Funktionsweise von Gaskompressionsmotoren

Der SKYACTIV-X-Motor von Mazda ist der weltweit erste kommerzielle Benzinmotor mit Selbstzündung. Mazda

Im Sommer 2017 gab Mazda bekannt: Die Autofirma hat einen Weg gefunden, Benzinmotoren mit Selbstzündung für Personenkraftwagen herzustellen. Mazda behauptete, sein neuer Motor könne den Kraftstoffverbrauch um 20 bis 30 Prozent senken, was für einen Benzinmotor eine beachtliche Leistung darstellt.

Bevor Sie sich mit dieser Technologie befassen, sollten Sie beachten, dass der Selbstzündungsmotor kein neues Konzept ist. Formel-1-Fahrzeuge verwenden Selbstzündungsmotoren, und mehrere andere Autohersteller haben versucht, eine wirtschaftlich tragfähige Version für Personenkraftwagen zu entwickeln. Aber Mazdas Motor, Skyactiv-X genannt, wird der erste in Serie produzierte und im Handel erhältliche Motor dieses Typs sein. Dank Jay Chen, einem Antriebsstrangingenieur bei Mazda, konnte er erfahren, wie dieser Durchbruch erzielt wurde. Zunächst müssen wir uns jedoch die Grundfunktionen eines Motors ansehen.

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 Kraftstoff im Brennraum zu entzünden, während das Kraftstoff-Luft-Gemisch ebenfalls komprimiert wird. Dies ist natürlich eine sehr vereinfachte Version des Prozesses, um den Hauptunterschied zwischen den beiden Motortypen zu veranschaulichen. Ottomotoren folgen einem Zyklus und erfordern ein genaues Timing, um zu arbeiten, sind jedoch im Allgemeinen unter einer Vielzahl von Bedingungen zuverlässig [Quelle: Knight].

Selbstzündungsmotoren arbeiten eher wie Dieselmotoren. Dieselmotoren sind für eine viel höhere Kompression ausgelegt (was schwerere Komponenten und eine stärkere Konstruktion erfordert) und verwenden Glühkerzen als Wärmequelle anstelle von Zündkerzen. Glühkerzen erwärmen die Kompressionskammer, was wiederum die Kompression innerhalb der Kammer erhöht. Wenn der Kraftstoff in die Kammer gegeben wird, wird er über die Spitze der Glühkerze gesprüht, aber der Prozess beruht mehr auf der Kompression als auf dem Kontakt des Kraftstoffs und der Kerze. Das Fehlen von "Funken" hilft Dieselmotoren, höhere EPA-Werte als Benzinmotoren mit ansonsten ähnlichen Spezifikationen zu erreichen [Quelle: Stewart].

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

Ein Selbstzündungsbenzinmotor kombiniert die besten Teile dieser Prozesse. Der Motor ist so programmiert, dass er Luft (typischerweise Motorabgas) im Motorzylinder einfängt, indem der Zeitpunkt der Auslass- und Einlassventile eingestellt wird. Die Kraftstoffinjektoren 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].

• Homogene Ladungskompressionszündung (HCCI): Dieser Motor mischt Luft und Kraftstoff und komprimiert dieses Gemisch dann, bis es sich entzündet. Mazdas Motor wird der erste HCCI-Motor sein, der in Massenproduktion hergestellt wird.
• Benzin-Direktzündungszündung (GDCI): Dieser Motor spritzt das Benzin in ein Gemisch aus Luft und Abgas, das bereits komprimiert wurde.

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

Der 2,0-Liter-SKYACTIV-G hat die Leistung eines 2,5-Liter-Motors und den Wirkungsgrad eines 1,5-Liter-Dieselmotors. Mazda

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

• Es verbraucht weniger Kraftstoff als ein Ottomotor
• Es nutzt den Kraftstoff effizienter (mit anderen Worten, es geht weniger Energie für die eigentliche Zündung und für überschüssige Wärme verloren).
• Da weniger Kraftstoff verbraucht wird, verschmutzt das Auto weniger

