Motor Mazda SkyActiv G – Benziner und SkyActiv D – Diesel

Autohersteller wollen CO-Emissionen reduzieren₂ unterschiedlich. Manchmal sind es zum Beispiel o Kompromisse, die die Freude am Fahren ins Abseits drängen. Mazda hat sich jedoch entschieden, einen anderen Weg einzuschlagen und die Emissionen mit einer neuen All-in-One-Lösung zu senken, die den Fahrspaß nicht nimmt. Neben dem neuen Design von Benzin- und Dieselmotoren umfasst die Lösung auch neue Chassis, Karosserie und Getriebe. Die Reduzierung des Gesamtfahrzeuggewichts geht Hand in Hand mit neuer Technik.

Aktuelle Studien zeigen, dass konventionelle Verbrennungsmotoren auch in den nächsten 15 Jahren die automobile Welt dominieren werden, sodass es sich lohnt, weiterhin viel Aufwand in deren Entwicklung zu investieren. Wie Sie wissen, wird der größte Teil der im Kraftstoff enthaltenen chemischen Energie bei der Verbrennung nicht in mechanische Arbeit umgewandelt, sondern verdampft buchstäblich in Form von Abwärme durch Auspuffrohre, Kühler usw die mechanischen Teile des Motors. Bei der Entwicklung der neuen Generation von SkyActiv-Benzin- und Dieselmotoren konzentrierten sich Ingenieure aus Hiroshima, Japan, auf sechs Hauptfaktoren, die den resultierenden Verbrauch und die Emissionen beeinflussen:

• Kompressionsrate,
• Kraftstoff-Luft-Verhältnis,
• die Dauer der Verbrennungsphase des Gemisches,
• der Zeitpunkt der Verbrennungsphase des Gemisches,
• Pumpverluste,
• Reibung der mechanischen Teile des Motors.

Bei Otto- und Dieselmotoren haben sich Verdichtungsverhältnis und Reduzierung der Reibungsverluste als die wichtigsten Faktoren zur Reduzierung von Emissionen und Kraftstoffverbrauch erwiesen.

Triebwerk SkyActiv D

Der 2191 ccm-Motor ist mit einem Hochdruck-Common-Rail-Einspritzsystem mit piezoelektrischen Injektoren ausgestattet. Er zeichnet sich durch ein für Diesel ungewöhnlich niedriges Verdichtungsverhältnis von nur 14,0:1 aus. Die Aufladung erfolgt durch zwei unterschiedlich große Turbolader, was sich positiv auf die Reduzierung der Ansprechverzögerung des Motors auf das Betätigen des Gaspedals auswirkt. Der Ventiltrieb umfasst einen variablen Ventilweg, der sich bei kaltem Motor schneller erwärmt, da ein Teil der Abgase zu den Zylindern zurückkehrt. Herkömmliche Dieselmotoren benötigen aufgrund des zuverlässigen Kaltstarts und der stabilen Verbrennung während der Warmlaufphase ein hohes Verdichtungsverhältnis, das typischerweise im Bereich von 16:1 bis 18:1 liegt. Das niedrige Verdichtungsverhältnis von 14,0:1 für den SkyActiv -D-Motor ermöglicht die Optimierung der Zeit des Verbrennungsprozesses. Wenn das Verdichtungsverhältnis abnimmt, nehmen auch Zylindertemperatur und -druck am oberen Totpunkt ab. In diesem Fall verbrennt das Gemisch auch dann länger, wenn kurz vor dem oberen Totpunkt Kraftstoff in den Zylinder eingespritzt wird. Durch längere Verbrennung entstehen keine Bereiche mit Sauerstoffmangel im brennbaren Gemisch und die Temperatur bleibt gleichmäßig, so dass die Bildung von NOx und Ruß weitestgehend ausgeschlossen ist. Mit Kraftstoffeinspritzung und Verbrennung nahe dem oberen Totpunkt ist der Motor effizienter. Dies bedeutet eine effizientere Nutzung der im Kraftstoff enthaltenen chemischen Energie sowie mehr mechanische Arbeit pro Kraftstoffeinheit als bei einem Dieselmotor mit hohem Verdichtungsverhältnis. Das Ergebnis ist eine Reduzierung des Dieselverbrauchs und der logischen CO2-Emissionen um mehr als 20 % gegenüber einem 2,2-MZR-CD-Motor mit Verdichtungsverhältnis von 16: 1. Wie erwähnt, werden bei der Verbrennung deutlich weniger Stickoxide und fast kein technischer Kohlenstoff erzeugt . Damit erfüllt der Motor auch ohne zusätzliches NOx-Entfernungssystem die ab 6 geltende Abgasnorm Euro 2015. Somit benötigt der Motor keine selektive katalytische Reduktion oder einen NOx-beseitigenden Katalysator.

