Mazdas ganzer Stolz

SKYACTIV-X Mazda ist der erste Hersteller, der den Diesotto zur Serienreife bringt. Es ist ein weiteres Alleinstellungsmerkmal der Japaner.

Da ist er endlich! Das Interesse am brandneuen Skyactiv-X-Motor war seit der Ankündigung, spätestens aber seit der Vorstellung des neuen Mazda 3, immens. Denn auch wenn sich die Japaner bescheiden geben, so ist ihnen anzumerken, dass es sich dabei um eine Herzensangelegenheit handelt, auf die der verhältnismässig kleine Hersteller auch ordentlich stolz ist. Vielleicht auch deshalb war die erste Testfahrt im Vorserienmodell rund um Frankfurt (D) insofern eine Überraschung, als dass auch diese Motorisierung dem Mazda 3 nicht zum erhofften Spektakel verhalf. Die maximal 180 PS und 224 Nm Drehmoment lassen den Zweiliter-Vierzylinder zwar saugergetreu linear und durchaus kraftvoll hochdrehen, wirklich sportlich geht aber anders. «Der Skyactiv-X sollte nie ein High-Performance-Motor werden, daher war auch ein Turbo kein Thema. Vielmehr hatten wir immer das Ziel, die Fahreigenschaften zu verbessern und dabei den Verbrauch zu senken», sagt Heiko Strietzel, Leiter Powertrain bei Mazda. Dass der Motor nicht auf die letzte Spritzigkeit ausgelegt ist, suggeriert bereits der Geräuschpegel. Obschon der Motorblock vollständig und aufwändig eingekapselt ist, was einen gedämpften, aber klaren Sound im Innenraum bringen soll, wirkt die Geräuschkulisse bei höheren Drehzahlen etwas an-gestrengt. Insgesamt bewegt sich der X-Motor je-doch auf dem Niveau vergleichbarer Benziner. Dass Mazda dies überhaupt gelungen ist, gibt den-noch einen ersten Eindruck von der wahren Faszination hinter dem Skyactiv-X. Denn vereinfacht gesagt bedeutet eine höhere Verdichtung mehr Arbeit, was wiederum zu mehr Lärm und – obschon Benzin verbrannt wird – zu dieselähnlichen Geräuschen führt. Womit wir mitten in der eigentlichen Thematik sind.

Erstmals in Serie
Beim sogenannten Diesotto-Motor handelt es sich um eine Kreuzung aus den jeweiligen Vorzügen ei-nes Diesel- und eines Benzinmotors: effizient und dabei mit saubereren Abgasen. Die Idee dieses Crossover-Antriebs – deshalb auch das X in der Motorbezeichnung – ist zwar nicht neu, Mercedes beispielsweise zeigte vor zwölf Jahren auf der IAA in Frankfurt die Studie F700. Und bereits 1949 funktionierte der in einem Fahrrad verbaute Loh-mann-Hilfsmotor nach dem Prinzip der homogenen Kompressionszündung, bei dem die Verbrennung gleichzeitig im gesamten Brennraum erfolgt. Aber Mazda ist der erste Hersteller, der diesen aussergewöhnlichen Benziner in Serie bringt. «Damit sind wir unserem Ziel, die ideale Verbrennung zu ermöglichen, einen grossen Schritt näher gekommen», sagt Strietzel. Die homogene Kompressionszündung ist den Bemühungen geschuldet, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu vergrössern, also das Gemisch stark abzumagern. Der Vorteil: Wird dieses Verhältnis er-höht, so steigt auch das spezifische Wärmeverhältnis, welches direkt den thermischen Wirkungsgrad positiv beeinflusst. Zudem reduziert ein Motor-design, das grössere Luftmengen erlaubt, die beim Benzinmotor üblicherweise im Teillastbereich auf-tretenden Drosselverluste. «Beim Skyactive-X ist die Drosselklappe ohnehin fast ständig geöffnet. Aus diesem Grund verzichten wir beispielsweise auch auf Lösungen wie eine Zylinderabschaltung, da sie Pumpverluste nicht wesentlich reduzieren könnte», erklärt Strietzel. Auch bei der Mild-hybrid-Technologie beschränkt sich Mazda aufs Nötigste. Entgegen dem Trend zur 48-Volt-Lösung setzten die Japaner bei allen Motoren auf 24 Volt. «Wir sind der Ansicht, dass dies ausreichend ist», erklärt Strietzel.

Der Skyactiv-X (M.) verbindet das Beste aus zwei Welten: Er arbeitet mit einer ähnlich hohen Verdichtung wie ein Diesel (r.), greift dabei aber auf eine Verbrennung mit Zündkerzen wie beim Benziner (l.) zurück.