"Als grobe Analogie ist die Funkenzündung vergleichbar damit, ein Feuer zu entfachen, indem nur eine Kante des Zeitungszünders angezündet wird und die Flamme allmählich über das Papier steigt", erklärt Jay Chen, Antriebsstrangingenieur von Mazda, per E-Mail. "[Selbstzündung] ist eher eine Selbstentzündung, bei der Kraftstoff und Luft einen kritischen Druck und eine kritische Temperatur erreicht haben und die gesamte Ladung gleichzeitig ihre Phase ändert, wodurch die gesamte Energie auf einmal freigesetzt wird. Indem die gesamte Energie fast auf einmal freigesetzt wird, [ Selbstzündung] kann mehr Leistung (da dies lange vor dem Verbrauch des Expansionsverhältnisses geschieht) aus derselben Luftmenge extrahieren, während zwei- bis dreimal weniger Kraftstoff und bei viel kühleren Verbrennungstemperaturen verbraucht werden, wodurch die Bildung von Wärmeverschwendung und Emissionen weiter reduziert wird . "

Hört sich toll an, oder? Das Problem ist, dass diese Motoren wirklich pingelig sind - wenn sie einfach zu konstruieren und zu verwenden wären, würden wir sie jetzt fahren. Auch wenn Sie mit Dieselmotoren nicht vertraut sind, haben Sie vielleicht gehört, dass sie unter nicht optimalen Bedingungen unpraktisch sein können. Ein Teil davon ist auf den Dieselkraftstoff selbst zurückzuführen, der bei sehr kalten Temperaturen zum "Gelieren" neigt. Wir haben dieses Problem nicht mit Benzin, das auch unter Gefrierbedingungen flüssig bleibt. Die Selbstzündung kann jedoch weiterhin durch das Wetter und andere Umgebungsbedingungen sowie durch andere Faktoren wie die Qualität des Kraftstoffs beeinflusst werden.

"Bisher gab es Selbstzündungs-Verbrennungsmotoren nur unter stabilen Laborbedingungen oder bei Rohfahrzeug-Prototypen, 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 eingehalten werden, funktioniert der Prozess nicht. Zu kalte Temperaturen können die empfindlichen Komponenten des Motors beschädigen. Wenn der Motor zu heiß wird, kann er zu klopfen beginnen - ein Zustand, der auftritt, wenn das Kraftstoff-Luft-Gemisch zu heiß wird und zur falschen Zeit detoniert, wodurch Kraftstoff verschwendet wird und der Motor schlecht läuft. Ein Ottomotor kann auch zu kalt oder zu heiß werden, hat aber eine viel höhere Fehlerquote.

Damit ein Selbstzündungsmotor zuverlässig funktioniert, hängt eine präzise Kombination von Luft, Kraftstoff und Abgasen ab, die im perfekten Verhältnis, bei perfekter Kompression und mit genau der richtigen Wärmemenge zum richtigen Zeitpunkt gemischt werden. Wie wir wissen, war noch niemand in der Lage, ein Auto mit einem Selbstzündungsgasmotor zu bauen, daher musste dieser Prozess weiter verfeinert werden.

Ein Auto, das von einem Gaszündungsmotor angetrieben wird, kann mindestens so effizient sein wie ein Elektroauto, und möglicherweise sogar noch effizienter. Reimar Gaertner / UIG

Kurz nach Mazdas Ankündigung begannen Experten der Autoindustrie zu spekulieren, ob ein Selbstzündungsmotor für den Massenmarkt Gasmotoren "retten" könnte. Das heißt, wenn sich die Branche mehr in Richtung Hybrid- und Elektrotechnik bewegt, könnte dieser Gasmotor effizient genug sein, um ein tragfähiger Konkurrent zu sein?

Laut Chen ist Mazda von der Überzeugung motiviert, dass "wir durch das Auspressen jedes Wirkungsgrads aus dem Verbrennungsmotor (in Verbindung mit der Elektrifizierung, sobald der Verbrennungsmotor perfektioniert ist) eine Methode liefern können, mit der das Automobil bis weit in dieses Jahrhundert hinein angetrieben werden kann." das hat das Potenzial, die gleichen oder weniger CO2-Emissionen zu erzeugen, die sich gut auf Räder auswirken lassen wie reine Batterie-Elektrofahrzeuge, die mit Kraftwerken auf der Basis fossiler Brennstoffe verschiedener Formen betrieben werden. "

Mit anderen Worten, Mazda glaubt, dass ein Auto mit Gasmotor bei kontinuierlicher Innovation mindestens so effizient sein kann wie ein Elektroauto, und möglicherweise sogar noch effizienter. Lassen Sie uns einen Blick darauf werfen, wie sich dieser Durchbruch in der Selbstzündungstechnologie von den vorherigen unterscheidet.

