In de zomer van 2017 deed Mazda een aankondiging:het autobedrijf vond een manier om benzinemotoren met compressieontsteking te maken voor personenauto's. Mazda beweerde dat zijn nieuwe motor het brandstofverbruik met 20 tot 30 procent zou kunnen verlagen, wat een aanzienlijke prestatie is voor een benzinemotor.
Voordat we een duik nemen in deze technologie, is het vermeldenswaard dat de motor met compressieontsteking geen nieuw concept is. Formule 1-auto's gebruiken motoren met compressieontsteking en verschillende andere autofabrikanten hebben geprobeerd een commercieel levensvatbare versie voor personenauto's te ontwikkelen. Maar Mazda's motor, de Skyactiv-X genaamd, zal de eerste in massa geproduceerde en in de handel verkrijgbare motor van dit type zijn. Dankzij Jay Chen, een aandrijflijningenieur bij Mazda, kon HowStuffWorks vernemen hoe deze doorbraak tot stand kwam. Maar eerst moeten we kijken naar de basisfuncties van een engine.
Een motor werkt door brandstof op twee manieren te ontsteken:warmte en compressie. Motoren met vonkontsteking zijn te vinden in de meeste benzineauto's. Bij dit soort motoren vuren de bougies om brandstof in de verbrandingskamer te ontsteken, terwijl ook het brandstof- en luchtmengsel wordt gecomprimeerd. Dit is natuurlijk een zeer vereenvoudigde versie van het proces om het belangrijkste verschil tussen de twee motortypes te illustreren. Motoren met vonkontsteking volgen een cyclus en vereisen een nauwkeurige timing om te werken, maar zijn over het algemeen betrouwbaar onder verschillende omstandigheden [bron:Knight].
Compressie-ontstekingsmotoren werken meer als dieselmotoren. Diesels zijn ontworpen voor een veel hogere compressie (waarvoor zwaardere componenten en een sterkere constructie nodig zijn) en gebruiken gloeibougies als warmtebron in plaats van bougies. Gloeibougies verwarmen de compressiekamer, wat op zijn beurt de compressie in de kamer verhoogt. Wanneer de brandstof aan de kamer wordt toegevoegd, wordt deze over de punt van de gloeibougie gespoten, maar het proces is meer afhankelijk van de compressie dan van het contact van de brandstof en de bougie. Het ontbreken van "vonk" helpt dieselmotoren om hogere EPA-classificaties te behalen dan benzinemotoren met verder vergelijkbare specificaties [bron:Stewart].
Als we ons concentreren op gas, vraag je je misschien af, wat heeft het voor zin om uit te leggen hoe een dieselmotor werkt? Simpelweg om het belang van compressie te illustreren. De beste manier om de gasmotor te verbeteren, is uitzoeken hoe de compressie kan worden verhoogd, waardoor de motor zijn brandstofvoorraad efficiënter kan gebruiken.
Een benzinemotor met compressieontsteking combineert de beste onderdelen van deze processen. De motor is geprogrammeerd om lucht (meestal motoruitlaat) in de motorcilinder op te sluiten door de timing van de uitlaat- en inlaatkleppen aan te passen. De brandstofinjectoren voegen brandstof toe aan deze ingesloten uitlaat en aangezien het ingesloten mengsel onder zeer hoge compressie staat, kan de relatief kleine hoeveelheid brandstof ontbranden.
Compressie-ontstekingsmotoren kunnen zelfs worden onderverdeeld in twee verschillende typen [bron:Lindberg].
Het belangrijkste verschil tussen deze twee motoren is het punt in het proces waarop de brandstof wordt toegevoegd, dat wordt bereikt door aanpassingen aan de cycli en timing van de motoren. Anders werken de motoren op dezelfde manier; de compressie is de belangrijkste factor.
Compressie-ontstekingsmotoren hebben enkele voordelen en minstens evenveel nadelen. Enkele voordelen zijn:
"Als ruwe analogie is vonkontsteking verwant aan het starten van een vuur door slechts één rand van de krant aan te steken en de vlam geleidelijk over het papier te laten klimmen", legt Mazda-aandrijflijningenieur Jay Chen via e-mail uit. "[Compressie-ontsteking] lijkt meer op zelfontbranding waarbij de brandstof en lucht de kritische druk en temperatuur hebben bereikt, en de hele lading verandert tegelijkertijd van fase, waardoor alle energie tegelijk vrijkomt. Door alle energie bijna tegelijk vrij te geven, [ compressieontsteking] kan meer vermogen onttrekken (omdat dit ruim voordat de expansieverhouding is opgebruikt) uit dezelfde hoeveelheid lucht kan worden gehaald, terwijl er twee tot drie keer minder brandstof wordt gebruikt en bij veel lagere verbrandingstemperaturen, waardoor verspilde warmte-energie en emissievorming verder worden verminderd ."
