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突破汽缸極限！馬自達的終極發動機大揭秘

2021/12/25

利用火花塞放電電弧產生的壓力，對處於壓燃臨界點的油氣混合物完成壓燃的臨門一腳。這樣近乎異想天開的思路，除了馬自達這樣的技術狂人，還有多少人能想到？

by | 大明

堪比混動油耗的下一代創馳藍天終於被掀開了面紗的一角，困擾內燃機界多年的技術難題——量產將汽油在氣缸內壓燃的汽油機，在馬自達的努力之下終於獲得突破，讓我們先一睹其精妙。

且說我們上周剛刊登了外媒關於馬自達即將發布HCCI發動機的消息，這不才過了幾天，馬自達真的就在8月8號發布了其名為「Sustainable ZOOM-ZOOM 2030」的長期技術願景。願景里明確的指出了馬自達的HCCI發動機即將在2019年正式裝車銷售，而這一發動機也被命名為Skyactiv-X。而就在兩天之後的8月10日，馬自達正式召開新聞發布會，公布了一系列關於其「Sustainable ZOOM-ZOOM 2030」的詳細信息。而其中最為引入矚目的就是其下一代Skyactiv-X技術。下面就是馬自達發布會上的膠片摘錄，讓我們來看看其巧妙而又有開創性的技術方案。

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說到下一代創藍，早在2009年馬自達的技術路線圖裡面就提到了，下面這幅圖就是其在2009年發布的技術路線圖。大體就是針對汽油機提高壓縮比，提高發動機的比熱率，縮短燃燒時間，調整點火時間，降低散熱損失，提高進排氣壓力（採用米勒循環）和減少摩擦，等等一系列的措施最終提升發動機的熱效率。

而當前即將問世的就是下面圖裡面紅色方框的部分，也就是在馬自達終極內燃機之前的一步，Skyactiv-X。

那麼Skyactiv-X最大的特點就是如下圖所示，使用汽油，但是用柴油機的點火燃燒方式，也就是壓燃。

首先，我們對比一下普通的火花塞點燃和馬自達壓燃發動機的差異。

第一是SI（火花塞點燃）發動機需要裝備火花塞並由火花塞來點燃發動機，而CI（壓燃）發動機則是直接通過高壓來實現燃料點火。

第二點則是特別重要的地方，SI發動機的火焰是從火花塞點燃的地方開始，傳播到氣缸內其他地方，CI發動機則是在壓到高溫之後，氣缸內的溫度上升，達到汽油著火點，然後所有的汽油一起燃燒，這樣就大大加快了燃料燃燒的速度。

第三點則是很多傳統SI發動機都會維持14.7:1的理論空燃比，而CI發動機空燃比則達到了非常稀薄的程度，根據馬自達自己的描述，這種程度大約是理論空燃比的兩倍，這種空燃比是無法實現火花塞點火的。

了解了SI和CI的差異，我們就需要了解為什麼我們要使用CI。首要原因在上面一段的第二條已經說明了，提升熱效率的一個重要方式就是稀薄燃燒，但是過於稀薄的油氣混合物則無法通過火花塞點燃。而讓整個油氣混合物一起被壓縮到足夠的溫度，那麼就成了一個好辦法。

實際上這裡還需要指出一個事實，就是當前很多直噴發動機都實現了稀薄燃燒，但是這種直噴的方式是先噴出較少的汽油，霧化后得到稀薄的油氣混合物，然後再噴出一團的汽油，在第二團汽油來不及完全混合空氣之前火花塞就通過點燃第二次噴出汽油實現稀薄油氣混合物的點火。但是這個方式缺點之一就是顆粒物和氮氧化物排放過高，同時第二次噴出的汽油未得到充分混合，燃燒也是存在浪費的。

第二個促使我們要採用CI（壓燃）發動機的原因則是燃燒速度，SI（火花塞點燃）發動機在點燃之後火焰從火花塞處傳播到氣缸各個角落，這一過程是需要時間的，這個時間裡活塞正在向下移動，因此火焰爆發的力量就會部分的傳遞到氣缸壁上。但是CI發動機由於是所有的汽油一起被壓燃，因此燃燒速度快，燃燒產生的能量能在更短的時間內傳遞給活塞，這樣就相當於更高效率的利用了燃料燃燒產生的能力。看下面這個圖就可以很形象的想象出來，SI發動機的燃料燃燒時候活塞已經向下走了一段了，這時候不可避免熱烈會從氣缸壁上散發。而CI發動機則快的多。

