Tokyo Motorshow 2007: Moderne Direkteinspritzer und Wasserstoff-Kreiskolben-Hybrid

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    Neue Motoren- und Antriebskonzepte

    Moderne Direkteinspritzer und neuer Wasserstoff-Kreiskolben-Hybridantrieb
    • Neue Benzin- und Dieselmotoren: Leicht und besonders schadstoffarm
    • Neuer RENESIS Kreiskolben-Motor erstmals mit Direkteinspritzung
    • Wasserstoff-Hybridversion des Mazda5 mit deutlich mehr Reichweite
    Der Messeauftritt von Mazda für die 40. Tokyo Motor Show steht unter dem Motto „Nachhaltiges Zoom-Zoom – Mazdas Schauraum für Gegenwart und Zukunft“. Mit einer großen Zahl von Technik-Exponaten zeigt das Unternehmen, wie es seine erfolgreiche Produkt-Philosophie mittel- und langfristig weiterentwickeln will. Die Entwicklungsrichtung des im Frühjahr 2007 verabschiedeten Programms für ein nachhaltiges Zoom-Zoom Konzept sieht vor, die Mazda Modelle von morgen bei unverändert hohem Fahrspaß noch sicherer und umweltschonender zu machen. Bis 2010 stellt Mazda daher unter anderem sein gesamtes Motoren- und Antriebsstrang-Portfolio neu auf. Wohin die Richtung konkret geht, zeigt neben weiter entwickelten Benzin-Direkteinspritzer und Clean-Diesel-Motoren die neueste Entwicklungsstufe des RENESIS-Kreiskolbenmotors. Darüber hinaus repräsentiert die Studie eines Premacy (in Europa: Mazda5) mit Hybrid-Wasserstoff-Antrieb den neuesten Stand jener Technik, die Mazda langfristig als Ersatz für fossile Brennstoffe favorisiert. Aber auch revolutionäre neue Bio-Kunststoffe und ein besonders effizientes Recycling-Verfahren für Stoßfänger sind auf dem Mazda Stand zu sehen.

    Neue Generation des Benzin-Direkteinspritzers I4
    Mit der nächsten Generation des 2,0-Liter-Direkteinspritzer-Benziners (DISI) strebt Mazda eine Leistungssteigerung von 15 bis 20 und eine Senkung des Verbrauchs um 20 Prozent gegenüber konventionellen Otto-Motoren gleichen Hubraums an. Bei der Entwicklung des intern unter dem Kürzel „I4“ geführten Triebwerks wurde besonderes Augenmerk auf die Direkteinspritzung, die Steuerung der Verbrennung, eine variable Ventilsteuerung und die Abgasreinigung gelegt. Zugleich prüft Mazda auch den Einsatz einer Flex-Fuel-Version, die neben regulärem Benzin zum Beispiel auch mit dem Bio-Kraftstoff E85 betrieben werden könnte.

    Im Rahmen der weiteren Entwicklung der Direkteinspritzer-Technologie streben die Mazda Ingenieure prinzipiell nach möglichst niedrigen Temperaturen der Ansaugluft, einer noch feineren Zerstäubung des eingespritzten Benzins und einer optimierten Gemischbildung als Folge weiter verbesserter Strömungsverhältnisse im Zylinder. In diesem Zusammenhang untersuchen die Techniker die Zahl und den Zeitpunkt der Einspritzvorgänge, die Folgen von Turbulenzen sowie die optimale Form des Brennraums. Im Bereich des Ventiltriebs arbeitet Mazda an einer variablen Ventilsteuerung (S-VT), die sowohl die Ein- als auch die Auslassnockenwelle umfasst. Zusätzlich in der Entwicklung ist eine stufenlos variable Verstellung des Ventilhubs.

    Neue Katalysatoren mit erheblich geringerem Edelmetallanteil
    Mazda hat für den Einsatz in Benzinmotoren einen Katalysator entwickelt, dessen Materialstruktur den Anteil der verwendeten Edelmetalle wie Platin und Palladium mit Hilfe der so genannten Single-Nanotechnologie um 70 bis 90 Prozent reduziert. Die Leistung der Abgasnachbehandlung bleibt davon unbeeinträchtigt.

