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Skyactiv-X – Erster Test im Selbstzünder-Benziner von Mazda

Es gibt Dieselmotoren und es gibt Benziner. Da weiß jeder Bescheid. Zwei unterschiedliche Kraftstoffsorten, unterschiedliche Technik, unterschiedliche Vorteile. Selbst wenn man CNG und LPG noch hinzunimmt, so sind diese in der Wirkungsweise nur Untergruppen des „Benziners“, des Ottomotors mit Fremdzündung. Der Diesel dagegen ist ein Selbstzünder. Rein technisch war es immer ein Traum von Ingenieuren, die besten Ergebnisse der beiden Welten zu kombinieren. Doch daran sind bereits viele Hersteller gescheitert. Auch ein Konzern wie Mercedes-Benz hatte sich am „Diesotto“ versucht und die Experimente eingestellt. Doch 2019 ist es soweit – eine kleine japanische Automobilmarke präsentiert den ersten „Benzin-Selbstzünder“ in Serie.

Skyactiv-X – Mazdas Antwort auf brennende Fragen

Testfahrt im Prototypen

Unscheinbar in mattem schwarzen Lack steht der Prototyp unter der Sonne Portugals. Er sieht aus wie ein Mazda 3. Und das Blechkleid ist auch entliehen vom aktuellen Mazda3. Unter dem Blech steckt jedoch bereits eine große Portion des Anfang 2019 auf den Markt kommenden Nachfolgers. Und besonders wichtig, es sind 5 der weltweit 6 existenten Prototypen mit Skyactiv-X Technologie unter der Haube, die hier aufgereiht wurden, um Journalisten einen Eindruck von der neuen Technik zu vermitteln. Einer Technologie, von der Mazda nicht weniger verspricht als 20-30% mehr Effizienz – damit locker auf dem Niveau von Mazdas aktuellen Dieseltriebwerken – dazu Fahrspaß über ein breites Drehzahlband und, in den aktuellen Zeiten besonders wichtig, so sauber wie kaum ein anderer Motor. Die Skyactiv-X Motoren werden die kommenden EU-Grenzwerte um den Faktor 10 unterbieten. Und das nicht nur auf dem Prüfstand, sondern im so genannten RDE-Test, also auf der Straße. Um dieses Ziel zu erreichen, hat Mazda auf der Motorenseite ein völlig neues Kapitel aufgeschlagen.

Selbstzündung durch Fremdzündung

Der Weg, den die Ingenieure bei Mazda gingen, ist bemerkenswert. Doch zuerst soll ein kurzer Exkurs in die Technik der Kraftstoffverbrennung helfen, den Fortschritt, den Mazda erreichte, einsortieren zu können. Um Benzin verbrennen zu können, müssen die Moleküle des Treibstoffs und der angesaugten Luft miteinander agieren. Das Verhältnis zwischen Benzin und Sauerstoff nennt man Verbrennungsluftverhältnis oder Lambda. Das ideale Verhältnis, damit alle Benzinatome verbrannt werden können, nennt man Lambda 1.0

Lambda 1 entspricht 1 kg Benzin und (1.34 Liter) und 14.7 kg Atemluft. Dieses Verhältnis, Lambda 1, wird auch als stöchiometrisches Verbrennungsgemisch bezeichnet und bedeutet, dass das Kraftstoff/Sauerstoff-Gemisch vollständig verbrannt wird. Das ist der Idealfall. Theoretisch. Moderne Motoren bedienen sich bei der Verbrennung jedoch auch eines fetten Gemisches zur Leistungsanhebung oder Brennraumkühlung – im Idealfall aber wäre ein Luftüberschuss wünschenswert. Wenn mehr Sauerstoff als Kraftstoff zur Verfügung steht, spricht man von einem mageren Gemisch. Wenn man mit einem mageren Gemisch die gleiche Leistung erreicht wie mit einem Lambda 1 Verhältnis, dann bedeutet dies im Umkehrschluss, man benötigt weniger Treibstoff für die gleiche Arbeit. Das Auto ist also sparsamer. Allerdings hat ein mageres Gemisch eigentlich auch den Effekt einer verringerten Motorleistung zur Folge. Dem gegenüber steht bei einer mageren Verbrennung die niedrigere Brennraum-Temperatur, was mit einer höheren Effizienz einhergeht und die Entwicklung von NOx deutlich senkt. Das Geheimnis einer sauberen Verbrennung liegt also im Luftgemisch.

Die magere Verbrennung hat jedoch andere Probleme. Sobald zu viele Sauerstoff-Moleküle vorhanden sind, besteht die Gefahr, dass nicht das gesamte Gemisch zum gewünschten Zeitpunkt entzündet werden kann. Bei einer Selbstzündung durch hohe Kompression könnte man dieses Problem umgehen. Denn dann geht der Impuls der Verbrennung nicht mehr von der zentral gelegenen Zündkerze aus.

Was also liegt näher, als ein mageres Gemisch durch Selbstzündung zu verbrennen?

Und genau daran sind bisher alle anderen gescheitert. Der neue Ansatz der Skyactiv-X Technologie verbindet die Selbstzündung mit der Fremdzündung, ermöglicht ein Luft-Kraftstoffgemisch deutlich oberhalb von Lambda 1 und vermeidet dennoch die unkontrollierte Selbstzündung (Klopfen) von Benzin. Möglich machen diesen Erfolg zwei Faktoren: Zum einen ist erst jetzt die moderne Motoren-Elektronik in der Lage, zeitgenau und live die Verbrennung je Brennraum zu kontrollieren und zum anderen, das ist der Mazda-Kniff, durch die Verwendung einer Zündkerze umgeht man den Effekt eines kaum kontrollierbaren Zündpunktes. Das mag erst einmal verwirren. Ein „Selbstzünder“ mit Zündkerze?

