Mazda Biesel: Benzin-Selbstzünder bis 2018

Berlin – Es klingt wie ein Ausweg im CO2- und Partikel-Kampf der Verbrennungsmotoren: Der Benzin-Selbstzünder soll die Vorteile aller Hubkolbenkonzepte vereinen. In der Theorie fährt er sparsam wie ein Diesel, drehfreudig wie ein Benziner und sauber wie ein Saugrohreinspritzer. Daimler und VW haben vor einigen Jahren solche Motoren vorgestellt. In die Serienfertigung schaffen die es seitdem nicht. Mazda will es besser machen – und bringt ab 2018 den „Biesel“.

Direkteinspritzer mit Ruß-Problem

Konstruktionsbedingt haben alle Verbrennungsmotoren Nachteile. Dieselaggregate stoßen große Mengen Stickoxide aus und erreichen nicht die Laufruhe von Benzinern. Benzin-Saugrohreinspritzer trinken viel Sprit, Direkteinspritzer emittieren schädliche Rußpartikel.

Paradoxerweise entstehen die beim Sparen: Im Teillastbereich arbeiten einige Motoren mit mehr Sauerstoff, als ein ideales (stöchiometrisches) Gemisch benötigt. Auf Fachchinesisch heißt das „Ladungsschichtung“. Dabei wird nur sehr wenig Benzin eingespritzt. Beim Verbrennen entstehen Schadstoffe, ähnlich wie bei Dieselmotoren. Die führen dort ohne Abgasnachbehandlung zum Ausschluss aus Umweltzonen. Zukünftige Abgasnormen beinhalten daher strengere Grenzwerte für Benzin-Direkteinspritzer.

Diese lassen sich auf verschiedenen Wegen erreichen. Einige Hersteller greifen zum Rußpartikelfilter. VW und Audi nutzen in einigen Aggregaten eine zusätzliche Einspritzdüsen im Saugrohr, die im Teillastbereich arbeiten. Andere Motoren verzichten auf das Sparpotenzial der Ladungsschichtung. Ein Problem bleibt aber: Das Benzin hat bei Direkteinspritzern nicht genug Zeit, sich mit der Luft zu vermischen. Es verbrennt ungleichmäßig.

Benzin-Selbstzünder: Benzin-Verbrennung nach Diesel-Prinzip

Mazda wählt deshalb eine andere Option. Der Benzin-Selbstzünder soll bald schaffen, was der Direkteinspritzer nicht kann. Die Idee: Durch hohe Verdichtung entzündet das Gemisch selbstständig an mehreren Punkten gleichzeitig („Raumzündung“). So verbrennt es sauberer.

Benzinmotoren funktionieren seit ihrer Erfindung nach dem gleichen Prinzip. Das Benzin wird während des Verdichtungstaktes zugeführt. Bei einer hohen Verdichtung würde sich der Kraftstoff unkontrolliert entzünden: ein Teil des Gemisches schon, bevor der Kolben seinen oberen Totpunkt erreicht hat. Das liegt am niedrigen Flammpunkt von Benzin. Es entsteht ein „Klopfen“. Der Kolben wird also nach unten gedrückt, während er sich nach oben bewegt. Langfristig führt das zum Motorschaden.

Ein Benzin-Selbstzünder arbeitet deshalb nach dem gleichen Prinzip wie ein Dieselmotor. Der Kolben verdichtet nicht das Gemisch, sondern nur die Luft im Brennraum. Durch eine hohe Verdichtung wird die so heiß, dass sich der Kraftstoff ohne Zündkerze entzündet. Die Düse spritzt das Benzin erst in den Brennraum, wenn der Kolben fast den oberen Totpunkt erreicht hat.

Mazda-Biesel: Verdichtungsverhältnis von 18:1

Schon heute verdichten Mazda-Motoren höher als alle anderen Benziner in der Serienproduktion, nämlich mit einem Verhältnis von 14:1. Zum Vergleich: Vor 25 Jahren schrieben viele Hersteller ab einer Verdichtung von 10:1 die Verwendung von Super Plus (98 Oktan) vor. Der Selbstzünder soll bei einer Verdichtung mit 18:1 mit Super-Benzin (95 Oktan) laufen. Mazda-Pressesprecher Jochen Münzinger zeigte sich im Gespräch mit MOTOR-TALK zuversichtlich: „Vor zehn Jahren hätten Sie sich auch nicht vorstellen können, im Alltag mit einer Verdichtung von 14:1 zu fahren.“

Im Drehzahlkeller und bei Volllast soll der Biesel wie gehabt mit einer Zündkerze pro Zylinder zünden. Nur im Teillastbereich entflammt das Gemisch ohne Funken. Wie die Japaner das realisieren wollen, verraten sie nicht. Aufgrund der hohen Verdichtung wird der Motor wahrscheinlich in allen Lastzuständen erst nach dem Verdichtungstakt einspritzen. Die Zündkerzen unterstützen bei niedrigen und hohen Drehzahlen.

Selbstzünder: Kostendruck bei VW, Resignation bei Mercedes

VW und Mercedes verfolgten vor einigen Jahren ebenfalls Selbstzünder-Projekte. Das „DiesOtto“-Konzept (Marketing-Deutsch: CCS, Combined Combustion System, etwa: Mischmotor) von Mercedes arbeitet mit einem variablen Verdichtungsverhältnis.

Beim Anlassen und bei Vollgas funktioniert das Aggregat wie ein normaler Direkteinspritzer. Im Teillastbetrieb erhöht der Motor die Verdichtung und verbrennt ohne Fremdzündung.

Mercedes erteilte dem Projekt nie offiziell eine Absage. Der Versuchsmotor, ein 1,8-Liter Vierzylinder mit 238 PS und 400 Newtonmeter fuhr aber nur im Versuchsfahrzeug F700 von 2007. Direkteinspritzung, Hybrid-Antrieb und Turbolader gibt es heute in Serie, variable Verdichtung und Raumzündung nicht.

Eine andere Idee entwickelte VW: Der CCS-Motor in einem Versuchs-Touran arbeitet in allen Betriebszuständen als Selbstzünder. Mit einem Verdichtungsverhältnis von 16,5:1 zeigte er Verbrauchsvorteile im Teillastbereich – dafür wurde der Kaltstart zur Herausforderung. VW befand das Konzept für zu teuer.

Noch fünf Jahre Entwicklungszeit für den Biesel-Motor

Die Mazda-Ingenieure müssen in den kommenden Jahren viele Probleme lösen. Zum Beispiel das Temperaturgefälle an den Zylinderwänden – das Kraftstoff-Luft-Gemisch könnte sich ungleichmäßig entzünden. Außerdem ist das Abgasverhalten ein wichtiges Thema – der Kraftstoff muss immer vollständig und sauber verbrennen. Das Ziel der Arbeit: Ein 30 Prozent höherer Wirkungsgrad.

Es gibt bereits einige Ansätze, das Zündverhalten von Benzinmotoren zu verbessern. Eine davon kommt aus Deutschland: Die Firma MWI (Micro Wave Ignition) arbeitet an einem Prototypenmotor, der eine Raumzündung durch Mikrowellen ermöglicht. Ob Mazda auf diese Technik zurückgreift, werden wir wohl frühestens in einigen Jahren erfahren.

 

Quelle: MOTOR-TALK