拯救汽油機(jī)計(jì)劃

我想馬自達(dá)一定會對自己每一分開銷都精敲細(xì)打：一年160萬的產(chǎn)銷量在這個(gè)巨無霸橫行的世界上顯得實(shí)在微小，因而每一份收獲都來之不易。不過相比大眾、豐田、現(xiàn)代或是通用集團(tuán)，馬自達(dá)又擁有出色的獨(dú)立性，一個(gè)確實(shí)存在但容易忽略的優(yōu)勢。

正因?yàn)槿绱?，它可以充分控制自己的技術(shù)路線。比如，沒有哪一家汽車公司曾比這家來自廣島的日本公司更執(zhí)著于轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)，雖然這種機(jī)型被認(rèn)為缺乏開發(fā)潛力、無法落實(shí)環(huán)保指標(biāo)，也從沒有成為主流，但毫無疑問馬自達(dá)是一個(gè)執(zhí)著于為問題制造解決方案的公司。再比如，正當(dāng)所有主機(jī)廠都高舉“小型化-增壓化”的技術(shù)旗幟時(shí)，馬自達(dá)提出了“正確化”的概念。在馬自達(dá)工程師的眼里，基于技術(shù)進(jìn)行更新、發(fā)揮設(shè)計(jì)潛質(zhì)比一股腦地告別從前更加重要。

Skyactiv-X系列發(fā)動機(jī)便是馬自達(dá)對于“技術(shù)更新”、“設(shè)計(jì)潛質(zhì)”的進(jìn)階表達(dá)。它將那個(gè)很多主機(jī)廠曾經(jīng)嘗試但悉數(shù)失敗的汽油機(jī)技術(shù)帶進(jìn)了現(xiàn)實(shí)——汽油機(jī)壓燃燃燒方式。其實(shí)這個(gè)概念最早并非由馬自達(dá)提出，我們熟知的柴油機(jī)就是采用了這種燃燒方式，實(shí)現(xiàn)了比汽油機(jī)更高的熱效率。曾有幾個(gè)主機(jī)廠成功地將這種燃燒方式引入了汽油機(jī)，并制造了原型測試機(jī)，但還沒有人像馬自達(dá)一樣進(jìn)入了量產(chǎn)階段。唯一一個(gè)擦邊球還是日產(chǎn)集團(tuán)的VC-Turbo（VariableCompression Ratio）渦輪增壓發(fā)動機(jī)，這一量產(chǎn)機(jī)型并沒有直接采用壓燃技術(shù)，但可變壓縮比設(shè)計(jì)的確是邁向壓燃汽油機(jī)的一大步。

馬自達(dá)最終找到了自己的技術(shù)路線，且沒有如日產(chǎn)般復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)。想要讀懂Skyactiv-X的工作方式，我們首先要明確一個(gè)關(guān)于汽油機(jī)壓燃方式的概念——均質(zhì)燃燒（HCCI-Homogenous Charge Compression Ignition）。它與當(dāng)下汽油機(jī)采用的點(diǎn)燃式燃燒過程最大的差別為發(fā)火方式。以四沖程機(jī)型為例，HCCI發(fā)動機(jī)在壓縮沖程終了時(shí)不再通過火花塞引燃缸內(nèi)燃燒室的做功工質(zhì)，而是通過壓縮沖程產(chǎn)生的壓力和溫度使工質(zhì)自行點(diǎn)燃，因此HCCI發(fā)動機(jī)需要比普通機(jī)型更高的壓縮比。微觀來看，HCCI發(fā)動機(jī)的做功工質(zhì)在達(dá)到點(diǎn)燃臨界條件時(shí)發(fā)生了一個(gè)“整體性”的燃燒過程，即所有的工質(zhì)幾乎在同一時(shí)間發(fā)火燃燒；而普通發(fā)動機(jī)則需要火花塞在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)刻通電打火，通過一部分工質(zhì)燃燒傳播燃燒點(diǎn)燃剩余部分。這樣一來，均質(zhì)燃燒過程的燃燒更加充分，進(jìn)而發(fā)出更大的功率；而正因?yàn)槿紵撬矐B(tài)過程，更大的功率意味著HCCI發(fā)動機(jī)可以使用更高的空燃比，工質(zhì)中的燃料組分更少，因此更加節(jié)能。

但是，HCCI發(fā)動機(jī)對控制系統(tǒng)的要求極高，而且在低轉(zhuǎn)速、低負(fù)荷時(shí)的燃燒狀況非常不理想。為此馬自達(dá)提出將點(diǎn)燃式燃燒方式引入Skyactiv-X機(jī)型中，使HCCI發(fā)動機(jī)可以按照不同工況下選擇不同的燃燒方式，雖然這樣一來Skyactiv-X發(fā)動機(jī)會變得頗為復(fù)雜，至少，它需要實(shí)現(xiàn)不同模式之間的平穩(wěn)切換。

