verge. Aug. 8, 2017. (Aug. 30, 2017) https://www.theverge.com/2017/8/8/16099536/mazda-compression-ignition-engine-technology
- Knight, Cheryl. „Wie ein Kraftfahrzeug-Zündsystem funktioniert.“ YourMechanic. Nov. 19, 2015. (Aug. 29, 2017) https://www.yourmechanic.com/article/how-a-car-ignition-system-works
- Lindberg, Austin. „Hyundai entwickelt benzinverbrennenden Kompressionszündungsmotor.“ Car and Driver. Nov. 18, 2013. (Aug. 30, 2017) http://blog.caranddriver.com/hyundai-developing-gasoline-burning-compression-ignition-engine/
- Markus, Frank. „Technologue: Lieblingskind – Fahrten mit dem ultimativen Bastardmotor.“ Motor Trend. Nov. 19, 2007. (Aug. 30, 2017) http://www.motortrend.com/news/technologue-41/
- Markus, Frank. „Was geschah mit Hyundais HCCI-Motor?“ Motor Trend. Dez. 14, 2016. (Aug. 30, 2017) http://www.motortrend.com/news/whatever-happened-hyundais-hcci-engine/
- Mazda. „Mazda kündigt langfristige Technologieentwicklungsvision an: ‚Nachhaltiges Zoom-Zoom 2030‘.“ Aug. 8, 2017. (Aug. 20, 2017) http://www2.mazda.com/en/publicity/release/2017/201708/170808a.html
- Stewart, Jack. „Mazdas schlauer neuer Motor nutzt mehr Meilen bei weniger Kraftstoff.“ Wired. Aug. 9, 2017. (Aug. 30, 2017) https://www.wired.com/story/mazda-injection-compression-skyactivx-engine/
- Szymkowski, Sean. „Wie Mazdas SkyActiv-X-Motor, basierend auf HCCI, tatsächlich funktioniert (Video).“ Green Car Reports. Aug. 21, 2017. (Aug. 30, 2017) http://www.greencarreports.com/news/1112222_how-mazdas-skyactiv-x-engine-based-on-hcci-actually-works-video
Die Darstellung des Kompressionszündungsvorgangs ist verständlich und gut strukturiert.
Mir fehlt ein kurzer Überblick über die Unterschiede zu herkömmlichen Ottomotoren.