    Mit der von Mazda in vierjähriger Forschungsarbeit selbst entwickelten Technologie wird die Herstellung und Verarbeitung von Teilchen bezeichnet, deren Größe im einstelligen Bereich unter 10 Nanometer (also unter 10 Millionstel Millimeter) bleibt.
    Bei Fahrzeugkatalysatoren lösen die Edelmetalle chemische Reaktionen aus, durch die die giftigen Bestandteile des Abgases nahezu vollständig in ungiftige Stoffe umgewandelt werden. In konventionellen Katalysatoren sind die Edelmetalle jedoch relativ lose an das Basismaterial aus Keramik gebunden. Durch hohe Temperaturen im Betrieb kommt es hierbei zu einer Verschmelzung der Edelmetalle zu größeren Teilchen, was die wirksame Oberfläche reduziert. Um dem vorzubeugen, muss bislang bei der Herstellung konventioneller Katalysatoren eine vergleichsweise große Masse an Edelmetallen auf das Trägermaterial aufgebracht werden.

    Mit dem Ziel, die dauerhaft wirksame Oberfläche der Edelmetalle zu vergrößern und Verschmelzungseffekte zu vermeiden, entwickelte Mazda eine neue Trägermaterialstruktur in Kombination mit Edelmetall-Partikel, die einen Durchmesser von weniger als fünf Nanometern aufweisen. Die einzelnen Partikel können so fest in das Basismaterial aus Keramik eingebettet werden. Der erforderliche Edelmetall-Materialeinsatz verringert sich dadurch erheblich, nebenbei bleibt die Konvertierungsrate über die gesamte Lebensdauer in vollem Umfang erhalten. Die neue Katalysatortechnik wird in naher Zukunft schrittweise in die Serienfertigung einfließen.

    Neuer Clean-Diesel der nächsten Generation
    Der Mazda 2,0-Liter-Dieselmotor der nächsten Generation wird weltweit geltende Abgasstandards erfüllen und rund zehn Prozent weniger Kraftstoff verbrauchen als die heutigen Aggregate. Zugleich glänzt der Selbstzünder mit einer lebhaften Leistungsangabe, einem sehr niedrigen Geräuschniveau und geringem Verbrauch.

    Um auch beim Diesel-Motor den Mazda typischen Fahrspaß zu erhalten, setzen die Techniker aus Hiroshima auf eine Hochdruck-Common-Rail-Direkteinspritzung mit Piezo-Injektoren sowie Mehrfach-Einspritzung. Zugleich haben sie die Größe und das Gewicht aller beweglichen Motorteile reduziert und – dazu passend – einen komplett neuen Zylinderblock aus Aluminium entworfen. Als erklärtes Ziel gilt, mit dem neuen Diesel so nah wie möglich an das Gewicht eines 2,0-Liter-Benziners zu kommen.
    Ein zweistufiger Turbolader mobilisiert bereits im unteren Drehzahlbereich mächtig Durchzug. So entsteht eine breite, flache Drehmomentkurve. Dank der verstärkten Zufuhr von Frischluft und einer höheren Abgasrückführungsrate wird zugleich eine magere Verbrennung gefördert, was wiederum Verbrauch und Emissionsausstoß senkt.

    Auch bei den Diesel-Motoren arbeitet Mazda mit Hochdruck an neuen Katalysator- und Partikelfiltertechniken. Schon bei einem konventionellen Oxydations-Kat – der vor dem Partikel-Filter installiert ist – kommt es durch die Reaktion der Sauerstoff-Atome zu einer teilweisen Verbrennung der zum Großteil aus Kohlenstoff bestehenden Partikel. Beim neuen Mazda Partikel-Verbrennungskatalysator (PM Catalyst) bewirkt eine noch stärkere Reaktion der Sauerstoff-Atome eine noch effektivere Verbrennung der Kohlestoff- und Kohlenmonoxid-Teilchen.

    Daraus ergeben sich gleich drei Vorteile: Neben der effektiveren Eliminierung der Schadstoffe verlängern sich die Regenerationszyklen des Partikelfilters und der Anteil von Edelmetallen ist auch hier deutlich niedriger.

