不瘋魔，不成佛

當年三言兩語間催生的“馬自達塞車”梗，成了日后粉絲們樂此不疲的經典自嘲，也刻下了這家日系品牌揮之不去的形象烙印。說它小眾吧，也不至于稀罕到大街上看不見;說它大牌吧，又確實長期偏離主流——國人說起馬自達，腦海中印象大抵如此。

2010年，全世界都在搞小排量、搞渦輪增壓，只有馬自達硬要把自然進氣發(fā)動機的潛力挖到底;步入2020年，當全世界都在搞電動化、搞混合動力，馬自達卻在悶頭做一種拗口難懂的“稀薄壓燃”發(fā)動機。還頂著一個又土又怪的名字”創(chuàng)馳藍天”——誰不知道電動才是環(huán)保、用電才能藍天？今天你搞出來一個汽油車再怎么省油，就不怕大家連看5分鐘科普的興趣都沒有嗎？

2010年——正是小排量渦輪時代風雨欲來之際，馬自達提出了Skyactiv創(chuàng)馳藍天計劃，核心便是發(fā)展高效率的自然吸氣發(fā)動機Skyactiv-G。現(xiàn)成的加渦輪、減排量之路，馬自達不走，偏要去試著打破自然吸氣的現(xiàn)有技術天花板。

Skyactiv-G的首要指標是熱效率。對，就是內燃機經常被拿來恥笑的那個“20%-30%”。小排量渦輪風潮正是為了應付環(huán)保法規(guī)，那么馬自達非要用自然進氣發(fā)動機來干小排量渦輪的事兒，首先便是要把能耗和排放降下來。

馬自達在2012年交出的答卷——Skyactiv-G發(fā)動機，擁有37%的最大熱效率和60kW/L升功率（美國EPA數(shù)據(jù)，Skyactiv-G 2.OL，2014）。沒有如今風靡的48V電機，沒有任何混合動力，也沒有以駕駛性和動力為犧牲，單純依靠優(yōu)化汽油燃燒過程，實現(xiàn)了37%的最大熱效率。作為當代最早的一批高效發(fā)動機，Skyactiv-G的很多指標要到幾年后才被豐田等大廠超越。

現(xiàn)在你能買到熱效率最高的汽油發(fā)動機，是豐田TNGA架構的Dynamic Force系列發(fā)動機的40%，加上豐田油電混動系統(tǒng)的話可以到41%，同時升功率也達到了60kW/L（即效率不以動力為代價）。雖然熱效率已經比馬自達Skyactiv-G還高，但馬自達畢竟早了五年，算得上早了一整代。

以如今的眼光來看-Skyactiv-G雖然仍屬先進，很多技術其實已經不算新鮮。提高燃燒效率最直接的手段，是提高發(fā)動機的壓縮比。粗略理解，壓縮比就是發(fā)動機活塞運動到上止點時的最小容積，與運動到下至點時的最大容積之比。通常，汽油發(fā)動機的壓縮比在10口1左右，超過11口1的已屬罕見。注重動力性能的發(fā)動機，會使用偏小的壓縮比;強調低能耗和高效率的發(fā)動機，壓縮比會偏大。

提高壓縮比的困難-是要面對爆震風險。爆震，是指在發(fā)動機活塞上行壓縮的過程中，氣缸內燃油在高溫高壓下被提前引燃。燃油不依照活塞運動規(guī)律的突發(fā)意外爆燃，會嚴重損傷發(fā)動機內部結構直至報廢，這是一種十分危險的現(xiàn)象。

抑制爆震的手段之一，是減少氣缸內殘余的上次燃燒廢氣。為了抑制爆震、提高壓縮比，Skyactiv-G使用了獨特的4-2-1排氣歧管。即四個氣缸的四個排氣歧管先匯成兩個，再合二為一。排氣路徑更長，點火相鄰氣缸間相隔更遠，相鄰點火氣缸的排氣脈沖不會互相干擾，就可以讓排氣門開啟時間更久，盡可能地排光廢氣、減少殘余。

特殊的排氣歧管，加上其他一些措施，使得Skyactiv-G得以擁有驚人的14口1壓縮比（國內因油品問題減至13.1口1）。這一度是壓縮比最大的量產汽油機，直到被馬自達下一代發(fā)動機Skyactiv-X打破。五年之后40%熱效率的豐田Dynamic Force發(fā)動機，壓縮比也“不過”13口1。

同樣是要滿足越來越嚴的環(huán)保法規(guī)要求，小排量渦輪是讓發(fā)動機的高效區(qū)間，向著日常使用工況靠近一些。而馬自達則是選擇”硬剛”：我就是要把熱效率這個硬指標做上去。憑借第一代Skyactiv系列發(fā)動機，馬自達在不斷收緊且更利于小排量渦輪機的排放法規(guī)中，用別人眼中挖掘殆盡、毫無希望的自然吸氣發(fā)動機，不僅生存下來還站穩(wěn)了一席之地——盡管這片地有越站越小的趨勢。好在，高壓縮比自吸的Skyactiv-G才只是一個開始。

