Mazda Skyactiv-X SPCCI Motor (2019): Fahrt im Prototyp

Adeje – Wann startet sie durch, die Elektromobilität? Nach Ansicht führender Köpfe bei Mazda: erstmal gar nicht. 2035, referieren die Japaner eine Prognose der Internationalen Energiebehörde IEA, werden weltweit noch 84 Prozent aller Neuwagen mit Verbrenner fahren – wenn auch zum großen Teil mit Hybridunterstützung.

Bei Mazda haben eigensinnige Motorenkonzepte Tradition. Mazdas Europa-Chef Jeff Guyton wagt ein mutiges Statement: Elektrifizierung werde Mazda so wenig und so spät wie möglich verwenden. Mutig ist das deshalb, weil auch Mazda in Europa bis Ende 2020 ein ehrgeiziges CO2-Ziel erfüllen muss. Die Branche, bis auf Mazda, ist sich einig: Der Weg dahin führt über Elektrifizierung und Elektroautos – neben dem Diesel, der aber derzeit kaum gekauft wird. Bei Mazda Deutschland sank der Dieselanteil von 27 Prozent im Jahr 2016 auf nur noch 18 Prozent im Jahr 2017.

Neue Benziner-Generation

Umso mehr muss das Versprechen aufgehen, das Mazda an die nächste Benziner-Generation „Skyactiv X“ knüpft. 20 Prozent weniger Verbrauch insgesamt und 30 Prozent bei niedriger Last als aktuelle Benziner. Außerdem eine saubere, schadstoffarme Verbrennung. SPCCI nennt Mazda das neue Motorenkonzept, das steht für „Spark Controlled Compression Ignition“. Für eine über eine Zündkerze kontrollierte Kompressionszündung also.

Selbstzündend wie beim Diesel? Jein. Das Gemisch im Mazda-Motor entzündet sich zwar unter Druck im kompletten Brennraum. Dafür benötigt es aber den Impuls eines kleinen Feuerballs, der von einer Zündkerze ausgelöst wird. Eine späte Idee: Anfang des Jahrzehnts hatte Mazda noch einen echten Benzinselbstzünder angekündigt, auch als „Biesel“ oder „Diesotto“ bekannt.

So bezeichnet man Benziner, die ohne Zündkerze auskommen sollten. Warum das? Um ein extrem mageres Gemisch (viel Luft, wenig Sprit) verbrennen zu können. Das senkt den Verbrauch massiv, ebenso die Temperatur der Verbrennung. Das wiederum steigert die thermische Effizienz und reduziert die Produktion von Stickoxiden. Das magere Gemisch entzündet sich unter Druck im ganzen Zylinder gleichzeitig.

Die Idee mit der Zündkerze

Die mit dieser Technik verbundenen Probleme konnte Mazda zunächst ebenso wenig lösen wie andere Hersteller, die daran forschten. Zum einen ließ sich die Zündung nur in wenigen Betriebszuständen kontrollieren. Für alle anderen Betriebszustände musste der Motor weiterhin mit Fremdzündung arbeiten. Der Wechsel zwischen diesen Betriebszuständen wiederum war schwierig darzustellen.

Erst 2015 kam den Mazda-Ingenieuren der entscheidende Funke: Da die Zündkerze ohnehin an Bord ist, muss man überhaupt die Betriebsart wechseln? Oder kann die Zündkerze genutzt werden, um die Kompressionszündung zu kontrollieren? Das beschreiben die Mazda-Techniker heute als den Durchbruch zur Serienreife.

Der SPCCI-Motor arbeitet mit einem verhältnismäßig hohen Verdichtungsverhältnis von 16:1 und hält das magere Gemisch im Zylinder damit knapp unterhalb der Schwelle zur Selbstentzündung. Ausgelöst wird die Zündung aber erst durch eine kontrollierte Druckwelle.

Das funktioniert so: Mazda spritzt etwas mehr Sprit genau vor die Zündkerze. Dort entsteht eine kleine Menge homogenes (stöchiometrisches) Gemisch. Der Zündfunke entzündet genau dieses Gemisch. Es entsteht ein kleiner Feuerball. Der erhöht den Druck im gesamten Zylinder und führt zur gleichzeitigen Entzündung des mageren Gemischs im kompletten Brennraum.