SPCCI – Ein Durchbruch in der Motorentechnik

Das extrem magere Benzin-Luftgemisch wird im Verhältnis 16 zu 1 verdichtet und steht damit kurz vor der Selbstzündung. Mit einem kleinen zusätzlichen Einspritzvorgang direkt vor die Zündkerze und einem Zünden der Kerze wird der Verbrennungsvorgang eingeleitet. Allerdings ist der Effekt nicht ein „Übergreifen“ der Entzündung über die Kraftstoffmoleküle, wie dies üblich wäre. Vielmehr wird durch die Verbrennung der kleinen Portionierung vor der Zündkerze und der dadurch entstehenden Expansion im Brennraum der Kompressionsdruck Zeitpunkt genau erhöht und das restliche Magergemisch im Motorraum entzündet sich selbst. BÄMM. 

Was hier mehrere hundert Worte zur Erklärung benötigt, geschieht im Motor der neuen Skyactiv-X Generation binnen Millisekunden. Vom gesamten Aufwand bekommt der Fahrer nichts mit. Gar nichts. Mazda verspricht damit einen Benzinmotor, der eine völlig neue Effizienz erreicht. Durch die aufwändige Motorsteuerung ist der neue Skayctiv-X-Motor in der Lage, in einem extrem breit nutzbaren Drehzahlband mit einem Lambdagemisch größer 1 zu fahren. Eine magere Verbrennung, sauber, führt zu einer Effizienz auf dem Niveau von modernsten Dieselmotoren. Ohne NOx-Probleme. Ohne CO2-Probleme. Dafür mit der Drehfreude und der Agilität eines modernen Benzinmotors.

Fährt sich agil

Anders als bei aktuellen Motoren mit magerer Schichtladung, Stichwort Atkinson-Cycle (Miller-Cycle), ist der Skyactiv-X Motor nicht an ein enges Drehzahlband gebunden, um maximal effizient zu sein. Das führt zu einer gänzlich neuen Agilität beim Fahren. Der breite Drehzahlbereich, in dem dank SPCCI-Technik mit magerem Gemisch gefahren werden kann, lässt den Mazda3-Prototypen behände und drehfreudig über Landstraßen wedeln. Mit angestrebten 190 PS und 230 Nm ist der Skyactiv-X Motor in der Leistung der aktuellen Skyactiv-G Generation überlegen – aber dennoch nicht beeindruckend massiv motorisiert. Die Kompressor-Aufladung des Skyactiv-X dient auch nicht der Leistungssteigerung, sondern nur dem Ermöglichen eines maximalen Luftüberschusses. Im niedrigen Drehzahlbereich ist der Kompressor daher auch nicht aktiv. Man hätte hier vermutlich auch mit einem E-Turbo agieren können, aber die Lösung fiel im ersten Schritt auf den bewährten Kompressor.

Das breite nutzbare Drehzahlband lässt die immer komplexer werdenden Getriebe überflüssig werden. Ein Motor, der bei 1.900 Umdrehungen ebenso effizient ist wie bei 3.500 Umdrehungen, den kann man getrost mit sechs Gängen auf die Reise schicken – ohne deswegen Nachteile im Verbrauch in Kauf nehmen zu müssen.

Von der „fremdgesteuerten“ Selbstzündung spürt der Fahrer nichts. Einzig ein leises Klingeln aus einer nicht gänzlich kontrollierten Verbrennung bei sehr niedrigen Drehzahlen dringt vereinzelt an das Ohr auf der 1.5 stündigen Testfahrt. Ansonsten überzeugen der Skyactiv-X und seine neue Fahrwerksplattform mit massiv gesteigertem Geräuschkomfort, einer sauber ansprechenden Dämpfung und einer sensiblen Lenkung.

Der neue Mazda3 könnte also, wenn er 2019 auf den Markt kommt, mit Skyactiv-X Technik, Agilität und Fahrfreude noch ein echter Lichtblick für die Anhänger von Verbrennungsmotoren werden.

Bewusst anders

Mazda geht mit der Skyactiv-X Technik ganz bewusst einen anderen Weg als der Rest der Automobil-Industrie. Man mag dies für einen Fehler halten, wenn man sieht, welche Anstrengungen andere Hersteller unternehmen, um die Flotte auf Plug-in Hybrid-Technik umzurüsten. Doch Mazda glaubt noch nicht an das Ende des Verbrennungsmotors und stellt sich mit der neuen Technik sogar an die Spitze der Motoren-Entwicklung. Es gibt viele gute Argumente, weswegen Mazda damit richtig liegen könnte. Ein klassischer Verbrennungsmotor könnte in der Well-to-Wheel Balance die Führung übernehmen, wenn sein Treibstoff CO2-neutral wäre. Klassisches Benzin ist dies nicht. Aber Mazda arbeitet mit Universitäten in Japan auch an einer Algen-Benzin-Technologie. Also künstlichem Benzin. Und natürlich bereitet man für 2019 ein Elektroauto vor, denn ganz ohne geht es einfach nicht. Und sei es nur aus politischen Gründen.

 

 

 

 

 

 

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