拯救汽油機計劃

我想馬自達一定會對自己每一分開銷都精敲細打：一年160萬的產(chǎn)銷量在這個巨無霸橫行的世界上顯得實在微小，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，馬自達又擁有出色的獨立性，一個確實存在但容易忽略的優(yōu)勢。

正因為如此，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，雖然這種機型被認為缺乏開發(fā)潛力、無法落實環(huán)保指標，也從沒有成為主流，但毫無疑問馬自達是一個執(zhí)著于為問題制造解決方案的公司。再比如，正當所有主機廠都高舉“小型化-增壓化”的技術(shù)旗幟時，馬自達提出了“正確化”的概念。在馬自達工程師的眼里，基于技術(shù)進行更新、發(fā)揮設(shè)計潛質(zhì)比一股腦地告別從前更加重要。

Skyactiv-X系列發(fā)動機便是馬自達對于“技術(shù)更新”、“設(shè)計潛質(zhì)”的進階表達。它將那個很多主機廠曾經(jīng)嘗試但悉數(shù)失敗的汽油機技術(shù)帶進了現(xiàn)實——汽油機壓燃燃燒方式。其實這個概念最早并非由馬自達提出，我們熟知的柴油機就是采用了這種燃燒方式，實現(xiàn)了比汽油機更高的熱效率。曾有幾個主機廠成功地將這種燃燒方式引入了汽油機，并制造了原型測試機，但還沒有人像馬自達一樣進入了量產(chǎn)階段。唯一一個擦邊球還是日產(chǎn)集團的VC-Turbo（VariableCompression Ratio）渦輪增壓發(fā)動機，這一量產(chǎn)機型并沒有直接采用壓燃技術(shù)，但可變壓縮比設(shè)計的確是邁向壓燃汽油機的一大步。

馬自達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關(guān)于汽油機壓燃方式的概念——均質(zhì)燃燒（HCCI-Homogenous Charge Compression Ignition）。它與當下汽油機采用的點燃式燃燒過程最大的差別為發(fā)火方式。以四沖程機型為例，HCCI發(fā)動機在壓縮沖程終了時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)自行點燃，因此HCCI發(fā)動機需要比普通機型更高的壓縮比。微觀來看，HCCI發(fā)動機的做功工質(zhì)在達到點燃臨界條件時發(fā)生了一個“整體性”的燃燒過程，即所有的工質(zhì)幾乎在同一時間發(fā)火燃燒；而普通發(fā)動機則需要火花塞在恰當?shù)臅r刻通電打火，通過一部分工質(zhì)燃燒傳播燃燒點燃剩余部分。這樣一來，均質(zhì)燃燒過程的燃燒更加充分，進而發(fā)出更大的功率；而正因為燃燒是瞬態(tài)過程，更大的功率意味著HCCI發(fā)動機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)動機對控制系統(tǒng)的要求極高，而且在低轉(zhuǎn)速、低負荷時的燃燒狀況非常不理想。為此馬自達提出將點燃式燃燒方式引入Skyactiv-X機型中，使HCCI發(fā)動機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)動機會變得頗為復(fù)雜，至少，它需要實現(xiàn)不同模式之間的平穩(wěn)切換。

馬自達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），即在必要時它可以完全實現(xiàn)點燃式燃燒過程，意味著它不再每時每刻都需要HCCI發(fā)動機的高壓縮比，進而避免了如同日產(chǎn)VCTurbo發(fā)動機的復(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)動機的壓縮比為16：1，高于一般缸內(nèi)直噴發(fā)動機大約11：1的比值，但是這一設(shè)定并不能實現(xiàn)汽油工質(zhì)的壓燃式燃燒。另外，為了實現(xiàn)更高效的進氣過程，進氣沖程中由皮帶帶動的機械式進氣壓縮機將大量空氣以高速壓入氣缸中，與此同時缸內(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時噴油嘴再次開啟，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火，首先被點燃的便是這部分較濃工質(zhì)，形成馬自達所說的“沖擊活塞”，實質(zhì)是能夠快速傳播的火焰前鋒面，同時提升了均質(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行控制，還要實現(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)有著非常準確的噴射點。

為了控制燃燒過程，馬自達在每一缸中都裝配了壓力傳感器，根據(jù)發(fā)動機的負載和轉(zhuǎn)速實時對控制點火和噴油時間進行閉環(huán)控制。在某些工況，比如高負載或者高轉(zhuǎn)速時，發(fā)動機將自動切換為傳統(tǒng)的點燃式燃燒方式，此時，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，低負載或者低轉(zhuǎn)速時，Skyactiv-X發(fā)動機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)的機械增壓版本。阿特金森循環(huán)的實質(zhì)是在壓縮沖程開始后才關(guān)閉進氣門，通過進氣門晚關(guān)減少當次燃燒過程的工質(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，實現(xiàn)了工質(zhì)做功的最大化，取得了更高的經(jīng)濟性。但不同于阿特金森循環(huán)，米勒循環(huán)強制進氣的方式提高進氣壓力，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)燃燒方式其實有一個巨大的缺陷，就是燃燒時壓力和溫度過高，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，因此排放標準中對于這一尾氣的成分有著非常嚴格的限制，為此HCCI發(fā)動機需要加裝類似柴油機的氮氧化物選擇還原裝置。但由于Skyactiv-X發(fā)動機采用的是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。

