Rob van Ginneken
Mazda introduceert de Skyactiv-X motor die – claimen ze – de voordelen van de Otto-motor en de Diesel-motor in zich verenigt. Hoe werkt het en is die ontwikkeling belangwekkend?
Autofabrikanten werken al decennialang aan HCCI-techniek voor de Otto-motor. Homogenous Charge Compression Ingition is kort door de bocht gezegd een ‘dieselende’ benzinemotor. Zelfontsteking door hoge compressie en een zeer arm brandstofmengsel beloven gunstige emissieresultaten en een laag verbruik.
Op de testbank werkt het, maar zelfs industriegiganten als Volkswagen, GM, Mercedes en Toyota kregen deze veelbelovende oplossing met ‘schraal’ benzinemengsel niet productierijp. Naar verluidt wordt het al wel in de extreem krachtige motoren van sommige Formule 1 teams toegepast.
Opvallend is dat de productieprimeur van een dergelijke techniek nu naar het kleine Japanse merk Mazda gaat. Ze geven er met hun ‘Spark Controled Compression Ingnition’ (SPCCI) echter een eigen draai aan. SPCCI maakt net als genoemde racemotoren namelijk gebruik van een ontstekingsvonk. De vraag die dat oproept: mag je dit dan wel ‘compressieontsteking’ noemen?
Volgens Christian Schultze, R&D-directeur van Mazda Europe, mag dat zeker: ‘We pakken het alleen anders aan. Hét probleem met HCCI is dat je de verbranding niet stabiel krijgt onder variërende belasting. En die heb je per definitie in een rijdende auto. Met SPCCI hebben we daar een weg omheen ontwikkeld. Een belangrijke oplossing die voor de toekomst een wereld aan mogelijkheden opent.’
‘In de startfase en onder zware belasting functioneert Skyactiv-X min of meer als een gangbare benzinemotor,’ vertelt Schultze. Door de mogelijkheden van de nieuwe techniek kan hij echter wel 180 pk leveren, in tegenstelling tot de 122 pk bij de krachtbron waarvan hij is afgeleid. Veel belangrijk is dat de nieuwe motor bij gangbare belasting – tot 80 % van de tijd – omschakelt naar SPCCI met een zeer arm mengsel. ‘Onze R&D-doelstelling was om dat over een zo breed mogelijk toerengebied stabiel en beheersbaar te laten werken. Bovendien reageert de motor snel op gasgeven. Dat is een ander probleem bij HCCI.’
Het mengsel in de cilinders bevat twee- tot driemaal meer lucht dan wat normaalgesproken als optimaal wordt gezien. Samen met de hoge compressieverhouding in de Skyactiv-X verbetert dat het rendement flink en verlaag je ook de verbrandingstemperatuur. Dat laatste is belangrijk, want onder de tweeduizend graden produceert de motor vrijwel geen NOx meer. Ook dát is bij benzinemotoren tegenwoordig een probleem.
‘Bovendien is de SPCCI-motor mechanisch niet erg moeilijk te produceren’, zegt Schultze. ‘We bouwen hem op basis van de bestaande tweeliter viercilinder Skyactiv-G. Hij heeft wel een mechanische compressor die zorgt dat er ook bij hoge toerentallen een overschot aan inlaatlucht beschikbaar is. Die is er dus niet – zoals gebruikelijk – om meer benzine te kunnen verbranden, maar juist om het mengsel stabiel arm te houden.’
Wat aan de motor ook meteen opvalt is de extreem hoge compressieverhouding van 16,3 op 1. Dat is de verhouding van het grootst mogelijk volume boven de zuiger ten opzicht van het kleinste volume onder de zuiger. Schultze: ‘Daarmee brengen we het mengsel tegen de grens van zelfontsteking, maar het exacte moment van ontsteking willen we absoluut zelf kiezen. Om onbeheersbare detonatie te voorkomen. Dat is de Achilleshiel van een benzinemengsel onder hoge compressie.’
‘Met meerdere inspuitingen vullen we de cilinder met een homogeen arm mengsel. Het nieuw aan onze oplossing is dat we op het juiste moment tijdens de compressie nog een minuscuul beetje benzine bij de bougie inspuiten en dat ‘wolkje’ ontsteken met een vonk. Vandaar de naam Spark Controlled. Die kleine verbranding veroorzaakt een schokgolf die zorgt dat druk en temperatuur in de rest van de cilinder in nanoseconden zover oplopen dat het arme mengsel daar spontaan ontsteekt. Net als in een dieselmotor en dus niet met een vlamfront vanaf de bougie.’
Volgens Schultze kunnen we deze techniek vaker gaan zien: ‘Het is ‘schaalbaar’ naar andere motoren en het is denkbaar dat het onze standaard wordt. Met name in het motormanagement is veel geïnvesteerd. Het geheim zit hem immers in de beheersing. Alle vier de cilinders hebben een temperatuur- en druksensor die letterlijk bij elke graad krukasdraaiing opnieuw de situatie bepaalt. Uitzonderlijk krachtige processoren en een zeer gecompliceerde software voeren per cilinder real time aanpassingen aan inspuiting en ontsteking door.’
Het resultaat onder de streep? ‘De prestaties zijn beter, en toch mag je op een rond 8 % lager verbruik rekenen.’