“你坐馬自達，怪不得你塞車?！?997年，梁家輝在電影《黑金》里對著遲到了11分鐘的與會黑老板輕蔑一笑。在無憂無慮的淳樸汽油時代，汽車品牌之間等級分明，座次清晰。“我們坐的都是奔馳，都是勞斯萊斯”，而“你坐馬自達，你根本就沒有資格來開這個會。”誰也不會想到，二十年過后，當奔馳和勞斯萊斯們都已經對電動車亦步亦趨，內燃機汽車最后的堅守者，竟然是那家廉價親民、又天生反骨的日本偏門小公司。

沒有哪家停滯不前的公司能生存下來，尤其對于那些劍走偏鋒的獨行者.2012年第一代Skyactiv-G投產后，這些年來馬自達都在做什么呢？當然是忙著研發(fā)第二代Skyactiv——Skyactiv-X，這才是本文的高光主角。如果按照計劃，剛剛在海外投產不久的Skyactiv-X發(fā)動機，應該在2020年內在國內上市。

第一代Skyactiv，其實分為汽油機Skyactiv-G和柴油機Skyactiv-D，而第二代Skyactiv則放棄柴油機而專注于汽油機。之所以有這樣的選擇是因為Skyactiv-X的核心，可以歸結為“用柴油機的方式，燒汽油”。后綴“×”仿佛代表了汽柴油技術的交匯。

我們知道，由于汽油柴油各自特性不同，汽油機使用火花塞點火，即點燃式;柴油機無須點火壓縮即燃，也就是壓燃式。百年來，汽油點燃、柴油壓燃，仿佛—加一等于二般的真理。

老司機都知道柴油車省油是因為柴油機的壓燃式點火在熱效率方面更具優(yōu)勢。原理其實很好理解：火花塞點火，火焰要從中心的火花塞向四周擴散，逐步引燃整個氣缸內的所有燃油混合氣，燃燒傳播的過程是需要一段時間的。

但在燃燒做功的過程中，發(fā)動機不會停下來等你燒，活塞始終在飛速上下運動。當燃燒還沒有完全結束，活塞卻已開始向下運動，意味著后面有一部分燃燒的能量，并沒有真正作用于活塞下行，也就相當于這部分能量被浪費了。就好像我們蹬自行車時腳不慎踩空，你的腿明明做了功，卻并沒有真正用于自行車前進-，相當于這部分勁是白費的。

反觀柴油機使用的壓燃式點火。燃油混合氣在氣缸內是均勻分布的，所以當活塞上行達到壓燃所需條件時，燃燒會在整個氣缸內多點、同時發(fā)生。燃燒能量在一瞬間釋放，做功時間更短、峰值更高。并且氣缸內各處燃料的，燃燒情況更為均勻一致。燃料能量中會有更大部分（相比點燃式）被用于推動活塞做功，熱效率自然會更高。

馬自達Skyactiv-x，世界上第一臺也是唯一的壓燃式汽油機。把汽油機做成了“柴油機，馬自達是如何實現(xiàn)這一魔幻現(xiàn)實的？Skyactiv-X的核心技術，叫作SPCCI火花塞控制壓燃點火（Spark Controlled CompressionIgnition）。如果你懶得往下細看，簡單粗暴劃個重點：1.汽油其實可以壓燃，但條件極為苛刻，壓燃不穩(wěn)定難應用;2.Skyactiv-X既能壓燃也能點燃，能“壓”時則“壓”，不能“壓”時切換到“點”;但如果太多的時間是點燃式，壓燃就沒什么意義了;3.為了盡量擴大壓燃的可用范圍，需要精確控制氣缸內壓力;4.使用火花塞進行有限的點火，雖然用了火花塞，但目的不是點燃，而是精確控制壓力來保證穩(wěn)定壓燃。以上，即所謂火花塞控制壓燃點火SPCCI。

在內燃機前沿研究領域，有一種理想中的燃燒狀態(tài)，叫作稀薄燃燒。怎么算稀??？按照空氣中氧含量和燃燒化學式，人們計算出充分燃燒所需的空氣/燃油混合比例（空燃比），應該是14.7口1。所以理論上講，只有當空燃比大于等于14.7時，燃油才可能被完全燒盡，其中的化學能才有可能被全部釋放。當空燃比大于等于14.7，就可以認為是稀薄混合氣，所以說稀薄燃燒是—種理想燃燒。

然而汽油車發(fā)展百年，幾乎從未實現(xiàn)理想空燃比。你在路上見過那么多車在跑，沒有一輛能達到14.7的空氣燃料配比，沒有一輛能提供充足的空氣讓汽油充分燃燒。

這當然是有原因的?，F(xiàn)在的汽油發(fā)動機，空燃比都是燃油過剩一些。因為這樣雖然會導致燃燒不充分，浪費燃料并增加排放，但多余的燃油會起到降溫作用，幫助提升動力性能。另—方面，當空燃比真的接近14.7時，稀薄混合氣帶來的富氧環(huán)境，會導致氮化物（NOx）等污染物大幅增加：燃油經濟性是上去了，但排放污染就很難看。理想燃燒，不是不想，實屬不能。