    Da die Abgase von Dieselmotoren hohe Sauerstoffkonzentrationen enthalten, ist die Umwandlung von schädlichen Stickoxiden (NOx) in Stickstoff (N2) für die Motorentechniker weiterhin die größte Herausforderung. Neben dem zuvor erwähnten Nachbehandlungssystem für gasförmige und feste Abgasbestandteile entwickelt Mazda daher ein System zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR). Dabei wird kontinuierlich eine wässerige Harnstofflösung (Handelsname AdBlue™) in den Abgasstrom eingespritzt; darüber hinaus reinigt zusätzlich ein NOx-Speicherkat die Abgase.

    RENESIS-Kreiskolbenmotor der nächsten Generation
    Mazda feiert in diesem Jahr das 40jährige Wankel-Jubiläum – 1967 erschien mit dem Cosmo Sport das erste Modell der Marke mit Kreiskolbenmotor. 2003 gab der aktuelle RENESIS-Motor im RX-8 seinen Einstand – mit seitlichen Auslasskanälen und vielen weiteren Neuerungen machte er die Technik fit für das 21. Jahrhundert. Passend zum 40jährigen Geburtstag des ersten hauseigenen „Rotary“-Motors zeigt Mazda in Tokio ein Prototyp der neuesten Generation des RENESIS-Motors (interne Bezeichnung 16X). Das Kammervolumen des Zweischeiben-Triebwerks nimmt auf 1.600 cm3 (2 x 800 cm3) zu, was einem Hubkolbenmotor von 3.200 cm3 entspricht. Die wichtigste Änderung betrifft die Form und die Abmessungen der Hauptkomponenten: Die Breite der Rotoren beziehungsweise der Rotorgehäuse wurde reduziert, der Hub der Exzenterwelle jedoch vergrößert. Durch die sich daraus ergebende Verringerung des Verhältnisses der Brennraumoberfläche zum Brennraumvolumen verringern sich zum Einen die Kühlverluste, zum Anderen reduzieren sich durch die neue Geometrie die sehr schmalen Sektionen des Brennraums, was sich positiv auf die Flammgeschwindigkeit, die Effektivität der Verbrennung und damit auf den Kraftstoffverbrauch auswirkt. Außerdem wird der Kraftstoff nun direkt in die Ansaugkammern eingespritzt, was durch den hieraus resultierenden Kühleffekt für eine größere Füllung und damit mehr Drehmoment in allen Drehzahlbereichen sorgt. Davon profitiert - durch geringere Wandbenetzung und homogenere Gemischbildung – zudem der thermische Wirkungsgrad und somit auch der Verbrauch. Dank neuer Seitengehäuse aus Aluminium kann das neue RENESIS-Triebwerkt seine ohnehin signifikanten Gewichtsvorteile weiter ausspielen.

    SISS (Smart Idle Stop System) ohne elektrischen Startermotor
    Das neue von Mazda entwickelte Start-Stopp-System SISS startet den Motor ohne einen bei bisherigen Systemen dieser Art obligatorischen Elektromotor. Kommt das Auto – zum Beispiel bei einem Ampelhalt – zum Stehen, wird durch die Motorsteuerung der Motor so abgestellt, dass die Volumen in den Brennräumen aller vier Zylinder identisch sind und sich folglich einer der Zylinder im Arbeitstakt befindet. Zum automatischen Wiederanlassen wird durch die Benzin-Direkteinspritzung Kraftstoff in den Arbeitstakt-Zylinder eingespritzt und das entstehende Kraftstoff-Luft-Gemisch direkt über die Zündkerze entzündet. Die daraus resultierende Abwärtsbewegung des Kolbens dient zum Starten des Motors. Diese Technik ergibt im japanischen Fahrzyklus „10-15“ Kraftstoffeinsparungen von bis zu zehn Prozent. Das clevere System wirft den Motor zugleich schneller und leiser wieder an als bisherige Start-Stopp-Lösungen.

