Das Beste aus zwei Welten

Neuer Kolben im Crossover-Motor von Mazda

Als erster Serien-Ottomotor verfügt der SKYACTIV-X von Mazda über die Möglichkeit zur Kompressionszündung. Er vereint so die Vorzüge von Benzin- und Dieselmotor. Die bahnbrechende Innovation setzt dabei auf Kolben der japanischen Rheinmetall-Tochter Kolbenschmidt KK (KSKK).

Als Crossover-Antrieb vereint der SKYACTIV-X die Vorteile eines konventionell zündenden Benzinmotors mit der Kompressionszündung des Diesels. Konkret sind die Pluspunkte des Ottomotors ein breit nutzbarer Drehzahlbereich und geringere Emissionen, wie zum Beispiel Stickoxide. Die Kompressionszündung spielt beim spritzigen Ansprechverhalten und der höheren Effizienz ihre Qualitäten aus. Möglich macht diese Kombination des Besten aus zwei Welten das spezielle Brennverfahren Spark Controlled Compression lgnition (SPCCI) von Mazda. Es ermöglicht durch den kontinuierlichen Betrieb mit Zündkerzen einen nahtlosen Wechsel zwischen konventioneller Fremdzündung und Kompressionszündung. Der Motor kann so mit einem extrem mageren homogenen Kraftstoff- Luft-Gemisch betrieben werden.

Kontrollierte Selbstzündung

Das SPCCI-Brennverfahren weist gegenüber anderen Verfahren zwei große Vorteile auf: Da die Kompressionszündung per Zündkerze ausgelöst wird, findet die kontrollierte Selbstzündung immer zum optimalen Zeitpunkt statt. Die kraftstoffsparende Selbstzündung findet so in einem besonders breiten Last- und Drehzahlbereich statt, was den Kraftstoffverbrauch deutlich reduziert. Durch die vorhandenen Zündkerzen kann das System zudem in denjenigen Drehzahl- und Lastbereichen, in denen eine Kompressionszündung nicht möglich ist, nahtlos auf Fremdzündung wechseln. Damit wird sichergestellt, dass das Verdichtungsverhältnis nicht zu hoch gewählt werden muss.  Die innovative Technologie ermöglicht eine deutliche Reduktion des Kraftstoffverbrauchs: Durchschnittlich 20 Prozent, in unteren Lastbereichen sogar bis zu 30 Prozent, spart der SKYACTIV-X im Vergleich zum aktuellen 2,0-Liter-SKYACTIV-G-Benzinmotor.

Bewährter Partner KSKK

An die Kolbenentwicklung stellte das innovative Brennverfahren besondere Anforderungen. Der richtige Technologiepartner für Mazda war jedoch schnell gefunden, wie Tadayuki Kuramoto, President bei Kolbenschmidt K.K. in Hiroshima, berichtet: „Wir wurden nicht nur deshalb ausgewählt, weil Mazda unser technologisches Know-how zu schätzen wusste, sondern auch aufgrund unserer langjährigen hohen Leistungen in Bezug auf Qualität, Kosten, Liefertreue, Service und Entwicklung. KSKK unterstützte Mazda schon während der fortgeschrittenen Entwicklungsphase und wurde schließlich 2016 als Serienentwicklungslieferant nominiert.“ Eine der Herausforderungen bei der Entwicklung: Die Selbstzündung verursacht klopfähnliche Vibrationen, gegen die Mazda den sogenannten Natural Sound Smoother, ein Schwingungsabsorptionssystem, als Lösung einsetzt. „Ein sogenannter Dynamic Dumber mit einem Gewicht von ca. 50 Gramm wird dabei in den Kolbenbolzen gepresst und bewegt sich in der gleichen Frequenz wie die durch die SPCCI-Verbrennung erzeugten Schwingungen. So werden diese kompensiert“, erklärt Tadayuki Kuramoto.

Leichter Kolben gefragt

Da der Kolbenbolzen aufgrund dieser speziellen Struktur relativ schwer ist, muss der Kolben selbst möglichst leicht sein, um die erhöhte Trägheitsmasse des Kolbensystems auszugleichen. „KSKK hat mit dem Kolben LiteKS-Plus genau das richtige Kolbensystem für diese Anwendung im Portfolio. Kombiniert mit einem geeigneten Ringträger steht Mazda ein robuster Kolben mit geringem Gewicht und hoher Steifigkeit zur Verfügung, der einen wichtigen Beitrag zum Erfolg des SPCCI-Systems leistet“, so Tadayuki Kuramoto. Eine weitere Herausforderung für das Konzept des Motors mit hohem Verdichtungsverhältnis war zudem die Minimierung der Variation des Verdichtungsverhältnisses. Für den Kolben bedeutet das, dass die Variation des Kronenvolumens minimiert werden musste. KSKK realisierte das durch eine hochpräzise und strenge Kontrolle von Volumen und Gewicht.

Flexibilität in der Produktion

Ein besonderes Lob spricht Tadayuki Kuramoto den Kollegen in der Produktion aus: „Mazda beschloss nur ein Jahr vor dem Produktionsstart, einen Ringträger in der oberen Ringnut einzusetzen, um den Verschleiß dieses Teils zu verringern. Ohne Erfahrung mit der Herstellung von Kolben mit Ringträger für Benzinmotoren gelang es uns, die Produktionsvorbereitung einschließlich der automatischen Gießzelle und der Bearbeitungslinie zur Herstellung eines solchen Kolbens in einer extrem kurzen Zeitspanne abzuschließen.“

System mit Zukunft

Über das SPCCI-Verfahren hinaus sieht Tadayuki Kuramoto weitere Einsatzmöglichkeiten für den KSKK- Kolben. „Er weist engere Toleranzen der Kompressionshöhe und des Bodenprofils auf, um eine geringere Volumenschwankung zu realisieren als herkömmliche Kolben. Daher ist er ein idealer Kandidat für Benzinmotoren mit hohem Verdichtungsverhältnis, die empfindlich auf Schwankungen dieses Verhältnisses reagieren.“