artikel

Mazda SkyActiv X-motor: Dieselen op benzine

Techniek 11538

Mazda belooft iets moois in de showroom voor het eerste kwartaal van 2019. Het gaat om een opvolger van de drie. Dankzij slimme aanpassingen aan de carrosserie zou die nieuwe 3 stiller, en comfortabeler zijn en
meer rijplezier bieden. Maar het meest bijzondere bewaarde Mazda voor onder de motorkap: een benzinemotor die dankzij compressie-ontsteking 20 tot 30 % verder komt op een liter. AMT duikt in de techniek.

Voor we beginnen over motortechniek, eerst even over Mazda’s ‘sustainable zoom-zoom’-strategie. Die dateert al van een jaar of tien terug. Dat ‘zoom-zoom’ is Mazda-jargon voor rijplezier. En voor wie het Engels niet machtig is, sustainable betekent duurzaam. Kortom: voldoen aan de duurzaamheidseisen die het transport van de toekomst stelt en toch een glimlach op het gezicht van de bestuurder.

200 miljoen auto’s per jaar

Die duurzaamheidseisen komen voor 2030 neer op een reductie van de CO2-uitstoot met 50 %. In de decennia daarna moet het nog veel verder terug, tot 90 % in 2050. Een uitdaging. Zeker omdat de wereldwijde vraag naar auto’s de komende decennia nog enorm zal groeien. Ligt de jaarproductie nu op zo’n 80 miljoen auto’s, in 2050 zou dat dankzij zich ontwikkelende landen buiten Europa en Noord-Amerika weleens 200 miljoen kunnen zijn.

Mét verbrandingsmotor

Natuurlijk zal een aanzienlijk deel daarvan batterij-elektrisch of brandstofcelelektrisch aangedreven zijn. Maar in de verwachting van Mazda worden dan ook de benzinemotor en zelfs de diesel nog nieuw geproduceerd. Weliswaar veel vaker dan nu in combinatie met elektrische aandrijving als (plug-in)hybride. Maar toch, mét verbrandingsmotor. Daarom verwacht Mazda dat er in 2030 en zelfs in 2050 meer auto’s met verbrandingsmotor van de band zullen lopen dan in 2018. En als dat dan zo is, dan is verbetering van de verbrandingsmotor een heel effectieve manier om de CO2-uitstoot te verminderen.

Als dat dan zo is, dan is verbetering van de verbrandingsmotor een heel effectieve manier om CO2-uitstoot te verminderen

 

Hoe dan?

Bij de introductie van zijn SkyActiv-technologie in 2011 toonde Mazda in een diagram twee paden naar de ideale interneverbrandingsmotor. Het ene begon bij de toen gebruikte MZR-benzinemotor het andere bij de MZR-diesel. Op beide paden zag Mazda zeven zogenoemde ‘controlfactors’. Die zeven factoren bepalen het rendement van een verbrandingsmotor. Laten we ze even doornemen:

1: Compressieverhouding
In theorieboeken over de interne verbrandingsmotor kom je de formule tegen die het theoretisch thermisch rendement van een viertaktmotor beschrijft. Die ziet er zo uit: ηth = 1-1/(ɛ(k-1)). In de formule staat ɛ voor de compressieverhouding. Zonder dat je de herkomst van de formule precies hoeft te begrijpen, is wel duidelijk dat het thermisch rendement ηth groter is als de noemer van de breuk groter is. Kortom een hogere compressieverhouding geeft een hoger thermisch rendement ηth.

2: De specifieke warmteverhouding
Oef, nog meer thermodynamica. Belangrijk om te weten is dat het gaat om de k (of eigenlijk kappa) in bovenstaande vergelijking. Bij kamertemperatuur is die k voor lucht gelijk aan 1,4. (Voor wie het weten wil, dat betekent dat bij adiabatische (gelijke druk) verhitting van een gas, per graad temperatuurstijging 1,4 zoveel energie nodig is als bij verhitting bij constant volume. Dat verschil ontstaat omdat de ruimte in het eerste geval groter moet worden (een bewegende zuiger = arbeid) in het tweede geval niet (zuiger staat vast)). Die k is lager voor een benzine-luchtmengsel dan voor lucht. Een beetje lager voor een arm mengsel, veel lager voor een rijk mengsel. Dus opnieuw geldt, zonder de herkomst van de formule te begrijpen, kun je wel zien dat een hogere specifieke warmteverhouding k een hoger thermisch rendement ηth geeft. Kortom, het mengsel moet zo arm mogelijk zijn.