Klinkt geweldig, toch? Het probleem is dat deze motoren echt kieskeurig zijn - als ze gemakkelijk te ontwerpen en te gebruiken waren, zouden we ze nu besturen. Zelfs als u niet bekend bent met dieselmotoren, heeft u misschien gehoord dat ze onhandig kunnen zijn onder suboptimale omstandigheden. Een deel daarvan is te wijten aan de dieselbrandstof zelf, die de neiging heeft om te "gelen" bij zeer lage temperaturen. Dat probleem hebben we niet met benzine, die zelfs bij temperaturen onder het vriespunt vloeibaar blijft. Maar compressieontsteking kan nog steeds worden beïnvloed door het weer en andere omgevingsomstandigheden, evenals andere factoren zoals de kwaliteit van de brandstof.
"Tot nu toe bestonden interne verbrandingsmotoren met compressieontsteking alleen in stabiele laboratoriumomstandigheden of onbewerkte prototypen van voertuigen die te ruw waren om in productie te worden toegepast", zegt Chen.
Met andere woorden, als de druk en temperatuur in de cilinders niet zorgvuldig wordt gehandhaafd, zal het proces niet werken. Te lage temperaturen kunnen de gevoelige onderdelen van de motor beschadigen. Als de motor te heet wordt, kan hij gaan kloppen - een toestand die optreedt wanneer het brandstof-luchtmengsel te heet wordt en op het verkeerde moment ontploft, wat brandstof verspilt en resulteert in een slecht lopende motor. Een motor met vonkontsteking kan ook te koud of te warm worden, maar heeft een veel hogere foutenmarge.
Het betrouwbaar laten werken van een motor met compressieontsteking hangt af van een nauwkeurige combinatie van lucht, brandstof en uitlaatgassen, gemengd in de perfecte verhouding, met de perfecte compressie, met precies de juiste hoeveelheid warmte die op het juiste moment wordt toegepast. Zoals we weten, is het nog niemand gelukt om een auto te bouwen met een gasmotor met compressieontsteking, dus dit proces moest verder worden verfijnd.
Kort na Mazda's aankondiging begonnen auto-industrie-experts te speculeren of een massamarktmotor met compressieontsteking gasmotoren zou kunnen 'redden'. Dat wil zeggen, naarmate de industrie meer in de richting van hybride en elektrische technologie gaat, zou deze gasmotor efficiënt genoeg kunnen zijn om een levensvatbare concurrent te zijn?
Chen zegt dat Mazda wordt gemotiveerd door de overtuiging dat, "door elk beetje efficiëntie uit de verbrandingsmotor te persen (in combinatie met elektrificatie zodra de verbrandingsmotor is geperfectioneerd), we een methode kunnen leveren om de auto tot ver in deze eeuw aan te drijven die het potentieel heeft om dezelfde of minder 'well to wheel' CO2-emissies te genereren als pure elektrische voertuigen op batterijen die worden aangedreven door op fossiele brandstoffen gebaseerde energiecentrales in verschillende vormen."
Met andere woorden, Mazda denkt dat met voortdurende innovatie een auto die wordt aangedreven door een gasmotor minstens zo efficiënt kan zijn als een elektrische auto, en mogelijk zelfs nog meer. Laten we eens kijken hoe deze doorbraak in compressie-ontstekingstechnologie verschilt van de voorgaande.
In 2007 reed Motor Trend met een Saturn Aura aangedreven door een motor met compressieontsteking, waarmee het brandstofverbruik met 15 procent werd verminderd ten opzichte van een gewone Aura [bron:Markus]. Destijds verwachtte GM in 2015 een voertuig met compressieontstekingsmotor op de markt te brengen, maar het merk Saturn werd slechts een paar jaar later stopgezet en GM verlegde geleidelijk zijn aandacht naar elektrische en plug-in hybride voertuigen zoals de Chevrolet Volt.
Rond dezelfde tijd werkte Mercedes-Benz aan een compressieontstekingssysteem genaamd DiesOtto, en Ford had ook een project in ontwikkeling [bron:Estrada]. Geen van deze motoren kreeg echter groen licht voor productie, en de ervaring van Hyundai kan helpen verklaren waarom [bron:Markus].
Afgezien van Mazda heeft Hyundai waarschijnlijk de meeste vooruitgang geboekt, met inspanningen die voor het eerst aan het licht kwamen rond 2013 [bron:Markus]. Het bedrijf ontwierp zijn versie van een motor met compressieontsteking zonder bougies of gloeibougies, met een beoogde releasedatum van 2023.
Ondanks veelbelovende vooruitgang, onthulde Hyundai in 2016 dat de motorcomponenten gewoon niet sterk genoeg waren om de compressie aan te kunnen die nodig is om het proces te laten werken. Sterkere motorcomponenten, namelijk het blok, de krukas en de lagers, kunnen natuurlijk worden ontworpen; zo werken dieselmotoren. Het is gewoon erg duur, en die sterkere componenten voegen gewicht toe aan de auto en verminderen de algehele efficiëntie. Hyundai was altijd al van plan geweest om een turbocompressor te gebruiken om het vermogen te vergroten en de nodige compressie te behouden, maar ze ontdekten dat ze ook een supercharger nodig hadden, wat het budget nog verder deed dalen. En tot slot was Hyundai niet tevreden met de hoeveelheid vervuiling die door deze aandrijflijnen werd geproduceerd. Uiteindelijk was het project veel duurder en lang niet zo schoon en efficiënt als gepland [bron:Markus].