Aufgrund der geringen Verdichtung kann der Motor beim Kaltstart keine ausreichend hohe Temperatur erzeugen, um das Gemisch zu entzünden, was insbesondere im Winter zu sehr problematischen Start- und Aussetzproblemen des Motors führen kann. Aus diesem Grund ist SkyActiv-D mit Keramikglühkerzen und einem VVL-Auslassventil mit variablem Hub ausgestattet. Dadurch können heiße Abgase intern in den Brennraum zurückgeführt werden. Die erste Zündung wird durch eine Glühkerze unterstützt, die ausreicht, damit die Abgase die erforderliche Temperatur erreichen. Nach dem Anlassen des Motors schließt das Auslassventil nicht wie bei einem normalen Einlassmotor. Stattdessen bleibt es angelehnt und die heißen Abgase kehren in den Brennraum zurück. Dies erhöht die Temperatur darin und erleichtert somit die anschließende Zündung des Gemisches. Somit läuft der Motor vom ersten Moment an rund und ohne Unterbrechung.

Im Vergleich zum 2,2 MZR-CD-Dieselmotor wurde auch die innere Reibung um 25 % reduziert. Dies spiegelt sich nicht nur in einer weiteren Reduzierung der Gesamtverluste wider, sondern auch in einem schnelleren Ansprechverhalten und einer verbesserten Leistung. Ein weiterer Vorteil eines niedrigeren Verdichtungsverhältnisses sind niedrigere maximale Zylinderdrücke und daher eine geringere Belastung einzelner Motorkomponenten. Aus diesem Grund kann auf eine derart robuste Motorkonstruktion verzichtet werden, was zu weiteren Gewichtseinsparungen führt. Der Zylinderkopf mit integriertem Krümmer ist dünnwandiger und wiegt drei Kilogramm weniger als bisher. Der Aluminium-Zylinderblock ist 25 kg leichter. Das Gewicht von Kolben und Kurbelwelle wurde um weitere 25 Prozent reduziert. Dadurch liegt das Gesamtgewicht des SkyActiv-D-Motors um 20 % unter dem des bisher verwendeten 2,2 MZR-CD-Motors.

Der SkyActiv-D-Motor verwendet eine zweistufige Aufladung. Das bedeutet, dass er mit einem kleinen und einem großen Turbolader ausgestattet ist, die jeweils in einem anderen Drehzahlbereich arbeiten. Der kleinere wird bei niedrigen und mittleren Drehzahlen verwendet. Durch die geringere Trägheit der rotierenden Teile verbessert es den Drehmomentverlauf und eliminiert den sogenannten Turbo-Effekt, d . Abzweigrohr zum schnellen Drehen der Turboladerturbine. Im mittleren Drehzahlbereich hingegen greift der größere Turbolader voll zu. Beide Turbolader zusammen sorgen für eine flache Drehmomentkurve des Motors bei niedrigen Drehzahlen und hohe Leistung bei hohen Drehzahlen. Dank der ausreichenden Luftversorgung der Turbolader über einen weiten Drehzahlbereich werden die NOx- und Partikelemissionen auf ein Minimum reduziert.

Bisher werden zwei Versionen des 2,2 SkyActiv-D-Motors für Europa produziert. Der stärkere hat eine maximale Leistung von 129 kW bei 4500 U/min und ein maximales Drehmoment von 420 Nm bei 2000 U/min. Der schwächere hat 110 kW bei 4500 U/min und ein Drehmoment von 380 Nm im Bereich 1800-2600 U/min, bei max. die Drehzahl beider Motoren beträgt 5200. In der Praxis verhält sich der Motor bis 1300 U/min eher träge, ab dieser Grenze beginnt er an Geschwindigkeit zu gewinnen, während es für den normalen Fahrbetrieb ausreicht, ihn bei etwa 1700 U/min oder mehr auch für den Bedarf zu halten der sanften Beschleunigung.