Die Zündkerze im Zentrum
Zurück zur Verbrennung: Wenn nun also das Benzin-Luft-Gemisch auf ein extremes Niveau abgemagert wird, dann wird ein Brennverfahren, das mit Zündkerze und Flammenausbreitung arbeitet, instabil. Zudem entzündet sich auch Benzin unter hohem Druck nur unter speziellen Bedingungen und meist unkontrolliert. Allgemein zeigt sich dieses Phänomen der Eigenzündung mit Klopfgeräuschen und ist eine Vorstufe für den Tod eines jeden Benzinmotors. «Wir beschäftigten uns in der Entwicklung hauptsächlich damit, wie wir den Treibstoff verbrennen», macht Strietzel klar. Deshalb wurde die Verdichtung auf maximal 16.3:1 erhöht. Einerseits lassen sich so der erforderliche Druck und damit Temperaturen für die Kompressionszündung erreichen, andererseits verhindert das abgemagerte Gemisch eine vorzeitige Selbstzündung. Denn bei herkömmlichen Benzin-Brennverfahren per Zündkerze breitet sich die Flammenfront kreisförmig und relativ langsam vom Funken der Zündkerze aus. Ist das Gemisch nun stark abgemagert, verteilt sich die Flammenfront nicht mehr im gesamten Brennraum, sodass die Verbrennung quasi zum Erliegen kommt. Bei einer Kompressionszündung hingegen entzündet sich das gesamte, magere Gemisch gleich-zeitig, was zu einer deutlich höheren Brenngeschwindigkeit führt. Dies wird erreicht, indem die Einspritzung zu unterschiedlichen Zeitpunkten er-folgt. Mit einer ersten, frühen Einspritzung wird ein homogenes Gemisch erzeugt, das genügend Zeit hat, sich im gesamten Brennraum zu verteilen, dabei aber mager genug ist, um nicht selbst zu entflammen. In der Folge verdichtet der nach oben gleitende Kolben das Gemisch. Mit einer zweiten Einspritzung wird deutlich mehr Benzin in den verbleibenden Brennraum gedrückt, sodass lokal um die Zündkerze ein Gemisch entsteht, dass per Kerze gezündet werden kann. Dieses Minifeuer löst einen plötzlichen Druckanstieg aus, der die Selbstzündung einleitet.

Der Mazda 3 ist in der Schweiz mit dem Skactiv-X-Motor ab kommendem Monat verfügbar.

Optimaler Wirkungsgrad
Mazda nennt dieses Konzept, welches den Skyac-tiv-X Motor einzigartig macht, Spark Controlled Compression Ignition (SPCCI). Da die Kompressionszündung in bestimmten Last- und Drehzahlbereichen nicht möglich war, war der Wechsel zwischen dem Fremd- und Kompressionszündungsbetrieb bei bisherigen Konzepten das Hauptproblem. SPCCI löst dieses Problem, weil sich Mazda der Annahme entledigte, dass für eine Kompressionszündung keine Zündkerze notwendig sei. «Wenn der Wechsel zwischen verschiedenen Brennverfahren so schwierig ist, müssen wir dann überhaupt wechseln?», fragt Strietzel.
Mit der kontinuierlich arbeitenden Zündkerze funktioniert die Kompressionszündung in einem deutlich grösseren Bereich, sodass sie nun nahezu alle Fahrbedingungen abdeckt. Mazda spricht davon, dass der Motor nun in 80 Prozent der Zeit mit optimalem Wirkungsgrad läuft. Zudem kann im Volllastbereich nahtlos zu einer Verbrennung mit Fremdzündung gewechselt werden. «In der Stadt verbrauchen wir mit dieser Technologie bis zu 30 Prozent weniger Treibstoff. Auf der Autobahn sind die Ersparnisse gegenüber den herkömmlichen Motoren jedoch tatsächlich vernachlässigbar», erläutert Stritzel.
Zusammengefasst lässt sich der SPCCI-Mechanismus also folgendermassen beschreiben: Der zusätzliche Verdichtungseffekt aus einer kleinen lokalen Verbrennung direkt an der Zündkerze wird genutzt, um den Druck und damit die Temperatur im Zylinder auf ein für eine Kompressionszündung erforderliches finales Niveau zu bringen.

Ein Meilenstein
Hat man dies alles erst einmal verinnerlicht, dann erfreut man sich unter Einhaltung der ab kommendem Jahr verbindlichen Abgasnorm Euro 6d an 4.3 Litern Normverbrauch und CO2-Emissionen von 96 g/km (nach NEFZ). Und ganz nebenbei: Dank der Beschleunigung von knapp über acht Sekunden auf Tempo 100 und der hervorragenden Fahrwerksabstimmung des Mazda 3 ist man mit dem Skyactiv-X Motor ohnehin flott unterwegs. Abschliessend sagt Heiko Strietzel: «Wir haben mit dem Skyactiv-X einen Meilenstein erreicht und denken, dass uns dieser Motor, ergänzt mit einer zunehmenden Elektrifizierung, die kommenden zehn bis 15 Jahre begleiten wird. Das bedeutet im Umkehrschluss aber auch, dass es noch eine Menge Potenzial für Optimierungen gibt.»