Mazda SKYACTIV Technologien – Der SKYACTIV-G Benzinmotor

Das Streben nach dem perfekten Verbrennungsmotor

Die Vorzüge des neuartigen SKYACTIV-G Benzinmotors sind das Ergebnis intensiver Forschungsarbeit bei Mazda in Hiroshima.

  • Höchstes Verdichtungsverhältnis aller Pkw-Benzinmotoren
  • Effiziente Verbrennung ohne Klopfen
  • 15 Prozent weniger Verbrauch, 15 Prozent mehr Drehmoment

Die gesamte Bandbreite thermodynamischer Gesetzmäßigkeiten wurde dort einer präzisen Analyse unterzogen. Die Bemühungen mündeten in einen Benzinmotor mit dem extrem hohen Verdichtungsverhältnis von 14,0:1. So hoch verdichten bislang allenfalls Hochleistungsmotoren aus dem Rennsport, nicht aber Aggregate mit hoher Alltagstauglichkeit. Den Mazda Ingenieuren ist es nun gelungen, die entscheidenden Hürden zu nehmen.

14,0:1 - Verdichtungsverhältnis wie in Formel-1-Rennwagen

Erhöht man das Verdichtungsverhältnis eines Benzinmotors, steigt die thermische Effizienz eines Motors im Teillastbereich. Gleichzeitig sinkt der Verbrauch. Bei hoher Motorlast führt ein hohes Verdichtungsverhältnis bei konventionellen Motoren jedoch zu unkontrollierter, „klopfender“ Verbrennung und dadurch zu einer Abnahme des Drehmoments. Um dies zu verhindern, müsste mit fetterem Benzin-Luft-Gemisch gearbeitet und ein späterer Zündzeitpunkt festgelegt werden. Doch diese Maßnahmen würden wiederum zu höheren Verbräuchen und einer Beeinträchtigung des Drehmoments führen.

Der Kreativität der Mazda Motorenentwicklung sind gezielte Maßnahmen zu verdanken, die verhindern, dass die Vorteile des sehr hohen Verdichtungsverhältnisses im Teillastbereich eben nicht zu einem Verbrauchsnachteil und Drehmomentverlust unter hoher Last führen. Vielmehr steigern sie in ihrer Kombination nicht nur den Wirkungsgrad, sondern auch das Drehmoment des Mazda SKYACTIV-G Benzinmotors.

Hohe Verdichtung ohne Klopfen

Klopfen tritt auf, wenn das Kraftstoff-Luft-Gemisch sich vorzeitig selbst entzündet, weil Druck und Temperaturen im Zylinder unter hoher Motorlast zu groß sind. Dies kann verhindert werden, indem die Menge und der Druck heißer Restabgase in den Brennräumen verringert werden. Mazda erreichte dies durch die Entwicklung eines speziellen, vergleichsweise langen 4-2-1-Abgassystems. Dieses Bauteil verhindert, dass gerade aus dem Zylinder ausgestoßene heiße Abgase zurück in den Brennraum gelangen. Daraus ergibt sich eine Verringerung der Verdichtungstemperatur, was wiederum das unerwünschte Klopfen wirkungsvoll unterdrückt.

Darüber hinaus wurde die Dauer des Verbrennungsvorgangs verkürzt. Je schneller der Verbrennungsprozess, desto kürzer wird das unverbrannte Kraftstoff-Luft-Gemisch hohen Temperaturen ausgesetzt. Dadurch kann die normale Verbrennung abgeschlossen werden, ehe das Klopfen einsetzt. Aus diesem Grund verfügt der neue SKYACTIV-G Benzinmotor über spezielle muldenförmige Kolbenböden, die ein ungehindertes Ausbreiten der Zündflamme erlauben, sowie neue Mehrloch-Einspritzdüsen mit optimierter Sprühcharakteristik. Zusammen mit dem 4-2-1 Abgassystem führen diese Innovationen sogar zu einem um 15 Prozent höheren Drehmoment im Vergleich zum aktuellen 2,0-Liter MZR-Benzinmotor. Das spürbar höhere Drehmoment in einem breiten Drehzahlbereich sorgt für eine substanziell bessere Fahrbarkeit des Motors im Alltag. Die hohe Verdichtung hat wiederum entscheidenden Anteil an dem um 15 Prozent geringeren Kraftstoffverbrauch des Mazda SKYACTIV-G Motors.