So fährt der SPCCI-Prototyp

Die Zündkerze arbeitet in jedem Betriebszustand. Deshalb erfolgt der Wechsel zwischen Selbst- und Fremdzündung, den auch dieser Motor noch benötigt, unmerklich. Das bestätigt sich bei unserer Testrunde im Prototyp. Der Mazda3 wirkt äußerlich wie ein Modell der aktuellen Generation, die 2019 ausläuft. Unterm Blech ist alles neu, unfertig, in der Abstimmung: Plattform, Fahrwerk, Getriebe und Motor stammen bereits vom kommenden Mazda3, der auf der LA Auto Show im Herbst 2018 debütiert.

Das Auffällige an Mazdas neuem Motor ist daher, dass eigentlich nichts auffällt. Willig und linear dreht der Motor hoch, hängt direkt am Gas – Dinge, die man von einem leistungsstarken Benziner erwarten darf. 190 PS und 230 Newtonmeter soll der Motor zum Marktstart im März 2019 leisten. Im Prototyp ist es noch etwas weniger.

Erst im Vergleich zum aktuellen Mazda Skyactiv-G Benziner (165 PS) fällt auf: Der neue Motor läuft deutlich leiser und kultivierter. Das Rasseln bei niedrigen Drehzahlen, das Journalisten dem Triebwerk bei ersten Testfahrten im Sommer 2017 attestierten, haben die Ingenieure dem Skyactiv-X-Motor bereits abtrainiert.

Die Drehzahl darf höher sein

Ein weiterer, spürbarer Unterschied: Der kommende Mazda3 mit Kompressionszündung erhält ein Getriebe mit merklich kürzerer Übersetzung. Das erhöht den Fahrspaß deutlich, das Triebwerk läuft häufig mit höherer Drehzahl und reagiert direkter. Der Grund: Die Verbrauchsnachteile hoher Drehzahlen sind beim Skyactiv-X-Motor deutlich geringer ausgeprägt als bei anderen Motorenkonzepten.

Der Motor laufe in einem breiten Drehzahlband effizient, sagt Mazda. Im Prototyp montieren die Ingenieure einen Monitor, der anzeigt, wann das Auto mit magerem, kompressionsgezündetem Gemisch oder mit homogenem, fremdgezündetem Gemisch fährt. Letzteres wird praktisch nur bei Vollgas benötigt. Selbst beim Anfahren in Ortschaften läuft der Skyactiv-X-Motor mager, bei 80-90 km/h im 6. Gang sogar „supermager“ – auch der Spritsparmotor hat noch einmal einen Spritsparmodus.

Im Drehzahlbereich bis 3000 U/min verschlechtert sich die Effizienz des Skyactiv-X Motors praktisch nicht. Deshalb, sagt Jeff Guyton, wird es bei Mazda auch keine Acht- oder Zehngang-Getriebe geben. Die neue Motorengeneration mache diese überflüssig. Weniger Drehzahl über eine längere Getriebeübersetzung würde zwar auch dem Mazda-Motor Effizienzvorteile verschaffen, aufgehoben ist der Zusammenhang zwischen Drehzahl und Verbrauch nicht. Aber die Vorteile seien zu klein, um dafür auf spontane Ansprache bei etwas höherer Drehzahl zu verzichten, befinden die Motorentechniker.

Hindernisse zur Serienreife

An der Benzin-Kompressionszündung haben viele Hersteller gearbeitet. Die auftretenden Schwierigkeiten dabei haben bisher eine Serienreife verhindert. Wie schaffte es Mazda? Gegen das Hindernis eines kaum kontrollierbaren Zündzeitpunkts setzten die Japaner die beschriebene Auslösung per Zündkerze. Ohne die Druckwelle dieser Zündung reicht die Kompression im Zylinder nicht, um das Gemisch zu entzünden. Ein im Zylinder mageres, an der Zündkerze aber zündfähiges Gemisch erreichen die Japaner mit einer Rotationsbewegung der Luft im Zylinder.

Eine ungewollte Zündung („Klopfen“) vermeidet Mazda über die Einspritzstrategie: Zunächst wird nur ein Teil des Kraftstoffs eingespritzt, das Gemisch ist dann zu mager, um selbst zu zünden. Erst zum gewünschten Zündzeitpunkt erfolgt eine zweite Einspritzung - die die Zündfähigkeit herstellt. Zur Bestimmung dieses Zeitpunkts messen Drucksensoren permanent im Zylinderinneren.