Kortom, het mengsel moet zo arm mogelijk zijn

3: Verbrandingssnelheid
Vergelijk een verbrandingsmotor even met een fietser. Als de fietser pas kracht uitoefent als het pedaal al bijna beneden is, schiet hij niet op. Dat geldt voor een verbrandingsmotor ook. Als er meteen na het BDP volop verbrandingsdruk op de zuiger staat, zet de motor veel meer energie om in beweging, dan wanneer de verbranding geleidelijk op gang komt en zich uitspreidt over de
hele arbeidsslag. In dat laatste geval gaat er meer energie verloren als uitlaatwarmte.

4: Verbrandingstiming
Zie verbrandingssnelheid. Hoge druk direct na het BDP geeft het hoogste rendement.

5: Warmteverlies
Veel moderne motoren hebben een thermomanagement. Dat zorgt ervoor dat de koelvloeistof al heet is bij deellast, zonder dat het nog veel heter (en daarmee te heet) wordt bij vollast.

6: Pompverliezen
Bij deellast staat de gasklep van een reguliere ottomotor op een kiertje. Daardoor ‘trekt’ een grote onderdruk de zuiger omhoog tijdens de inlaatslag. Dat remt de motor af. Met een arm mengsel (en/of variabele kleplifthoogte) kan de gasklep bij deellast veel verder open.

7: Mechanische frictie
Een deel van de verbrandingsenergie gaat in de motor verloren door wrijving. Die wrijving zit in lagers, maar ook in het contact tussen zuigerveren, zuigers en cilinderwanden.

De interne verbrandingsmotor biedt nog volop verbeterpotentieel. Mazda onderscheidt zeven controlefactoren. Op ieder van die zeven verliest de motor rendement. Vanaf de MZR-benzine- en dieselmotoren nam Mazda zich voor om in drie stappen alle zeven factoren te optimaliseren. De SkyActiv X is de tweede stap aan de benzinekant.

In drie stappen naar de ideale motor

Met de SkyActiv G-benzinemotor (en de SkyActiv D-diesel) zette Mazda acht jaar geleden een eerste stap richting die ideale motor. Vooral op controlefactor 1 (compressieverhouding) zette de SkyActiv-benzinemotor een flinke stap voorwaarts. De recent gepresenteerde Sky-Activ-X-benzinemotor is stap twee in de driestapsstrategie richting ideale motor. Op alle zeven controlefactoren boekte Mazda vooruitgang. Om dat te bereiken keek Mazda naar het zogenoemde HCCI-proces.

Eerst homogeen, dan ontsteken

Eerder (zie kader onder dit artikel) gingen we daar uitgebreider op in, maar hier nog even kort. Een Homogeneous Charge Compression Ignition-motor draait op een arm mengsel. Zo arm dat het zich niet door een bougie laat ontsteken. En zo’n motor werkt, zoals de naam zegt, met compressie-ontsteking. Tot zover lijkt een HCCI dus op een diesel. Maar die werkt niet met een homogeen mengsel (Homogeneous Charge). Immers door de druk en temperatuur ontbrandt de dieselbrandstof onmiddellijk na injectie. Tijd om eerst een homogeen mengsel te vormen is er niet. Om van een diesel een HCCI-motor te maken zou de verbranding pas zo’n 40 krukasgraden na de injectie mogen beginnen.

Op zoek naar nieuwe ‘ontstekingsknop’

Kortom HCCI neemt motorontwikkelaars hun ‘ontstekingsknop’ uit handen. Bij de diesel is dat het moment van injecteren, bij de benzinemotor het moment van vonken. In het verleden hebben tal van motorfabrikanten geprobeerd om HCCI te bereiken door de omstandigheden in de verbrandingskamer extreem nauwkeurig te controleren. Dan lukte, maar slechts in een heel beperkt belasting-toerengebiedje. Daarbuiten moesten de ontwikkelaars terug naar de normale motorloop. Niet alleen maakte dat de motor maar weinig efficiënter, ook lukte het niet echt de overgangen onmerkbaar te laten verlopen.

Eerste afbeelding: Compressie van een arm benzine luchtmengsel. De swirl is niet zichtbaar.
Tweede afbeelding: Tweede injectie en vonk zorgen voor een vuurbal. Die zorgt voor een drukverhoging die het mengsel in een keer boven de detonatiedrempel brengt.
Derde afbeelding: Poef.

Ring met arm mengsel

Mazda doet het anders. De motorontwikkelaars uit Hiroshima ontwikkelden een HCCI-benzinemotor, maar gaven de ‘ontstekingsknop’ bougie niet uit handen. Mazda spreekt dan ook van SpCCI. Dat Spark Controlled Compression Ignition werkt als volgt. Tijdens de inlaatslag doet de centraal in de cilinderkop geplaatste injector een eerste injectie. Het gaat om een heel kleine hoeveelheid benzine. Het inlaatkanaal is zo gevormd dat er een sterke swirl ontstaat. Dat is een horizontale werveling. Zo vormt het arme lucht-brandstofmengsel een ring tegen de cilinderwand.