Pumpverluste im Teillastbereich durch Dual-S-VT minimiert

Wenn der Kolben im Motor während seiner Abwärtsbewegung das Kraftstoff-Luft-Gemisch ansaugt, entstehen speziell bei niedriger Motorlast sogenannte Pumpverluste. Das im Ansaugtrakt gebildete Gemisch strömt durch das geöffnete Einlassventil in den Zylinder. Weil im Ansaugtrakt aufgrund der relativ weit geschlossenen Drosselklappe ein starker Unterdruck herrscht, muss die Kolbenbewegung diesen überwinden. Es geht Arbeitsleistung verloren.

Mit der von Mazda entwickelten stufenlos variablen Steuerzeitenreglung der Einlass- und Auslassventile Dual-S-VT (doppelte sequenzielle Ventilsteuerung) gelingt es, die Pumpverluste zu verringern. Vereinfacht gesagt, wird das Volumen der angesaugten Luft dabei stärker durch die Ventile als durch die Drosselklappe gesteuert und dadurch die Pumpverluste verringert. So wird im Teillastbetrieb die Drosselklappe weiter geöffnet als üblich. Dadurch wird bei der Abwärtsbewegung des Kolbens auch mehr Luft als erforderlich über die Einlassventile in den Zylinder gesaugt. S-VT hält die Einlassventile jetzt so lange geöffnet (spätes Schließen der Einlassventile), dass der Kolben bei seiner folgenden Aufwärtsbewegung (Verdichtungstakt) einen Teil der angesaugten Luftmenge wieder aus dem Zylinder ausschiebt. Erst dann schließen die Einlassventile und die eigentliche Verdichtung der verbliebenen Luft beginnt. Auf diese Weise werden die Pumpverluste verringert und die Effizienz des gesamten Verbrennungsprozesses gesteigert.

Aber erst durch das hohe Verdichtungsverhältnis von 14,0:1 wird eine effektive Reduktion der Pumpverluste mittels dieses Verfahrens möglich. In konventionellen Motoren birgt ein spätes Schließen der Einlassventile und der damit verbundene Druckverlust nämlich die Gefahr instabiler Verbrennung. Im SKYACTIV-G Motor dagegen garantiert das hohe Verdichtungsverhältnis eine stabile Verbrennung noch bei verhältnismäßig spätem Schließen der Einlassventile. Im Ergebnis verläuft der Verbrennungsprozess im neuen SKYACTIV-G Aggregat ungeachtet der verringerten Pumpverluste noch stabil, und der Motor geht effizienter mit Treibstoff um.

Gewichtsreduzierung und verringerte innermotorische Reibung

Die komplette Neuentwicklung einer Motorengeneration bietet die Chance, auch neue Wege im innermotorischen Leichtbau zu gehen. Indem die Größe und das Gewicht der bewegten Massen zurück gefahren werden, steigt das Ansprech¬verhalten des Gesamtsystems. Mit 20 Prozent leichteren Kolben, 15 Prozent leichteren Pleueln und mit einer um 30 Prozent geringeren innermotorischen Reibung gegenüber dem heutigen 2.0 l MZR-Motor dreht das neue SKYACTIV-G Triebwerk freudiger hoch, führt Lastwechsel schneller aus und unterstützt auf diese Weise den sportlichen Charakter des Fahrzeugs. Darüber hinaus muss weniger systemische Energie aufgewandt werden. Auch diese Verbesserungen tragen zur Kraftstoffersparnis von 15 Prozent im Vergleich zum aktuellen Triebwerk bei.

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