Die Motorsteuerung berechnet daraufhin den richtigen Zündzeitpunkt, der je nach Umgebung und Betriebszustand variiert. Für die nötige Luftzufuhr bei hoher Last sorgt ein Kompressor, der bei niedriger Last abgekoppelt wird. Warum Kompressor? Ein Turbo spricht zu spät an und baut zu langsam Druck auf. Das war deshalb keine Option. Außerdem schätzen Mazdas Techniker traditionell die lineare Kraftentfaltung.

Beim Übergang in den Fremdzündungsmodus kümmert sich die Motorsteuerung noch um ein wichtiges Detail. Die Verdichtung wäre hier zu hoch für eine normale Verbrennung. Das Gemisch würde sich unkontrolliert entzünden. Mazda schließt die Einlassventile deshalb erst, wenn sich der Kolben bereits nach oben bewegt. Das Prinzip kennen wir vom Atkinson-Zyklus (Toyota) oder B-Zyklus (VW).

Kompressionszündung: Keine Schichtladung

Was nun ist der Unterschied zwischen Mazdas Konzept und dem der Schichtladung, wie es bis in die 1980er-Jahre bei vielen Herstellern erforscht wurde? Auch bei diesem Brennverfahren befindet sich im Großteil des Zylinders ein mageres Gemisch, das von einer fetteren Mischung rund um die Zündkerze entzündet wird.

Hauptunterschied: Beim Schichtlademotor kommt, wenn auch in Schichten, insgesamt ein fetteres Gemisch (bis Lambda 1,6) zum Einsatz. Mazdas Skyactiv-X-Motor arbeitet deutlich magerer (Lambda größer 2,0). Und: Der Zündvorgang wird, anders als bei Mazda, nicht durch Kompression ausgelöst, sondern per Durchbrennen der Flamme durch die Schichten. Daher seien die Ansätze nicht vergleichbar, sagt Mazda.

Micro-Hybrid zum Marktstart

Bis zur Markteinführung im März 2019 haben die Techniker noch einiges zu tun. Konkret: die Adaption auf den kommenden Mazda3. „Wir haben noch kein Auto, also haben wir auch keine konkreten Verbrauchswerte“ – so kommentiert Mazda bisher noch die Frage, was der neue Motor nun wirklich bringt.

Was dem Prototyp fehlt, sind neben der neuen Karosse sämtliche Micro-Hybridkomponenten. Zum Marktstart des neuen Motors ist ein Riemenstartergenerator mit 24 Volt fest eingeplant, eine Weiterentwicklung des Mazda „i-Eloop“-Systems. Er speichert Energie in einer kleinen Lithium-Ionen-Batterie und erlaubt zum Beispiel das Abschalten des Motors während der Fahrt – umgangssprachlich als „Segeln“ bezeichnet.

Wie sieht nach dem Marktstart die weitere Zukunft des Skyactiv-X-Motors aus? Jeff Guyton gibt zu, dass Mazda wenig Liebe für das Elektroauto aufbringt – auch, wenn Ende 2019 eines debütieren wird, inklusive eines Range-Extenders in Wankeltechnik. Noch weniger Liebe hegt Mazda für den Plug-in-Hybrid: „Zwei komplette Antriebe in einem Auto, ineffizienter geht es nicht“, umschreibt Guyton die Gefühlswelt der japanischen Ingenieure.

Warum ein Sechszylinder Sinn macht

Um die CO2-Ziele bis Ende 2020 erreichen zu können, muss Mazda die Skyactiv-X-Technologie deshalb ab 2019 zügig im kompletten Programm einführen. Wie lässt sich die Technik für kleinere Modelle wie den Mazda2 oder größere wie den Mazda6 adaptieren? Das Prinzip sei skalierbar, heißt es – Vierzylinder mit mehr oder weniger Hubraum seien darstellbar. Am effizientesten jedoch läuft Skyactiv-X bei einem Zylindervolumen von 500 Kubikzentimeter.

Das ergibt beim Vierzylinder zwei Liter Hubraum – naheliegend ist für kleinere Varianten daher ein Dreizylinder-Benziner mit 1,5 Litern Hubraum. BMW verfolgt hier eine ähnliche Strategie. Heißt das also, wir dürfen uns auf einen Mazda-Reihensechszylinder mit drei Litern Hubraum freuen? Jeff Guyton will das nicht bestätigen, sagt aber: „Das wäre eine logische Herangehensweise, wenn wir mehr Leistung benötigen“.

Für diesen Motor müsste Mazda allerdings die Plattform umstellen. Reihensechszylinder lassen sich nur schwer quer im Motorraum unterbringen. Die Konsequenz könnte ein Mazda6 mit Längsmotor und Hinterradantrieb sein.

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