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明白了CI發動機的好處之後，開發CI發動機遇到的困難就是緊接著的主題了。傳統的HCCI（勻質充能壓燃）發動機最大的問題就是CI的工作範圍非常狹窄，而且從CI切換到SI的過程非常不順暢。當發動機轉速過低的時候，常常會出現低溫導致失火，也就是點不燃。而轉速過高的時候則常常會因為點燃時間過短出現失火。在壓力較高的區域則容易出現爆震。

那麼馬自達就解決了這兩個問題。

具體解決的方法，看下面這個說明，它叫「可控壓燃」

如何實現可控壓燃呢？就是保留並利用火花塞，注意火花塞在這裡不是起點火作用的。

接下來到了最關鍵的細節部分。

我們知道火花塞產生火花的時候，是產生了一個高溫的電弧，這個電弧就像一個火球，它是有溫度和壓力的。而在CI發動機的活塞壓縮到頂點然後即將開始向下進入做功衝程的時候，火花塞開始工作了。

這個時候的火花塞發出的電弧，就像一個從上方向下的小型活塞一樣，如上圖所示，在真正的活塞還來不及開始向下走，同時氣缸內油氣混合物由於過於稀薄沒有被壓燃的時候，給整個氣缸內加了一把壓力，於是一下子突破了壓燃所需要的臨界點，把整個氣缸內的油氣混合物給點燃了，如下圖所示。於是馬自達把這種技術叫做SPCCI（火花塞控制的壓燃）。看到這裡，真的是要佩服馬自達工程師的奇思妙想。

我們還要注意且指出的是，這裡火花塞起的不是點燃的效果，而是增加氣缸內的壓力。這和SI的最大區別在於實現的燃燒是從火花塞處開始通過火焰傳播開，還是整個氣缸內一起開始燃燒。馬自達的技術方案顯然屬於後者。

說完了上面的壓燃方法，還有一個非常重要的技術，就是馬自達引入了一個額外的空氣供應裝置，提升氣缸的填充率和壓力。根據馬自達的發布會信息，猜測應該就是機械增壓器。如下面兩張圖所示。

提升缸內壓力的原因主要是提高高負載時候氣缸內的空氣量，這樣就擴大了CI的工作範圍。

如下圖所示，馬自達的CI發動機在壓燃的工作區間要遠遠大於傳統的HCCI發動機。而且在CI和SI之間的切換也做到了平穩過度。

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最後我們就來說說，馬自達的SPCCI「火花塞控制壓燃」發動機到底帶來了什麼好處。

總結下來就是如下三點，更強的性能，更低的油耗以及由此帶來的更加愉悅的駕駛體驗。

關於性能方面，首先是提升了動力響應水平，如下兩幅圖。馬自達說是使用了更小摩擦力的進氣閥門，其實還有個原因個人猜測就是上面提到的使用了機械增壓器。這兩者合起來提升了發動機在40KM/h速度時候再加速的響應時間。而對比對象則是某廠的小排量渦輪增加的車型。從40km/h開始加速3秒內搭載Skyactiv-X的車可以多走1.7米

而具體的發動機動力輸出見下圖，在95號汽油的時候，2000到3000轉的時候扭矩比之前的創藍發動機高了20%左右，而91號汽油則提升了30%。這裡要解釋一下圖裡的有趣的現象，就是壓燃發動機使用91號汽油最大扭矩來的早得多，而扭矩下降的更快。具體原因可能只有馬自達工程師才知道了。

第二個優勢就是燃油經濟性了。按照如下兩幅圖的展示，我們看到黃色的高效率區域被極大的擴大，而中間區域則出現了效率更高的深黃色區域。雖然我們不知道具體是多少。

下面這幅圖則是很早之前馬自達就公布過的，SKyactiv-X發動機比現在的Skyactiv-G汽油機省油了20%到30%。下面圖片則是展示2000轉的時候，在各個不同的BMEP值下Skyactiv-X發動機都大幅提升了燃效。

那麼最後我們來一個關於性能和油耗的總結。如下圖所示。

搭載2.0的skyactiv-X的馬自達3在碳排放上已經看齊了Mazda 2 1.5DE，也就是1.5升柴油版的馬自達2。而40公里/小時的再加速性能上則已經達到了MX-5 Miata 2.0的水平。

最後馬自達還引用了美國EPA（環保署）在SAE發表的發動機研究論文，論文指出即使是這一代的Skyactiv-G汽油機，也已經在2000轉，BMEP值從2到8的時候發動機熱效率領先其他所有的對手。其中包括福特1.0和1.6的Ecoboost發動機，PSA的1.6T發動機，大眾的第三代EA888 Gen IIIB（也就是第三代EA888改進型）以及諮詢機構RICARDO在2012年預測的發動機水平。