Vuurbal

Tijdens de compressieslag nemen druk en temperatuur sterk toe, zeker omdat de motor met 16:1 een voor benzinemotoren extreem hoge compressieverhouding heeft. Maar ze blijven onder de detonatiedrempel. Aan het einde van de compressieslag volgt een tweede injectie. Voor die zich heeft kunnen verspreiden, vonkt de bougie. De vuurbal die daardoor in het centrum van de verbrandingskamer ontstaat, verhoogt de druk binnen de cilinder acuut tot boven de detonatiedrempel. Daardoor ontbrandt het mengsel in de rest van de verbrandingskamer tegelijk en direct. Voor alle duidelijkheid, dat gaat niet ‘geleidelijk’ via een vlamfront dat zich verspreidt, het gaat echt ineens.

Naald in een ballon

Het gevolg: een hoge piekdruk direct na het BDP. Mazda vergelijkt het met een opgeblazen ballon. Als je die laat leeglopen fladdert de ballon een tijdje rond en komt de energie geleidelijk vrij. Als je er met een naald een gat inprikt, gebeurt dat ineens. Het resultaat is verbluffend. Kijk maar naar de zeven controlefactoren: hoge compressieverhouding, hoge specifieke warmteverhouding, snelle verbranding op het juiste moment, en veel minder pompverliezen. Dankzij SpCCI kan Mazda een vinkje zetten bij vijf van die zeven factoren.

Mazda kan een vinkje zetten bij vijf van de zeven controlefactoren

Techniek van de SpCCI

Ok, tot zover de theorie. Welke techniek heeft Mazda nodig om dit SpCCI-proces te realiseren. Laten we de SkyActiv Xmotor eens nader bekijken. Boven het kleppendeksel vallen de hogedruk benzineleidingen en de common-rail op. Het brandstofinjectiesysteem kan tot 500 bar leveren. In vergelijking met diesels misschien niet indrukwekkend, maar bij benzinemotoren niet eerder vertoond. En omdat benzine de smerende werking van dieselbrandstof mist, stelt zo’n hoge druk hoge eisen aan de materiaalkeuze.

Razendsnelle ECU

Niet zichtbaar zijn de druksensoren in iedere cilinder. Die zijn nodig om onder steeds wisselende omstandigheden de verbrandingspiek toch steeds direct na BDP te krijgen. Als bijvoorbeeld de temperatuur van de inlaatlucht lager is, duurt het langer voordat de ‘vuurbal’ de druk in de verbrandingskamer tot boven het zelfontstekingsniveau krijgt. Dan moet de bougie dus eerder vonken. Dit soort aanpassingen moet de ECU razendsnel doen. De huidige supersnelle processors hebben SpCCI mogelijk gemaakt, zegt Mazda dan ook.

Ook niet zichtbaar zijn de aanpassingen aan zuigers, drijfstangen en krukas. Die delen moeten de hoge piekdrukken wel kunnen verwerken. Mazda zegt daarover dat ze qua constructie tussen benzine en diesel inzitten.

Compressor, geen turbo

De inlaatkant biedt een complex aanzicht. Een door de krukas aangedreven compressor levert inlaatlucht onder druk. Waarom Mazda geen turbo gebruikt? “Te traag. We hebben inlaatlucht nodig evenredig met het toerental, zonder vertraging.” Vandaar ook de vloeistofgekoelde inlaatluchtkoeler. Die zit direct naast de compressor. Geen tijdverlies in lange slangen dus.

Bovenop, de common-rail van het 500 bar benzine-injectiesysteem. Rechts de krukasaangedreven inlaatluchtcompressor. Let op het aparte inlaatspruitstukdeel voor de EGR.

Bovenop, de common-rail van het 500 bar benzine-injectiesysteem. Rechts de krukasaangedreven inlaatluchtcompressor. Let op het aparte inlaatspruitstukdeel voor de EGR.

Varieren met de effectieve compressieverhouding

Opvallend is ook het gedeelde inlaatspruitstuk. Het bovenste deel komt vanaf de EGR-klep en -koeler. Mazda doet geen uitspraken over EGR-percentages, maar de diameter van het EGR-spruitstukdeel is veelzeggend. Beide nokkenassen zijn variabel verstelbaar. Die verstelling heeft voorganger Skyactiv G ook al. Dankzij de verstelling kan de effectieve compressieverhouding lager zijn dan de geometrische. Bij lage belasting kan daardoor de gasklep verder open om pompverliezen te beperken.

De SkyActiv X schakelt bij hoge belasting en of hoog toerental over van compressieontsteking naar vonkontsteking. Onder die omstandigheden moet de effectieve compressieverhouding ook lager zijn dan de geometrische 16:1. Overigens zit die nokkenasverstelling bij de SkyActiv X nu wel aan de andere kant van de motor. Samen met de distributie is de verstelling naar de vliegwielzijde verhuist. Waarom? Wellicht om ruimte te sparen. Aan de andere kant is er immers een multi-V-riem voor de inlaatluchtcompressor bijgekomen.

