Funktionsweise von Gas-Selbstzündungsmotoren

Im Sommer 2017 machte Mazda eine Ankündigung: Der Autokonzern hat einen Weg gefunden, selbstzündende Benzinmotoren für PKWs herzustellen. Mazda behauptete, sein neuer Motor könne den Kraftstoffverbrauch um 20 bis 30 Prozent verbessern, was für einen Ottomotor eine beachtliche Leistung ist.

Bevor wir in diese Technologie eintauchen, sollten wir erwähnen, dass der Selbstzündungsmotor kein neues Konzept ist. In der Formel 1 werden Selbstzünder eingesetzt, und auch andere Automobilhersteller haben versucht, eine kommerziell nutzbare Version für Pkw zu entwickeln. Aber der Motor von Mazda, Skyactiv-X genannt, wird der erste in Serie gefertigte und kommerziell erhältliche Motor dieses Typs sein. Dank Jay Chen, einem Antriebsstrang-Ingenieur bei Mazda, konnte HowStuffWorks erfahren, wie dieser Durchbruch erzielt wurde. Zunächst müssen wir jedoch einen Blick auf die Grundfunktionen eines Motors werfen.


Ein Motor funktioniert, indem er den Kraftstoff auf zwei Arten entzündet: durch Hitze und Kompression. Ottomotoren sind in den meisten Benzinautos zu finden. Bei diesen Motortypen zünden die Zündkerzen, um den Kraftstoff im Brennraum zu entzünden, während das Kraftstoff-Luft-Gemisch gleichzeitig verdichtet wird. Dies ist natürlich eine sehr vereinfachte Version des Prozesses, um den Hauptunterschied zwischen den beiden Motortypen zu verdeutlichen. Fremdgezündete Motoren folgen einem Zyklus und benötigen ein präzises Timing, um zu funktionieren, sind aber im Allgemeinen unter einer Vielzahl von Bedingungen zuverlässig [Quelle: Knight].

Selbstzündungsmotoren arbeiten eher wie Dieselmotoren. Dieselmotoren sind für eine viel höhere Verdichtung ausgelegt (was schwerere Komponenten und eine stärkere Konstruktion erfordert) und verwenden Glühkerzen als Wärmequelle anstelle von Zündkerzen. Glühkerzen heizen den Verdichtungsraum auf, was wiederum die Verdichtung in 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 von Kraftstoff und Kerze. Das Fehlen des „Funkens“ trägt dazu bei, dass Dieselmotoren höhere EPA-Werte erreichen als Benzinmotoren mit ansonsten ähnlichen Spezifikationen

Wenn wir uns auf Gas konzentrieren, fragen Sie sich vielleicht, wozu die Erklärung, wie ein Dieselmotor funktioniert? Ganz einfach, um die Bedeutung der Kompression zu verdeutlichen. Der beste Weg, den Gasmotor zu verbessern, ist herauszufinden, wie man die Kompression erhöhen kann, wodurch der Motor seinen Kraftstoffvorrat effizienter nutzen kann.

Ein Ottomotor mit Selbstzündung kombiniert die besten Teile dieser Prozesse. Der Motor ist so programmiert, dass er Luft (typischerweise Motorabgase) im Motorzylinder einfängt, indem er die Steuerzeiten der Auslass- und Einlassventile einstellt. Die Einspritzdüsen fügen diesem eingeschlossenen Abgas Kraftstoff hinzu, und da das eingeschlossene Gemisch unter sehr hoher Kompression steht, kann sich die relativ geringe Menge an Kraftstoff entzünden.

Kompressionszündungsmotoren können sogar in zwei verschiedene Typen unterteilt werden [Quelle: Lindberg].

