Mazda mag es mager
Mazda erweckt ein älteres Motorenkonzept zu neuem Leben – mit Vorteilen für Verbrauch und Emissionen.
Foto: Mazda
Ein Motor, der die besten Welten des sparsamen Dieselmotors mit der Drehfreude und der relativen Emissionsarmut eines Benzinmotors vereint – an dieser Kreuzung aus Otto- und Dieselmotor, bestehend je nach Fahrbetrieb zugleich aus Fremd- wie Kompressionszündung, arbeiteten vor zehn Jahren schon Mercedes und Volkswagen. Beides verschwand wieder in den Schubladen. Die reinen Papierwerte z. B. beim Mercedesmotor klangen zwar vielversprechend (1,8 l, 175 kW, 6 l/100 km), doch krankte das System an der Unausgewogenheit von Fremd- und Selbstzündung.
Mazdas Ingenieure verfeinerten das Prinzip und präsentieren das Skyactiv X genannte Ergebnis auf dem Genfer Autosalon, der am Sonntag endet. Der Buchstaben X steht für den Begriff Crossover. Nach über fünfjähriger Entwicklungsarbeit soll der Motor Anfang 2019, zunächst im neuen Mazda 3 zum Serieneinsatz kommen, der in Sachen Verbrennung wirklich ungewöhnliche Wege geht.
Im X-Motor findet eine homogene Gemischbildung statt, verbunden mit einer „kontrollierten Kompressionszündung“. Das Luft-Benzin-Gemisch ist extrem mager (Lambda 2 und größer). Damit steigt das spezifische Wärmeverhältnis und beeinflusst den thermischen Wirkungsgrad positiv. Zudem sinkt die Verbrennungstemperatur, was wiederum die Wärmeverluste verringert. Um eine ausreichende Menge an Luft bei höherer Drehzahl bereitzustellen, ist der X-Motor mit einem mechanischen Verdichter versehen. Er wird im unteren Drehzahlbereich entkoppelt.
Mazdas Beharrlichkeit scheint sich auszuzahlen, dies zumindest belegen Fahrtests, die die VDI nachrichten mit Prototypen durchführen konnten. Die in mehreren Mazda 3 verbauten Aggregate überzeugten durch Laufruhe, gute Gasannahme und Drehfreudigkeit. Übergänge zwischen reiner Fremd- und Kompressionszündung waren nicht zu spüren.
Zudem fand ein Wechsel nur sehr selten statt. In den meisten Fahrsituationen und sogar beim leichten Beschleunigen konnte der Motor im sparsamen Kompressionszündmodus gehalten werden. Der Bordrechner zeigte am Ende der 70 km langen Teststrecke (Stadt, Landstraße, Autobahn) über 90 % an.
Der Zweiliter-Vierzylinder soll bei Serieneinsatz 140 kW leisten. Derzeit sind es rund 130 kW, wie Mazda-Techniker bestätigten. Das Drehmoment beträgt 230 Nm , das sind 10 % mehr als der heutige Zweiliter-Skyactiv-G-Motor (121 kW) entwickelt. „Wir legen den Fokus nicht auf Höchstleistung sondern klar auf Effizienz“, sagt Heiko Strietzel, Leiter Powertrain bei Mazda Motor Europe. Exakte Werte werden noch nicht verraten, man befinde sich noch im Homologationsprozess. Die Verbrauchseinsparung soll jedoch bis zu 30 % betragen. „Wir liegen damit auf dem Niveau eines vergleichbaren Dieselmotors“, so Strietzel.
In Mazdas X-Motor wird im Ansaugtakt mit der ersten und sehr frühen Einspritzung ein mageres Gemisch erzeugt, das viel Zeit hat, sich gleichmäßig im Brennraum zu verteilen und einen nahezu homogenen Zustand zu erreichen. Mit dem nach oben gehenden Kolben verdichtet sich das Gemisch für Benzinmotoren auf extreme 16:1, bleibt aber noch mager genug, um sich nicht selbst zu entzünden. Kurz vor OT (oberer Totpunkt des Kolbens) wird dann mit einer zweiten Einspritzung deutlich mehr Benzin in den verbleibenden Brennraum gedrückt und ein Teil davon so geschickt an den Bereich der Zündkerze gebracht, dass dort ein fettes Gemisch entsteht und gezündet werden kann. Dieses „Minifeuer“ löst nun einen plötzlichen, weiteren Druckanstieg aus, der gezielt den gesamten Rest der Benzin-Luft-Mischung zur Selbstzündung bringt.
Das Entscheidende: In „normalen“ Magermotoren breitete sich die Flammfront nicht im gesamten Brennraum aus, die Verbrennung kommt teils zu früh zum Erliegen. Den Mazda-Ingenieuren gelang es, durch die Kompressionszündung eine deutlich höhere Brenngeschwindigkeit zu erreichen und das gesamte Magergemisch gleichzeitig zu verbrennen.
Der X-Motor ist also kein reiner Selbstzünder wie ein Dieselmotor, sondern eher ein spezieller Magermotor, der wie ein Diesel mit hohem Luftüberschuss und fast ständig offener Drosselklappe läuft, dadurch mit minimalen Drosselverlusten arbeitet. So weit war der „Diesotto“ von Mercedes zwar auch, allerdings arbeitete deren Motor lediglich in einem sehr schmalen Lastfenster zufriedenstellend. Wurde nur leicht beschleunigt, schaltete das System augenblicklich auf „konventionelle Verbrennung“ um. Der eigentliche Spareffekt war dahin.
Diesen Konflikt hat Mazda gelöst indem die Annahme, für eine Kompressionszündung sei keine Zündkerze nötig, infrage gestellt wurde. „Nur durch die Einbindung der Zündkerze gelang uns die Kombination von homogener Gemischbildung, Magermix und kontrolliertem Verbrennungsablauf über ein großes Drehzahlband“, sagt Heiko Strietzel.
Mazda gibt allerdings auch zu, ein wenig von der „späten Geburt“ profitiert zu haben. „Die kontinuierliche Druckmessung in den Zylindern war damals nicht in dieser Präzision möglich. Ebenso fehlte es an Rechnerkapazität“, sagt Christian Schultze, Direktor des Mazda-Entwicklungszentrums in Oberursel, „wir verwenden hier zur Datenerfassung ein Hochleistungssteuerungsgerät.“
Beim Skyactiv X mit 2 l Hubraum und vier Zylindern soll es nicht bleiben. Aus Mazda-Kreisen ist hinter vorgehaltener Hand zu vernehmen, dass auch an einem Dreizylinder mit 1,5 l und einem Sechszylinder mit 3,0 l Hubraum geforscht wird. Ähnlich wie BMW setzt auch Mazda auf einen modularen Aufbau und einen hohen Verblockungsgrad. Allen Motoren ist nicht nur die einheitliche Brennraumgröße von 500 cm3 gemeinsam, sondern die kostengünstige Gleichteilstrategie erstreckt sich auch auf Kolben, Pleuel, Ventile, Kurbel- und Ventiltrieb.
