Ein Benziner und ein Diesel mit dem gleichen Verdichtungsverhältnis

Diesel und Benziner, so verschieden sie auch erscheinen, sollen sich irgendwo in der Mitte treffen: Die Zukunftsvision vieler Motorenentwickler ist ein ,idealer Verbrennungsmotor" mit HCCI-Technik (Homogeneous Charge Compression Ignition, also homogene Kompressionszündung). Mazda bewegt sich mit seinen neuen Skyactiv-Motoren in diese Richtung. Es handelt sich zwar noch um einen Diesel und einen Benziner, aber sie besitzen beide das gleiche Verdichtungsverhältnis.

Benziner und Diesel mit Verdichtung 14:1
Konventionelle Benzi­ner haben eine niedrige Kompression, meist zwischen 10:1 und 12:1, während im Diesel die Zündung durch eine starke Verdichtung von etwa 16:1 bis 18:1 ermöglicht wird. Bei beiden neuen Mazda-Motoren beträgt das Verdichtungsverhältnis dagegen 14:1. Wir haben den 2,2-Liter-Diesel mit 175 PS und den Zweiliter-Benziner mit 165 PS bereits in Prototypen gefahren.

Skyactiv-D: Supersparsam, supergut?
Wahre Wunderdinge verspricht Mazda von dem 2,2-Liter-Diesel, der Anfang 2012 im CX-5 debütiert. Die 150-PS-Version soll gleich 20 Prozent weniger als der aktuelle 2.2 CD mit 129 PS verbrauchen. Im heutigen Mazda 6 wären das 4,2 statt 5,2 Liter. Damit würde das Auto Platz zwei in der Mittelklasse belegen, nach der Spar-Version des BMW 320d (4,1 Liter).

Keine separate NOx-Technik nötig
Außerdem soll die strenge Euro-6-Norm ohne aufwendige Abgasbehandlung mit NOx-Speicherkat oder SCR-System eingehalten werden. Das schafft das Aggregat durch die weltweit niedrigste Verdichtung in einem Diesel-Pkw. Bei der üblichen hohen Diesel-Kompression entstehen am Oberen Totpunkt (OT) hohe Drücke und Temperaturen. Dadurch entzündet sich der Sprit, bevor sich eine homogene Mischung bilden kann – die Bildung von Stickoxiden und Ruß ist die Folge. Daher wird bei konventionellen Dieseln erst spät gezündet, was den Wirkungsgrad verringert. Beim Sky­activ-Motor mit seiner geringen Verdichtung können sich wegen der niedrigeren Temperatur Diesel und Luft besser mischen. So kann nahe am OT eingespritzt werden, was zu hohem Wirkungsgrad und geringem Verbrauch führt.

Variabler Ventilhub
Zündaussetzer in der Warmlaufphase verhindert Mazda durch eine variable Steuerung des Ventilhubs auf der Auslassseite. Die Auslassventile können so im Ansaugtakt leicht geöffnet werden, um heißes Abgas zurück in den Zylinder zu saugen – das erhöht die Temperatur beim Warmlaufen.

Zwei Turbolader sind im Einsatz
Der Skyactiv-Diesel besitzt zwei Turbos. Damit bringt es die gefahrene 175-PS-Version auf maximal 420 Newtonmeter. In einem Prototypen auf Basis des aktuellen Mazda 6 fährt sich der Motor angenehm, aber nicht sportlich. Die Kraft entwickelt sich gleichmäßig, bei niedrigen Touren ist jedoch wenig geboten. Der 170 PS starke Mercedes C 220 CDI bietet seine 400 Newtonmeter schon ab 1.400 U/min an. Dagegen stellt Mazda die Maximalkraft erst bei 2.000 U/min bereit, bei 1.400 Touren gibt es nur etwa 330 Newtonmeter. Bei hohen Drehzahlen aber hat der Mazda-Diesel Mumm und lässt sich laut Drehzahlmesser bis 5.700 U/min hochjubeln – bei den meisten Selbstzündern ist schon bei etwa 4.500 Touren Feierabend.

Benziner: Maßnahmen gegen das Klopfen
Während Mazda beim Skyactiv-D die Verdichtung senkt, wird beim Benziner namens Skyactiv-G – G für Gasoline – die Kompression auf 14:1 erhöht. Das verbessert den Wirkungsgrad und senkt den Verbrauch. Doch eine höhere Kompression führt beim Benziner zum Klopfen, wobei es sich um eine unkontrollierte Verbrennung aufgrund zu hoher Temperatur und zu hohem Druck im Zylinder handelt. Gut, dass sich die Temperatur im Zylinder konstant halten lässt, indem man das Restgas vermindert, also das Abgas, das nach der Verbrennung im Zylinder bleibt. Denn frische Verbrennungsluft aus der Umgebung ist deutlich kühler als Abgas.

Altmodischer Krümmer
Auch durch den Einsatz eines so genannten 4-2-1-Krümmers verringert Mazda die Klopfneigung. Üblich ist ein 4-1-Krümmer, bei dem die Abgase aus allen vier Zylindern gleichzeitig zusammengeführt werden. Dabei kann zum Beispiel Abgas vom Zylinder 3 in den Zylinder 1 gelangen. Konsequenz: höhere Temperaturen und mehr Klopfen. Der ,altmodische" 4-2-1-Krümmer vereinigt zuerst die Abgase von zwei Zylindern und dann erst diese Kanäle. Die langen Rohre verhindern das Zurückfluten des Abgases. Nachteil: Die Abgase sind am Ende des Bauteils nicht mehr so heiß, so dass der Katalysator seine Betriebstemperatur später erreicht. Dies wird mit einem nach hinten verlegten Zündzeitpunkt kompensiert. Damit trotz des späten Zündzeitpunkts eine stabile Verbrennung ermöglicht wird, erhält der Kolbenboden eine Mulde.

Schnellere Verbrennung
Eine dritte Maßnahme gegen das Klopfen ist eine Beschleunigung der Verbrennung. Je schneller sie abläuft, desto kürzer ist das Gemisch hohen Temperaturen ausgesetzt. Diese Beschleunigung wird außer durch die erwähnte Mulde im Kolbenboden auch durch einen erhöhten Einspritzdruck, Mehrloch-Kraft­stoffinjektoren und eine bessere Luftzufuhr erreicht – denn der Skyactiv-Benziner ist ein Direkteinspritzer.

Mit Turbo wärs flotter
In der Praxis fährt sich der Mazda-6-Prototyp mit dem 165 PS starken Zweiliter-Benziner nicht übermäßig flott. Ein VW Passat 1.8 TSI fühlt sich wegen des Turboladers doch schwungvoller an. Auf eine Aufladung verzichtet Mazda aber aus Kostengründen. Für einen Sauger beschleunigt das Auto nicht schlecht – schon bei 2.000 U/min geht es sachte vorwärts. Die Zweiliter-Version des Skyactiv-G-Motors wird kein Einzelstück bleiben. Geplant ist eine Palette von vier Vierzylinder­aggregaten: 1.3, 1.5, 2.0 und 2.5. Wann diese Motoren auf den Markt kommen, sagt Mazda noch nicht. Und wie lange wird es dauern, bis Diesel und Benziner zum ,idealen Verbrennungsmotor" verschmelzen? Mazda-Chefingenieur Kiyoshi Fujiwara wagt eine Prognose: ,In zehn Jahren könnte HCCI kommen."

Bildergalerie: Extrem verdichtet