Homogenous Charge Compression Ignition (HCCI): Bei diesem Motor werden Luft und Kraftstoff gemischt und dieses Gemisch dann komprimiert, bis es sich entzündet. Der Motor von Mazda wird der erste Motor vom Typ HCCI sein, der in Serie produziert wird.
Gasoline Direct Compression Ignition (GDCI): Bei diesem Motor wird das Benzin in ein bereits komprimiertes Luft-Abgas-Gemisch gespritzt.
Der Hauptunterschied zwischen diesen beiden Motoren ist der Punkt im Prozess, an dem der Kraftstoff hinzugefügt wird, was durch Anpassungen der Zyklen und des Timings der Motoren erreicht wird. Ansonsten funktionieren die Motoren ähnlich; die Verdichtung ist der wichtigste Faktor.

Selbstzündungsmotoren haben ein paar Vorteile und mindestens ebenso viele Nachteile. Zu seinen Vorteilen gehören:

Er verbraucht weniger Kraftstoff als ein Fremdzündungsmotor
Er nutzt den Kraftstoff effizienter (d.h. es geht weniger Leistung durch die eigentliche Zündung und durch überschüssige Wärme verloren)
Da weniger Kraftstoff verbraucht wird, verschmutzt das Auto weniger
„Als grobe Analogie ist die Funkenzündung so, als würde man ein Feuer entfachen, indem man nur eine Kante der Zeitung anzündet und die Flamme allmählich über das Papier klettern lässt“, erklärt Mazda-Antriebsstrangingenieur Jay Chen per E-Mail. „[Die Kompressionszündung] ist eher mit einer spontanen Verbrennung vergleichbar, bei der der Kraftstoff und die Luft den kritischen Druck und die kritische Temperatur erreicht haben und die gesamte Ladung gleichzeitig die Phase wechselt, wodurch die gesamte Energie auf einmal freigesetzt wird. Indem die gesamte Energie fast auf einmal freigesetzt wird, kann die [Kompressionszündung] mehr Leistung aus der gleichen Menge Luft herausholen (da sie lange vor dem Aufbrauchen des Expansionsverhältnisses stattfindet), während sie zwei- bis dreimal weniger Kraftstoff verbraucht und bei viel kühleren Verbrennungstemperaturen arbeitet, was die verschwendete Wärmeenergie und die Emissionsbildung weiter reduziert.“

Klingt toll, oder? Das Problem ist, dass diese Motoren wirklich pingelig sind – wenn sie einfach zu konstruieren und zu bedienen wären, würden wir sie schon längst fahren. Selbst wenn Sie mit Dieselmotoren nicht vertraut sind, haben Sie vielleicht schon gehört, dass sie unter suboptimalen Bedingungen unangenehm sein können. Das liegt zum Teil am Dieselkraftstoff selbst, der bei sehr kalten Temperaturen zum „Gelieren“ neigt. Dieses Problem haben wir bei Benzin nicht, das auch bei Minusgraden flüssig bleibt. Aber die Selbstzündung kann immer noch durch das Wetter und andere Umgebungsbedingungen sowie durch andere Faktoren wie die Qualität des Kraftstoffs beeinflusst werden.

„Bisher gab es Verbrennungsmotoren mit Selbstzündung nur unter stabilen Laborbedingungen oder rohe Fahrzeugprototypen, die zu grob waren, um sie in der Produktion einzusetzen“, sagt Chen.

Mit anderen Worten: Wenn der Druck und die Temperatur in den Zylindern nicht sorgfältig aufrechterhalten werden, wird der Prozess nicht funktionieren. Zu kalte Temperaturen können die empfindlichen Komponenten des Motors beschädigen. Wenn der Motor zu heiß wird, kann er anfangen zu klopfen – ein Zustand, der eintritt, wenn das Kraftstoff-Luft-Gemisch zu heiß wird und zum falschen Zeitpunkt detoniert, was Kraftstoff verschwendet und zu einem schlecht laufenden Motor führt. Ein Ottomotor kann auch zu kalt oder zu heiß werden, hat aber eine viel höhere Fehlertoleranz.