    Neuer Mazda Premacy/Mazda5 Hydrogen RE Hybrid
    Im Vergleich zum Mazda RX-8 Hydrogen RE erzielt der neue Premacy/Mazda5 Hydrogen RE Hybrid eine um 40 Prozent höhere Leistung, die sich in besserer Beschleunigung und einer von rund 100 auf 200 Kilometer erhöhten Reichweite im Wasserstoffbetrieb äußert. Im Gegensatz zum RX-8 Hydrogen RE ist der Wasserstoff-Kreiskolbenmotor nicht mehr längs, sondern quer eingebaut. Das Hybridsystem wandelt die bei der Verbrennung des Wasserstoffs gewonnene Energie in elektrischen Strom um, mit dem der Elektromotor angetrieben wird. Dadurch bietet der Premacy Hydrogen RE Hybrid höchste Wirtschaftlichkeit und geringen Brennstoffverbrauch. Ein verbessertes Package im Innenraum führt dazu, dass nun fünf Erwachsene bequem Platz finden und mehr Gepäck als bisher verstaut werden kann.

    Mazda will den Premacy/Mazda5 Hydrogen RE Hybrid 2008 zum Leasing an interessierte Behörden und Unternehmen freigeben – ein Feldversuch nach dem Vorbild der 2006 für den RX-8 Hydrogen RE gestarteten Aktion. Das Fahrzeug verfügt über ein Bi-Fuel-System, das jederzeit ein Umschalten vom Wasserstoff- in den Benzin-Modus und umgekehrt gestattet. Die Hauptbestandteile des Antriebssystems sind der Wasserstoff-Wankelmotor, der Generator, der Wechselrichter, der Elektromotor und die Batterien. Eine Energierückgewinnung beim Bremsen und eine Start-Stopp-Automatik steigern die Gesamtenergie-Bilanz weiter.

    Bio-Kunststoffe und besonders effizientes Stoßfänger-Recycling
    Doch auch abseits seines zukunftsträchtigen Antriebskonzepts hat der saubere Familien-Van technologisch einiges zu bieten. Denn erstmals ist es Mazda in Zusammenarbeit mit den Unternehmen Teijin Ltd. und Teijin Fibers Ltd. gelungen, aus Pflanzen gewonnene Kunststoffe für den Einsatz im Innenraum herzustellen. Diese Biotech-Materialien sind bemerkenswert unempfindlich gegen Witterungseinflüsse und Stöße aller Art, bestechen durch einen hohen Qualitätseindruck und sind vielseitig einsetzbar. Im Mazda Premacy Hydrogen RE Hybrid tauchen sie in Form diverser Verkleidungsteile und als Sitzpolster auf. Die aus biologisch abbaubaren Polylactid-Fasern hergestellten Bio-Kunststoffe haben fertigungstechnisch einen entscheidenden Vorteil: Entstehen konventionelle Materialien nur in der Formpresse, sind die neuen Stoffe auch zum Fließpressen geeignet. Erst so erhalten sie die gewünschte Qualität und Anmutung, um in Fahrzeuginnenräumen zum Einsatz kommen zu können.

    Eine weitere umweltpolitische Wohltat Mazdas ist die besonders effektive Verwertung beschädigter oder alter Stoßfänger, aus denen erneut neue Stoßfänger entstehen. Mazda hat das „Bumper-to-Bumper-Recycling“ in Japan erstmals im März 2005 eingeführt; auch der Mazda Premacy Hydrogen RE Hybrid besitzt Karosserie-Kunststoffteile, die in dem neuen Verfahren hergestellt wurden.

    Und so funktioniert es: Zu Beginn des Recycling-Prozesses werden die Stoßfänger zunächst komplett zu Kügelchen zerkleinert. Dabei wird die Farbe zu bereits 98,5 Prozent entfernt. Bei der abschließenden Feinsortierung hilft Mazda ein optisches Ausleseverfahren, das mit zwei hochempfindlichen CCD-Kameras und fluoreszierenden Lampen operiert. Das angelieferte, körnige Material wird damit penibel auf noch vorhandene Farbrückstände untersucht. Mit Hilfe von komprimierter Luft gelingt es in den meisten Fällen, die Restfarbe zu entfernen. Die komplett farbneutralen Rezyklate werden anschließend mit frischem Material gemischt und – wie beim Wasserstoff-Premacy/Mazda5 – zu neuen Stoßfängern verarbeitet. Jene Körner, die trotz der Behandlung als Ausschuss enden, sind trotzdem noch zu etwas gut: Aus ihnen entstehen Verkleidungen für den Unterboden neuer Autos.

    Mazda Motors (Deutschland) GmbH
     
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