2007 fuhr Motor Trend einen Saturn Aura, der von einem Selbstzündungsmotor angetrieben wurde und den Kraftstoffverbrauch gegenüber einer normalen Aura um 15 Prozent senkte [Quelle: Markus]. Zu dieser Zeit hatte GM erwartet, 2015 ein Fahrzeug mit Selbstzündungsmotor herauszubringen, aber die Marke Saturn wurde nur wenige Jahre später geschlossen, und GM verlagerte seinen Fokus allmählich auf Elektro- und Plug-in-Hybridfahrzeuge wie den Chevrolet Volt.

Etwa zur gleichen Zeit arbeitete Mercedes-Benz an einem Selbstzündungssystem namens DiesOtto, und Ford hatte auch ein Projekt in der Entwicklung [Quelle: Estrada]. Keiner dieser Motoren hat jedoch grünes Licht für die Produktion erhalten, und die Erfahrung von Hyundai könnte erklären, warum [Quelle: Markus].

Abgesehen von Mazda hat Hyundai wahrscheinlich die größten Fortschritte erzielt, mit Bemühungen, die erstmals um 2013 zutage traten [Quelle: Markus]. Das Unternehmen entwarf seine Version eines Selbstzündungsmotors ohne Zündkerzen oder Glühkerzen mit einem Veröffentlichungsdatum von 2023.

Trotz vielversprechender Fortschritte stellte Hyundai 2016 fest, dass die Motorkomponenten einfach nicht stark genug waren, um die für den Prozess erforderliche Kompression zu bewältigen. Natürlich können stärkere Motorkomponenten konstruiert werden, nämlich Block, Kurbel und Lager. So funktionieren Dieselmotoren. Es ist nur sehr teuer, und diese stärkeren Komponenten erhöhen das Gewicht des Autos und verringern dessen Gesamteffizienz. Hyundai hatte die ganze Zeit geplant, einen Turbolader zu verwenden, um die Leistung zu erhöhen und die erforderliche Kompression aufrechtzuerhalten, aber sie stellten fest, dass sie auch einen Kompressor benötigen würden, was das Budget weiter sprengte. Und schließlich war Hyundai mit der Verschmutzung durch diese Antriebe nicht zufrieden. Am Ende war das Projekt viel teurer und bei weitem nicht so sauber und effizient wie geplant [Quelle: Markus].

Die Entwicklungsbemühungen von Mazda dauern fast so lange wie die der Wettbewerber.

"Skyactiv-X war schon vor der Einführung der ersten Generation von Skyactiv in Planung", erklärt Mazda-Ingenieur Chen. "Der erste Schritt in dieser Roadmap war die 2009 eingeführte Skyactiv-Technologie von Mazda. Die wichtigste Verbesserung zu dieser Zeit war die Anwendung eines unkonventionell hohen Motorkompressionsverhältnisses zur Steigerung des Gesamtwirkungsgrads des Motors sowie der Leistung des Antriebsstrangs. Dies wurde durch a erreicht synergistische Kombination bestehender Techniken, die zusammen angewendet werden, um das zu erreichen, was (bis dahin) für Serienmotoren für unmöglich gehalten wurde. "

In Laienbegriffen: "Skyactiv" ist der Begriff für Mazdas Strategie, die Komprimierung zu steigern, um die Effizienz zu steigern, und Mazda musste ein wenig herumspielen, um den kommenden Skyactiv-X zum Laufen zu bringen. Infolge dieses Bastelns fügte Mazda der Mischung eine Zündkerze hinzu, sodass der Motor je nach der derzeit effizientesten zwischen Kompression und Funkenzündung umschalten kann. Das hört sich vielleicht so an, als würde es gegen die Grundlagen der Hochkompressions-Motorentechnologie verstoßen, aber Chen sagt, dass es funktioniert.

"Dieser Durchbruch, den wir als funkengesteuerte Selbstzündung (SPCCI) bezeichnen, erweiterte den nutzbaren Bereich des Betriebs und der Steuerung der Selbstzündung erheblich und bot die Lösung für einen nahtlosen Übergang zwischen CI [Selbstzündung] und SI [Fremdzündung]. Verbrennungsmodi bei hohen Motordrehzahlen (im Fall von Skyactiv-X) ", sagt Chen.