馬自達(dá)將帶有火花塞的均質(zhì)燃燒方式稱為“SPCCI”（Spark Controlled Compression Ignition，火花塞控制式均質(zhì)燃燒），即在必要時(shí)它可以完全實(shí)現(xiàn)點(diǎn)燃式燃燒過程，意味著它不再每時(shí)每刻都需要HCCI發(fā)動機(jī)的高壓縮比，進(jìn)而避免了如同日產(chǎn)VCTurbo發(fā)動機(jī)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，降低了成本。

那么SPCCI的工作原理是什么？在穩(wěn)定工況下，Skyactiv-X發(fā)動機(jī)的壓縮比為16：1，高于一般缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)大約11：1的比值，但是這一設(shè)定并不能實(shí)現(xiàn)汽油工質(zhì)的壓燃式燃燒。另外，為了實(shí)現(xiàn)更高效的進(jìn)氣過程，進(jìn)氣沖程中由皮帶帶動的機(jī)械式進(jìn)氣壓縮機(jī)將大量空氣以高速壓入氣缸中，與此同時(shí)缸內(nèi)的噴油嘴開啟噴油，由活塞頂形成的燃燒室形狀使缸內(nèi)氣體產(chǎn)生繞流，以實(shí)現(xiàn)燃油和空氣的充分混合，形成均質(zhì)工質(zhì)。

隨后在壓縮沖程活塞接近上止點(diǎn)時(shí)噴油嘴再次開啟，圍繞火花塞的周圍形成較濃的工質(zhì)。緊接著火花塞在做功沖程點(diǎn)火，首先被點(diǎn)燃的便是這部分較濃工質(zhì)，形成馬自達(dá)所說的“沖擊活塞”，實(shí)質(zhì)是能夠快速傳播的火焰前鋒面，同時(shí)提升了均質(zhì)工質(zhì)的壓力，起到了類似活塞的作用。在高壓力作用下，均質(zhì)工質(zhì)發(fā)生壓燃式燃燒。

聽起來不難吧？但很難對壓燃式燃燒過程進(jìn)行控制，還要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的燃燒過程，避免爆震或者敲缸（即部分極稀工質(zhì)在整體壓燃之前就進(jìn)行燃燒），因此對控制系統(tǒng)提出了極高的要求。理想的狀態(tài)是均質(zhì)燃燒過程恰好于做功沖程開始，因此需要缸內(nèi)直噴系統(tǒng)有著非常準(zhǔn)確的噴射點(diǎn)。

為了控制燃燒過程，馬自達(dá)在每一缸中都裝配了壓力傳感器，根據(jù)發(fā)動機(jī)的負(fù)載和轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)對控制點(diǎn)火和噴油時(shí)間進(jìn)行閉環(huán)控制。在某些工況，比如高負(fù)載或者高轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)動機(jī)將自動切換為傳統(tǒng)的點(diǎn)燃式燃燒方式，此時(shí)，噴油嘴將兩次噴油過程壓縮成為一次。正相反的另一種工況，低負(fù)載或者低轉(zhuǎn)速時(shí)，Skyactiv-X發(fā)動機(jī)就采用之前所述的均質(zhì)燃燒過程，以避免不正常燃燒的出現(xiàn)。

Skyactiv-X發(fā)動機(jī)的循環(huán)方式叫做“米勒循環(huán)”，本質(zhì)上是目前 “阿特金森”循環(huán)的機(jī)械增壓版本。阿特金森循環(huán)的實(shí)質(zhì)是在壓縮沖程開始后才關(guān)閉進(jìn)氣門，通過進(jìn)氣門晚關(guān)減少當(dāng)次燃燒過程的工質(zhì)量，降低壓縮比。這同樣意味著做功沖程中活塞的行程要大于壓縮沖程，實(shí)現(xiàn)了工質(zhì)做功的最大化，取得了更高的經(jīng)濟(jì)性。但不同于阿特金森循環(huán)，米勒循環(huán)強(qiáng)制進(jìn)氣的方式提高進(jìn)氣壓力，減少了低壓縮比帶來的做功損失。

再次回到燃燒過程中。均質(zhì)燃燒方式其實(shí)有一個(gè)巨大的缺陷，就是燃燒時(shí)壓力和溫度過高，外加過剩的氧氣，產(chǎn)生了大量的氮化物NOx。氮氧化物對于環(huán)境有害，因此排放標(biāo)準(zhǔn)中對于這一尾氣的成分有著非常嚴(yán)格的限制，為此HCCI發(fā)動機(jī)需要加裝類似柴油機(jī)的氮氧化物選擇還原裝置。但由于Skyactiv-X發(fā)動機(jī)采用的是SPCCI燃燒方式，大大降低了尾氣中這種成分的含量，便也意味著不再需要這種復(fù)雜的尾氣處理裝置。