Damit ein Selbstzündungsmotor zuverlässig funktioniert, ist eine präzise Kombination aus Luft, Kraftstoff und Abgasen im perfekten Verhältnis, mit der perfekten Verdichtung und der richtigen Wärmemenge zur richtigen Zeit erforderlich. Wie wir wissen, war noch niemand in der Lage, ein Auto mit einem selbstzündenden Gasmotor zu bauen, also musste dieser Prozess weiter verfeinert werden.

Kurz nach der Ankündigung von Mazda begannen Experten der Autoindustrie zu spekulieren, ob ein serienmäßiger Selbstzündungsmotor die Gasmotoren „retten“ könnte. Das heißt, wenn sich die Industrie mehr in Richtung Hybrid- und Elektrotechnologie bewegt, könnte dieser Gasmotor dann effizient genug sein, um ein ernstzunehmender Konkurrent zu sein?

Chen sagt, dass Mazda von der Überzeugung motiviert ist, dass „indem wir jedes bisschen Effizienz aus dem Verbrennungsmotor herausquetschen (in Verbindung mit der Elektrifizierung, sobald der Verbrennungsmotor perfektioniert ist), wir eine Methode zum Antrieb des Automobils bis weit in dieses Jahrhundert hinein liefern können, die das Potenzial hat, die gleichen oder weniger ‚Well-to-Wheel‘-CO2-Emissionen zu erzeugen wie reine Batterie-Elektrofahrzeuge, die von fossilen Kraftwerken verschiedener Formen angetrieben werden.“

Mit anderen Worten: Mazda ist der Meinung, dass ein Auto mit einem Gasmotor bei fortgesetzter Innovation mindestens so effizient sein kann wie ein Elektroauto, möglicherweise sogar noch effizienter. Werfen wir einen Blick darauf, wie sich dieser Durchbruch in der Selbstzündungstechnologie von denen unterscheidet, die vor ihm kamen.

Im Jahr 2007 fuhr Motor Trend einen Saturn Aura mit einem Selbstzündungsmotor, der einen um 15 Prozent geringeren Kraftstoffverbrauch als ein normaler Aura erreichte [Quelle: Markus]. Damals rechnete GM damit, im Jahr 2015 ein Fahrzeug mit Selbstzündungsmotor auf den Markt zu bringen, aber die Marke Saturn wurde nur wenige Jahre später eingestellt, 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 Selbstzünder namens DiesOtto, und auch Ford hatte ein Projekt in der Entwicklung [Quelle: Estrada]. Keiner dieser Motoren erhielt jedoch grünes Licht für die Produktion, und die Erfahrung von Hyundai könnte eine Erklärung dafür sein [Quelle: Markus].

Abgesehen von Mazda hat Hyundai wahrscheinlich die meisten Fortschritte gemacht, mit Bemühungen, die zum ersten Mal um 2013 ans Licht kamen [Quelle: Markus]. Das Unternehmen entwickelte seine Version eines Selbstzündungsmotors ohne Zündkerzen oder Glühkerzen, mit einem angestrebten 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. Stärkere Motorkomponenten, nämlich der Block, die Kurbelwelle und die Lager, können natürlich konstruiert werden; so funktionieren Dieselmotoren. Es ist nur sehr teuer, und diese stärkeren Komponenten erhöhen das Gewicht des Autos und verringern seine Gesamteffizienz. Hyundai hatte von Anfang an geplant, einen Turbolader einzusetzen, um die Leistung zu erhöhen und die notwendige Kompression aufrechtzuerhalten, aber sie entdeckten, dass sie auch einen Kompressor benötigen würden, was das Budget weiter sprengte. Und schließlich war Hyundai nicht zufrieden mit der Menge an Schadstoffen, die von diesen Antrieben produziert wurden. Am Ende war das Projekt viel teurer und nicht annähernd so sauber und effizient wie geplant [Quelle: Markus].

Mazdas Entwicklungsanstrengungen dauern schon fast so lange an wie die der Konkurrenz.

Was this helpful?

0 / 0

Schreibe einen Kommentar 0

Your email address will not be published. Required fields are marked *