壓燃“黑科技”

王一鳴

在全世界范圍內(nèi)，排放法規(guī)愈發(fā)嚴(yán)格，所以大部分廠家為了降低整個產(chǎn)品序列的平均油耗紛紛推出了小排量的渦輪增壓發(fā)動機，2.5L、3.0L以上的大排量自然發(fā)動機目前在市面上屈指可數(shù)。不過一向素有‘技術(shù)宅之稱的馬自達(dá)絕對是這其中的叛逆者，堅持在自然吸氣的路上尋求突破。國內(nèi)消費者在昂科賽拉、阿特茲等車型上已經(jīng)領(lǐng)略到馬自達(dá)第一代創(chuàng)馳藍(lán)天技術(shù)（SkyActive-G）序列下出色的動力和操控性能，而如今它已經(jīng)進(jìn)化到了第二代——SkyActive-X。這套動力系統(tǒng)在海外版的馬自達(dá)3和CX-30上率先搭載，很快也將引入國內(nèi)市場，我們今天就來介紹下馬自達(dá)這套動力總成的黑科技。

說到SkyActive-X發(fā)動機，它的最大特色是采用了一種名為“SPCCI”（Spark Controlled Compssion Ignition火花點火控制壓燃點火）的發(fā)動機點火技術(shù)。單從結(jié)構(gòu)上看，SPCCI和采用傳統(tǒng)火花塞點燃技術(shù)（SI）的發(fā)動機并沒有結(jié)構(gòu)性的區(qū)別，但是借助更高的壓縮比和精準(zhǔn)的點火控制，可以實現(xiàn)均質(zhì)壓燃（HCCI）和火花塞點燃（SI）之間的無縫切換。傳統(tǒng)汽油機通過火花塞點火，并向整個燃燒室逐步傳遞;而傳統(tǒng)柴油機則通過活塞壓縮混合氣體并突破燃點，同時快速著火。馬自達(dá)SkyActive-X發(fā)動機結(jié)合了汽油機和柴油機的優(yōu)點，大部分中高轉(zhuǎn)速情況下，汽油空氣和廢氣的混合氣在燃燒室內(nèi)均勻燃燒，物質(zhì)和熱量均勻分布，混合更為充分，燃燒更為徹底，不依靠火焰?zhèn)鞑ト紵俣雀友杆伲依碚撋喜粫l(fā)生擴散。在發(fā)動機低轉(zhuǎn)速和低負(fù)載情況下，SPCCI可以分別利用CI（壓燃）和SI（點燃）的方式驅(qū)動，在復(fù)雜多變的環(huán)境下精確控制每個燃燒循環(huán)中混合氣體的溫度和濃度，這兩種方式可以取長補短，以達(dá)到更快的點火時間和更均勻的燃燒。

在自然狀態(tài)下，燃燒1kg汽油需要消耗14.7kg空氣，也就是14.7：1的理論值，而馬自達(dá)SkyActive-X發(fā)動機搭載了一個“高響應(yīng)空氣供給”模塊，在發(fā)動機高負(fù)載工況下能夠吸入更多的空氣和廢氣進(jìn)入氣缸，提高缸壓達(dá)成壓燃，所以最大空燃比竟然達(dá)到了36.8：1，能夠?qū)崿F(xiàn)高出理論空燃比2倍以上的超級稀薄燃燒，而且因為空氣和廢氣降低了燃燒溫度，熱傳導(dǎo)損失減少，所以極大地降低了尾氣中的主要污染物——氮氧化物的含量，甚至比普通汽油發(fā)動機經(jīng)過三元催化器凈化過后的含量還要低。但是引燃如此稀薄程度的混合氣難度不小，在常規(guī)設(shè)計的發(fā)動機中會引起失火、爆震甚至頂缸等嚴(yán)重情況。而馬自達(dá)SKYACTIVE-X發(fā)動機的活塞經(jīng)過特殊設(shè)計和強化，盡可能縮小了燃燒室面積，更小的燃燒室意味著更快的點燃速度。當(dāng)活塞行進(jìn)到上止點時，火花塞開始點火，混合氣被快速點燃后急劇膨脹，形成一個虛擬活塞，極大提高了壓縮比，剩余混合氣體受到的壓力陡增，最終帶動全部混合氣體被同時壓燃。所以，馬自達(dá)SkyActive-X發(fā)動機并不是沒有火花塞，而是起到了輔助點火的作用。