HCCI發(fā)動機另外一個缺陷便是噪音和震動。高壓縮比下的壓燃式燃燒非常劇烈，因此柴油機才會發(fā)出比汽油機更惱人的嗒嗒聲。但這在Skyactiv-X發(fā)動機上不是什么問題，16：1的壓縮比比一般的柴油機要低，引起噪聲的燃燒過程也更加溫和。事實上，這一壓縮比只比現(xiàn)有的馬自達發(fā)動機高一點，在一番隔音材料和緩震隔層的作用下，大有可能無法察覺Skyactiv-X發(fā)動機有什么不同。

Skyactiv-X發(fā)動機采用了氣門正時調(diào)節(jié)機構(gòu)，以實現(xiàn)均質(zhì)燃燒和普通點燃燃燒的切換；但沒有采用氣門升程調(diào)節(jié)機構(gòu)，這一功能由進氣壓氣機和高精度噴射裝置進行補償。最初開始馬自達曾嘗試過用現(xiàn)有的ECU控制單元控制Skyactiv-X發(fā)動機，但發(fā)現(xiàn)如此多的控制變量讓ECU完全過載。另外一個嘗試則是時下時髦的48伏起動機系統(tǒng)，但隨后被證明并無實質(zhì)性的貢獻。

那么Skyactiv-X發(fā)動機的特性到底如何？首先，避免了小排量增壓化，Skyactiv-X發(fā)動機與手動變速器的搭配更加順暢，看來短時間內(nèi)馬自達還不會放棄它出色的手動變速器；其次，Skyactiv-X發(fā)動機的高轉(zhuǎn)速經(jīng)濟性非常出色，比如它在5000轉(zhuǎn)/分鐘的燃油消耗量與3000轉(zhuǎn)/分鐘時幾乎沒有什么不同，因此它可以采用更大的減速齒比，意味著同一變速器速比下扭矩更大，加速感受更加強烈。

第三，Skyactiv-X發(fā)動機的扭矩只比目前的2升機提高了20%到30%，注意，這一數(shù)值并非來自實驗室或者測試臺架，而是實機裝車的測量結(jié)果。至于油耗，馬自達稱Skyactiv-X發(fā)動機的油耗好過Skyactiv-D柴油發(fā)動機。

Skyactiv-X發(fā)動機預(yù)計將隨新一代馬自達3在2019年正式亮相。新一代馬自達3采用了最新的“魂動”設(shè)計語言，具體外形元素可以參考2017年東京車展發(fā)布的Kai Concept“魁”概念車。馬自達也承認Skyactiv-X概念不只是全新一代機型，更是全新的車型架構(gòu)。比如剛度更高的車身、全新設(shè)計的懸架系統(tǒng)、新輪胎配方、改進后的NVH特性還有更舒服的座椅，這一切都為了讓新一代車型在不丟掉馬自達所強調(diào)的“運動感”的同時提高車輛的舒適性。

從實際體驗來看，Skyactiv-X概念確實達到了它的效果。在短暫的打火聲響之后， SPCCI發(fā)動機很快回歸了平靜的怠速。仔細體會，由于怠速時發(fā)動機由火花塞點燃，怠速的震動和聲響確實有針對性的處理方案，至少目前還是有一些柴油機的感受，另外新增的機械式進氣壓氣機也需要隔音處理。不過馬自達表示新一代機型最終將會被各種隔音材料包裹，靜音性甚至?xí)眠^目前的Skyactiv-G汽油機。

Skyactiv-X動力系統(tǒng)開起來非常自然，與現(xiàn)款車型相比，前者的離合器踏板相對更輕，換擋過程也更加順滑，相似點是非常線性的操控感。低負載時深踩油門，Skyactiv-X發(fā)動機的響應(yīng)比目前自然進氣發(fā)動機稍有延遲，但差異真的不太明顯。發(fā)動機的動力對于油門踏板的收放有著積極的反應(yīng)，即便高轉(zhuǎn)速時也沒有太多的拉拽感，高扭矩平臺意味著Skyactiv-X發(fā)動機在某種程度上與渦輪增壓柴油發(fā)動機非常相似，但沒有渦輪機的遲滯效應(yīng)。

為了顯示發(fā)動機的運轉(zhuǎn)模式，馬自達的工程師在新一代馬自達3測試車的中控臺上加裝了顯示發(fā)動機工況的顯示器。如果對之前的介紹還有印象，便不難理解Skyactiv-X發(fā)動機主要在SPCCI燃燒方式中運轉(zhuǎn)，在低轉(zhuǎn)速、低負載時則切換為火花塞點火燃燒，其實如果沒有這個顯示器，我很難分辨發(fā)動機到底處于什么燃燒方式。相比量產(chǎn)發(fā)動機，用于試駕的早期實驗機型產(chǎn)生的震動和噪音更大，而且音色也很難稱得上好聽。不過現(xiàn)如今聲音工程神乎其神，做出一些“運動”排氣聲響似乎只是分分鐘的事情，為此我毫不擔心。

由于整個白車身的剛性得到了提高，因此新一代馬自達3顯得更加精致，車內(nèi)的噪聲水平更低，之前在一些路面上產(chǎn)生的車廂共振已經(jīng)消失不見。搭配Skyactiv-X概念中座椅的新設(shè)計，整個乘坐感受提升了一個檔次，產(chǎn)生了坐在MX5甚至是RX8后續(xù)車型的感覺。

在整個行業(yè)為小排量、渦輪增壓、電動化而轉(zhuǎn)身的時候，這家來自廣島的小眾汽車品牌挺身而出，為人類工程的百年沉淀——內(nèi)燃機站臺。也許有朝一日，帶著發(fā)動機汽車已經(jīng)不是主流，但我們依然要佩服馬自達的勇氣，要感謝它做出的付出。