In het onderste deel van de rechthoekige doos zit de vloeistofgekoelde inlaatluchtkoeler. De starter-generator (die ook wordt ingezet voor regeneratief remmen), wordt aangedreven (en drijft aan) via een riem met twee spanners.

In het onderste deel van de rechthoekige doos zit de vloeistofgekoelde inlaatluchtkoeler. De starter-generator (die ook wordt ingezet voor regeneratief remmen), wordt aangedreven (en drijft aan) via een riem met twee spanners.

Micro hybride

Die riem drijft tevens de waterpomp aan. Een tweede multi-V-riem drijft de aircocompressor en de 24 V-starter-generator aan. Die belast de riem in twee richtingen, wat riemspanners aan beide kanten van de poelie noodzakelijk maakt. De starter-generator laadt tijdens afremmen een kleine lithium-ion batterij op, die boven de intercooler zit. Tijdens motorstops houdt die batterij de elektrische verbruikers aan de praat.

De SkyActiv G had al interne EGR (inlaatkleppen sluiten na ODP) de X heeft ook externe EGR inclusief koeler. Distributie en nokkenasverstelling zitten nu aan de vliegwielzijde. Ondanks de starter-generator is de startmotor gewoon gebleven.

De SkyActiv G had al interne EGR (inlaatkleppen sluiten na ODP) de X heeft ook externe EGR inclusief koeler. Distributie en nokkenasverstelling zitten nu aan de vliegwielzijde. Ondanks de starter-generator is de startmotor gewoon gebleven.

Arm mengsel zonder NOx

Op de SkyActiv G-benzinemotor wordt de hoge compressieverhouding mede mogelijk gemaakt door het spaghetti-uitlaatspruitstuk. Eerder gedemonstreerde motoren moesten het steevast zonder uitlaatspruitstuk stellen. Toch vermoeden we dat de SkyActiv X ook zo’n fraai spruitstuk krijgt. Daarachter komt als we Mazda mogen geloven slechts een driewegkatalysator. Mazda-Motorenspecialist Joachim Kunz geeft tekst en uitleg: “Verbranding met een hoge piekdruk, dan zou je misschien een hoge NOx-uitstoot verwachten. Bij arme mengsels die je nog met een bougie kunt ontsteken, tot maximaal λ = 1,4 is dat zo. Maar wij gaan veel armer met de compressieontsteking, tot ver boven λ = 2,0. Al die extra lucht die niet deelneemt aan de verbranding drukt de temperatuur. We hebben dus wel een drukpiek, maar geen temperatuurpiek. Daardoor is NOx geen probleem. Tja, en met een arm mengsel produceer je ook geen CO en geen onverbrande
koolwaterstoffen.” Kortom, de driewegkatalysator hoeft alleen aan de bak als de motor niet op compressieontsteking draait.

Een drukpiek direct na het BDP draagt meer energie over aan de krukas dan een geleidelijke verbranding gedurende de hele arbeidsslag.

Een drukpiek direct na het BDP draagt meer energie over aan de krukas dan een geleidelijke verbranding gedurende de hele arbeidsslag.

‘We hebben een downsizemotor nodig’, smeekten onze marketeers tien jaar geleden

Ten slotte

Een nieuwe benzinemotor… Toch opvallend in een tijd waarin je andere merken alleen hoort over elektrisch, connected, en autonoom. “Natuurlijk zijn wij daar ook mee bezig”, zei vicepresident sales van Mazda Europa Martijn ten Brink vorig jaar tegen AMT. “Als kleine fabrikant doen we dat in samenwerking met Toyota. In 2019 komen we met een batterij-elektrisch voertuig en met ‘New Mazda Connect’, en in 2021 met het ons Co-pilot concept.” Hij voegde er wel iets aan toe. “’We hebben een downsizemotor nodig’, smeekten onze marketeers een kleine tien jaar geleden. ‘Nee dat hebben jullie niet’, zeiden de engineers en ze gingen rustig door met de ontwikkeling van de 2.0 SkyActiv G. Inmiddels staat die motor in het zuinigheidslijstje van de Amerikaanse EPA (Environment Protection Agency) al vijf jaar op rij bovenaan.”

SpCCI en HCCI

Alweer acht jaar geleden gingen we in op Mazda’s SkyActiv G-benzinemotor en SkyActiv D-diesel. In 2014 bespraken we de techniek van Mazda’s pad naar de ideale verbrandingsmotor. Wil je SpCCI nog eens uitgelegd hebben? Bekijk de heel duidelijke video van Engineering Explained.

 

Reageer op dit artikel