從上圖可以看出，火花點火控制壓燃工況（SPCCI）的比例超過了95%，尤其是在500～2500rpm這一常用轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，壓燃的占比均高于火花塞點燃（SI），這說明馬自達(dá)SkyActive-X發(fā)動機的燃油經(jīng)濟(jì)性和采用了壓燃技術(shù)密不可分，據(jù)了解，這套發(fā)動機的熱效率已經(jīng)達(dá)到了50%，要知道目前自然吸氣發(fā)動機中熱效率最高的是豐田TNGA架構(gòu)下的2.5L自吸發(fā)動機，通過匹配混動系統(tǒng)，也只能達(dá)到41%的熱效率。而且每提升1%都可以被稱作是技術(shù)的巨大進(jìn)步，所以說在這一領(lǐng)域，馬自達(dá)另辟蹊徑，取得了突破性的革命成果。

另外，當(dāng)遇到高負(fù)荷狀態(tài)時，由于壓燃點火無法滿足發(fā)動機運行工況時，ECU行車電腦會切換成傳統(tǒng)汽油發(fā)動機的火花塞點燃模式，此時混合氣體濃度變高能夠有效被點燃，以此保證全工況下的均衡性，動力損失也不明顯。通過國外對于第一代創(chuàng)馳藍(lán)天（SkyActive-G）和第二代創(chuàng)馳藍(lán)天（SkyActive-X）發(fā)動機的對比測試可以看出（如上圖），無論是綜合還是城市工況下，馬自達(dá)SkyActive-X發(fā)動機的燃油經(jīng)濟(jì)性相比第一代發(fā)動機都有顯著提升，分別提升了14.3%和15.4%。

另外，SkyActive-X發(fā)動機還搭載了最高增壓值達(dá)0.5Bar的機械增壓器，與傳統(tǒng)機械增壓器為了增強動力不同，SkyActive-X發(fā)動機的機械增壓器是為了在高轉(zhuǎn)速下提供更多進(jìn)氣，以確保足夠的空燃比和燃燒效率，而在低轉(zhuǎn)速下由離合器控制，使得機械增壓器可以及時斷開，不會從發(fā)動機分走動力，也確保了進(jìn)氣效率，提升了各個轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)的燃油經(jīng)濟(jì)性。

如右圖所示，借助火花點火控制壓燃（SPCCI）和機械增壓，馬自達(dá)SkyActive-X發(fā)動機除了燃油經(jīng)濟(jì)性和動力響應(yīng)得到提升以外，出力也更好，轉(zhuǎn)矩要比現(xiàn)有的SkyActive-G發(fā)動機增大10%～30%。而且燃燒效率提升20%～30%，甚至表現(xiàn)將超越現(xiàn)行SkyActive-D柴油發(fā)動機。

不過，由于火花點火控制壓燃技術(shù)對于點火系統(tǒng)、活塞和缸體的要求更高，而且對氣溫非常敏感，必須使用精確的閉環(huán)燃燒控制和壓力傳感器，另外機械增壓器的采用也對進(jìn)氣系統(tǒng)提出了更高要求，同時電腦ECU的規(guī)格也更為先進(jìn)，因此采用這套技術(shù)的總成本將會比現(xiàn)行汽油發(fā)動機要高出不少，不過在大規(guī)模投產(chǎn)并普及之后，馬自達(dá)SkyActive-X發(fā)動機的成本將會降低到一個相對可以接受的范圍之內(nèi)。

第二代創(chuàng)馳藍(lán)天SkyActive-X系列發(fā)動機也是全球首部實現(xiàn)商業(yè)化的均質(zhì)壓燃式汽油機，結(jié)合了超高空燃比、SPCCI技術(shù)和寬域壓燃控制、壓燃點燃無縫切換這一系列黑科技的發(fā)動機，在熱效率和油耗方面已經(jīng)處于汽油發(fā)動機的最高水平。