Mazda's ontwikkelingsinspanningen zijn al bijna net zo lang aan de gang als zijn concurrenten.
"Skyactiv-X was altijd al in de plannen, zelfs voordat de eerste generatie Skyactiv werd gelanceerd", legt Mazda-ingenieur Chen uit. "De eerste stap in deze roadmap was Mazda's Skyactiv-technologie [die] in 2009 werd geïntroduceerd. De belangrijkste verbetering in die tijd was de toepassing van een onconventioneel hoge motorcompressieverhouding om de algehele motorefficiëntie en de aandrijflijnprestaties te verbeteren. Dit werd bereikt door een synergetische combinatie van bestaande technieken die samen worden toegepast om te bereiken wat (tot dan toe) onmogelijk werd geacht voor productiemotoren."
In termen van leken:"Skyactiv" is de term voor Mazda's strategie om de compressie te verhogen om de efficiëntie te verhogen, en Mazda moest een beetje sleutelen om de aanstaande Skyactiv-X aan het werk te krijgen. Als resultaat van dat knutselen voegde Mazda een bougie toe aan de mix, zodat de motor kan schakelen tussen compressie en vonkontsteking, afhankelijk van wat op dat moment het meest efficiënt is. Dit klinkt misschien alsof het indruist tegen de basisprincipes van motortechnologie met hoge compressie, maar Chen zegt dat het werkt.
"Deze doorbraak, die we vonkgestuurde compressie-ontsteking (SPCCI) noemen, breidde het bruikbare bereik van compressie-ontstekingswerking en -regeling aanzienlijk uit en bood de oplossing voor een naadloze overgang tussen CI [compressie-ontsteking] en SI [vonk-ontsteking] verbrandingsmodi die worden gebruikt bij hoge motortoerentallen (in het geval van Skyactiv-X),' zegt Chen.
Simpel gezegd, de bougie is het magische ingrediënt dat ervoor zorgt dat de motor soepel draait en zich aan verschillende omstandigheden aanpast, en hij zal alleen worden gebruikt als dat absoluut noodzakelijk is. De motor van Mazda is ontworpen om zichzelf te controleren en de werking ervan aan te passen op basis van factoren zoals de huidige omgevingsomstandigheden, de manier waarop met de auto wordt gereden en de voorkeuren en instellingen van de bestuurder [bron:Estrada].
Nadat Mazda op dit idee kwam, duurde het nog twee jaar om de motor te ontwikkelen, waarin een andere belangrijke beslissing werd genomen. Voertuigen uitgerust met Skyactiv-X-motoren zullen superchargers hebben om de vermogensspecificaties te verbeteren, wat de rijdynamiek zal verbeteren en potentiële kopers zal helpen overtuigen om een kans te wagen op deze nieuwe technologie [bron:Estrada].
De laatste grote vraag:wanneer kunnen chauffeurs het verwachten? Een woordvoerder van Mazda zegt dat het bedrijf nog niet kan onthullen welke voertuigen de eerste zullen zijn die zijn uitgerust met de Skyactiv-X-motor of wanneer ze beschikbaar zullen zijn. We weten ook niet of voertuigen met compressieontstekingsmotoren meer zullen kosten dan vergelijkbare voertuigen met vonkontstekingsmotoren. Het is echter veilig om te speculeren dat, hoewel Mazda de eerste zal zijn die deze technologie op de markt zal brengen, andere fabrikanten vrijwel zeker zullen volgen.
In tegenstelling tot veel van mijn collega's, maak ik me niet echt zorgen over 'het redden van gasmotoren', hoewel dat waarschijnlijk zou helpen met werkzekerheid. Misschien zou ik daar wat egoïstischer in moeten zijn, maar ik besloot om over de compressie-ontstekingsmotor te schrijven, simpelweg omdat ik geïntrigeerd ben door elke innovatie die kan helpen een auto efficiënter te maken.
Om die reden — duurzaamheid in het algemeen — wil ik graag een proefrit maken met een voertuig met compressieontstekingsmotor zodra deze beschikbaar zijn. Net als hybrides en elektrische voertuigen, denk ik dat er veel discussie zal zijn over de vraag of deze voertuigen wel of niet krachtig genoeg zijn. Eerlijk gezegd vermoed ik dat de gemiddelde persoon het verschil niet zal kunnen zien. Er zijn veel manieren om een auto interessant te maken om te rijden, behalve om hem zo krachtig mogelijk te maken, en dat is een gebied waarin Mazda uitblinkt.