SkyActiv G-Engine

Der Benzin-Saugmotor mit der Bezeichnung Skyactiv-G hat ein ungewöhnlich hohes Verdichtungsverhältnis von 14,0:1, das derzeit höchste in einem Pkw-Serienprodukt. Eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses erhöht den thermischen Wirkungsgrad des Ottomotors, was letztendlich niedrigere CO2-Werte und damit einen geringeren Kraftstoffverbrauch bedeutet. Die mit einem hohen Verdichtungsverhältnis verbundene Gefahr bei Ottomotoren ist die sogenannte klopfende Verbrennung - Klopfen und daraus resultierender Drehmomentabfall und übermäßiger Motorverschleiß. Um eine klopfende Verbrennung des Gemisches aufgrund des hohen Verdichtungsverhältnisses zu verhindern, nutzt der Skyactiv-G-Motor eine Reduzierung der Menge sowie des Drucks der verbleibenden heißen Gase im Brennraum. Daher wird ein Auspuffrohr in einer 4-2-1-Konfiguration verwendet. Aus diesem Grund ist das Abgasrohr relativ lang und verhindert somit wirksam, dass Abgase unmittelbar nach ihrem Austritt in den Brennraum zurückströmen. Der daraus resultierende Abfall der Verbrennungstemperatur verhindert wirksam das Auftreten von Detonationsverbrennung - Detonation. Als weiteres Mittel zur Detonationsvermeidung wurde die Brenndauer der Mischung verkürzt. Schnelleres Verbrennen des Gemischs bedeutet eine kürzere Zeit, während der das unverbrannte Gemisch aus Kraftstoff und Luft hohen Temperaturen ausgesetzt ist, so dass überhaupt keine Zeit zum Detonieren bleibt. Der untere Teil der Kolben ist außerdem mit speziellen Aussparungen versehen, damit sich die Flammen des sich bildenden Verbrennungsgemisches in viele Richtungen ausbreiten können, ohne sich zu überkreuzen, und das Einspritzsystem wurde außerdem mit neu entwickelten Mehrlochinjektoren ausgestattet, was dies ermöglicht Kraftstoff zu zerstäuben.

Außerdem ist es notwendig, die sogenannten Pumpverluste zu reduzieren, um den Wirkungsgrad des Motors zu steigern. Dies tritt bei niedriger Motorlast auf, wenn der Kolben während der Ansaugphase Luft ansaugt, während er sich nach unten bewegt Die in den Zylinder eintretende Luftmenge wird normalerweise durch eine Drosselklappe gesteuert, die sich im Ansaugtrakt befindet. Bei leichter Motorlast wird nur eine geringe Luftmenge benötigt. Die Drosselklappe ist fast geschlossen, was dazu führt, dass der Druck im Ansaugtrakt und im Zylinder unter Atmosphärendruck liegt. Daher muss der Kolben einen erheblichen Unterdruck überwinden - fast ein Vakuum, das sich negativ auf den Kraftstoffverbrauch auswirkt. Die Konstrukteure von Mazda verwendeten eine stufenlos variable Einlass- und Auslassventilsteuerung (S-VT), um die Pumpenverluste zu minimieren. Mit diesem System können Sie die Ansaugluftmenge mithilfe von Ventilen anstelle einer Drosselklappe steuern. Bei niedriger Motorlast wird sehr wenig Luft benötigt. So hält die variable Ventilsteuerung die Einlassventile zu Beginn der Kompressionsphase (wenn der Kolben steigt) offen und schließt sie erst, wenn die erforderliche Luftmenge im Zylinder ist. Somit reduziert das S-VT-System letztendlich die Pumpverluste um 20 % und verbessert die Effizienz des Verbrennungsprozesses. Eine ähnliche Lösung wird seit langem von BMW verwendet und nennt dieses System Doppel-VANOS.

Bei dieser Ansaugluftmengenregelung besteht die Gefahr einer unzureichenden Verbrennung des Gemisches aufgrund des geringeren Drucks, da die Einlassventile zu Beginn der Verdichtungsphase geöffnet bleiben. Dabei nutzten die Mazda-Ingenieure das hohe Verdichtungsverhältnis des Skyactiv G-Motors von 14,0:1, was höhere Temperatur und Druck im Zylinder bedeutet, damit der Verbrennungsprozess stabil bleibt und der Motor sparsamer läuft.

Der geringe Wirkungsgrad des Motors wird auch durch seine Leichtbauweise und die geringere mechanische Reibung der beweglichen Teile begünstigt. Im Vergleich zum verbauten 2,0 MZR Benzinmotor verfügt der Skyactiv G Motor über 20 % leichtere Kolben, 15 % leichtere Pleuel und kleinere Kurbelwellenhauptlager, was zu einer Gesamtgewichtsreduzierung von 10 % führt. Durch die Halbierung der Reibung der Ventile und der Reibung der Kolbenringe um fast 40 % wurde die mechanische Gesamtreibung des Motors um 30 % reduziert.

Alle genannten Modifikationen führten zu einer besseren Manövrierfähigkeit des Motors bei niedrigen bis mittleren Drehzahlen und zu einer 15%igen Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs im Vergleich zum klassischen 2,0 MZR. Heute sind diese wichtigen CO2-Emissionen sogar geringer als beim heute eingesetzten 2,2-MZR-CD-Dieselmotor. Der Vorteil ist auch die Verwendung von klassischem BA 95-Benzin.

Alle SkyActiv-Benzin- und Dieselmotoren in Europa werden mit einem i-Stop-System ausgestattet, d. h. einem Stopp-Start-System, das den Motor beim Stoppen automatisch abschaltet. Andere elektrische Systeme, regeneratives Bremsen usw. werden folgen.