Einfacher ausgedrückt ist die Zündkerze die magische Zutat, die es dem Motor ermöglicht, reibungslos zu laufen und sich an unterschiedliche Bedingungen anzupassen. Sie wird nur verwendet, wenn dies unbedingt erforderlich 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 auf diese Idee gekommen war, dauerte die Entwicklung des Motors weitere zwei Jahre. In dieser Zeit wurde eine weitere wichtige Entscheidung getroffen. Fahrzeuge mit Skyactiv-X-Motoren werden mit Kompressoren ausgestattet sein, um die Leistungsdaten zu verbessern. Dies wird die Fahrdynamik verbessern und potenzielle Käufer davon überzeugen, die Chance auf diese neue Technologie zu nutzen [Quelle: Estrada].

Die letzte große Frage - wann können die Fahrer damit rechnen? Ein Sprecher von Mazda sagt, dass das Unternehmen noch nicht bekannt geben kann, welche Fahrzeuge als erste mit dem Skyactiv-X-Motor ausgestattet sein werden oder wann sie verfügbar sein werden. Wir wissen auch nicht, ob Fahrzeuge mit Selbstzündungsmotoren mehr kosten als vergleichbare Fahrzeuge mit Ottomotoren. Man kann 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.

Anmerkung des Autors: Funktionsweise von Gas-Selbstzündungsmotoren

Im Gegensatz zu vielen meiner Kollegen mache ich mir keine besonderen Sorgen um das "Sparen von Gasmotoren", obwohl dies wahrscheinlich zur Arbeitsplatzsicherheit beitragen würde. Vielleicht sollte ich etwas egoistischer sein, aber ich habe beschlossen, über den Selbstzündungsmotor zu schreiben, nur weil mich jede Innovation fasziniert, die dazu beitragen kann, ein Auto effizienter zu machen.

Aus diesem Grund - Nachhaltigkeit im Allgemeinen - bin ich gespannt darauf, ein Fahrzeug mit Selbstzündungsmotor zu testen, sobald es verfügbar ist. Wie bei Hybriden und Elektrik wird es meiner Meinung nach viele Gespräche darüber geben, ob diese Fahrzeuge stark genug sind oder nicht. Ehrlich gesagt, ich vermute, dass die durchschnittliche Person den Unterschied nicht erkennen kann. Es gibt viele Möglichkeiten, ein Auto interessant zu machen, abgesehen davon, es einfach so leistungsstark wie möglich zu machen, und das ist ein Bereich, in dem sich Mazda auszeichnet.

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Quellen

• Brown, Jacob. Spezialist, Produktkommunikation, Mazda. Persönliche Korrespondenz. 1. September 2017.
• Chen, Jay. Antriebsstrangingenieur, Mazda. Persönliche Korrespondenz über Jacob Brown. 1. September 2017.
• Estrada, Zac. "Mazda könnte die Technologie haben, um den Verbrennungsmotor zu retten." Der Rand. 8. August 2017. (30. August 2017) https://www.theverge.com/2017/8/8/16099536/mazda-compression-ignition-engine-technology
• Ritter, Cheryl. "Wie ein Auto-Zündsystem funktioniert." YourMechanic. 19. November 2015. (29. August 2017) https://www.yourmechanic.com/article/how-a-car-ignition-system-works
• Lindberg, Austin. "Hyundai entwickelt benzinbetriebenen Selbstzündungsmotor." Auto und Fahrer. 18. November 2013. (30. August 2017) http://blog.caranddriver.com/hyundai-developing-gasoline-burning-compression-ignition-engine/
• Markus, Frank. "Technologue: Love Child - Fahren der ultimativen Bastard-Engine." Motor Trend. 19. November 2007. (30. August 2017) http://www.motortrend.com/news/technologue-41/
• Markus, Frank. "Was ist mit Hyundais HCCI-Motor passiert?" Motor Trend. 14. Dezember 2016. (30. August 2017) http://www.motortrend.com/news/whatever-happened-hyundais-hcci-engine/
• Mazda. "Mazda kündigt langfristige Vision für die Technologieentwicklung an, 'Sustainable Zoom-Zoom 2030'." 8. August 2017. (20. August 2017) http://www2.mazda.com/de/publicity/release/2017 /201708/170808a.html
• Stewart, Jack. "Mazdas schlauer neuer Motor bringt mehr Meilen mit weniger Kraftstoff." Verdrahtet. 9. August 2017. (30. August 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 Berichte. 21. August 2017. (30. August 2017) http://www.greencarreports.com/news/1112222_how-mazdas-skyactiv-x-engine-based-on-hcci-actually-works-video