馬自達要繼續(xù)提升發(fā)動機的熱效率，但Skyactiv-G那種提高壓縮比的法子，已經不能再多指望。原因是根據(jù)內燃機奧拓循環(huán)的理論熱效率公式，隨著壓縮比增加，熱效率的提升空間會越來越小，即邊際效用遞減。Skyactiv-G已經做到了壓縮比14口1，單靠繼續(xù)提高壓縮比，對于熱效率的提升幅度有限。

理論公式給出了另一個出路，叫作比熱比，即“定壓比熱容”比上“定容比熱容”。雖然聽著玄了吧唧讓人頭大，但稍微花點時間琢磨歸納—下就容易明白，姑且可以這么理解：如果氣缸內的燃油混合氣，能將更多的熱量用于使其膨脹，而不是用于使其升溫，內燃機的熱效率就會提高。

讓混合氣變得更加稀薄，可以提高比熱比。因為當空氣過量，有更多氣體不參與燃燒但會吸熱，燃燒溫度就會下降;再加上燃料能充分燃燒，能量更徹底地用在了膨脹做功。所以燃油混合氣越稀薄，理論熱效率會越高。

理論到位了，下面剩下實踐。前面說到的氮化污染物是第一大難題。然而馬自達在實驗室中，在嘗試了多種空燃混合比例后發(fā)現(xiàn)：當空燃比等于和稍大于14.7時，確實會如人們常識中那樣，導致排放氮化物激增;但進一步增加混合氣的稀薄程度，當空燃比達到29.4時（兩倍于14.7），氮化物排放又會降低至可接受程度。也就是說，人們以往的認識是，稀薄混合氣會導致NOx排放爆發(fā)，然而馬自達發(fā)現(xiàn)——那是因為你家的稀薄混合氣，還是不夠稀。

驚喜還沒結束。馬自達在實驗室中還發(fā)現(xiàn)，當稀薄程度進一步增加，空燃比增加到驚人的36.8口1時，在足夠壓力下，燃料混合氣還沒有等到火花塞點火，就自發(fā)被引燃了一一也就是說，汽油壓燃，其實完全可以實現(xiàn)。稀薄+壓燃，就此成為馬自達的鉆研方向。同時，這也是業(yè)界公認的，未來終極內燃機的重要發(fā)展方向之一。

然而接下來幾年，馬自達—直都在被”實現(xiàn)穩(wěn)定壓燃”這一難題按在地上反復摩擦。當然了，它是自愿的。汽油壓燃，確實是可行的一一在實驗室里。雖然和柴油壓燃相似，但汽油終歸是汽油，化學性質比柴油更活躍，要實現(xiàn)穩(wěn)定可用的壓燃，困難得多。

首先，壓燃對發(fā)動機的運轉工況有著極為苛刻的要求。只當發(fā)動機負荷、轉速同時滿足一小片特定范圍時，才能維持穩(wěn)定的壓燃點火。其次，壓燃對于溫度與壓強十分敏感，在不同的溫度不同的海拔，壓燃能不能成，簡直像看緣分。再有，燃燒室內部的環(huán)境也影響著壓燃的成敗：溫度過高，壓燃發(fā)生太早振動嚴重;溫度過低，壓燃太晚降低效率……

要實現(xiàn)穩(wěn)定、可用的汽油壓燃，簡直像在伺候爹。也就不難理解，哪怕汽油壓燃能在實驗室中實現(xiàn)超高的熱效率，卻從未曾被任何一家廠商應用于現(xiàn)實。但眼下馬自達已經騎上了老虎，想下去肯定是來不及，就算下去了也沒有其他出路，只有硬著頭皮剛正面。最后工程師們想出的解決方法是：用“背叛”柴油壓燃的方式，來實現(xiàn)汽油壓燃。

既然壓燃不可能覆蓋發(fā)動機的全部工況，那么壓燃發(fā)動機終歸不會完全舍棄火花塞，在部分無法實現(xiàn)壓燃的時候，還是得以點燃式保持運轉。而壓燃不穩(wěn)定的原因，無非是溫度和壓力。溫度難以做到精確實時控制，但壓力是可以的，比如——用火花塞點個火？

在氣缸內壓力不滿足壓燃條件時，火花塞提前實施小范圍的有限點火，使缸內壓力瞬間增加，之后氣缸內尚未燃燒的大部分混合氣就可以壓燃點火。只要能精確控制火花塞的點火，就可以精確控制氣缸內壓力，也就能夠實現(xiàn)更大范圍的穩(wěn)定壓燃。是壓燃嗎？是。火花塞呢？也用。這就是Skyactiv-X的核心科技，所謂火花塞控制壓燃點火SPCCI。

基本原理聽起來不復雜，但真要做到精確控制，就成了”聽著簡單做起來難”。由于Skyactiv-X同時具備點燃、壓燃模式，其中壓燃模式（SPCCI）還要判斷火花塞的介入時機和介入程度，最后Skyactiv-X光是大體的燃燒策略就多達三層。