技师长|五个问题解读这项足以颠覆内燃机命运的发动机技术

内燃机真的走到尽头了吗?

试想这样的场景:在一个名为《世界有涡轮》的发动机未来发展趋势研讨会上,出席人数众多、气势庞大的欧洲车企代表团用威严到无人敢质疑的声音宣布道:自然吸气发动机已经走到头了,我们接下来要全面涡轮化了,尤其是小排量涡轮增压发动机。然而,此前一直坐在角落里、聚光灯外的MAZDA代表却表示,“就凭SKYACTIV-X,我就可以把汽油发动机现有的燃油效率再提高20到30%,从而开发出和纯电机一样环保的内燃机”。

虽然前文所述的场景在可纪录的历史中从未发生过,但孤介而顽拗的广岛汽车制造商马自达却执意要用自己的方式续写内燃机,更具体点来说,就是汽油发动机的历史。更为关键的是,这并不是一次勉强而硬撑着为汽油发动机的“续命”行为。

从技术层面来说,马自达通过潜心研究的方式解决了横亘在柴油发动机和汽油发动机间的技术壁垒,让欧美车企因无法攻克而跌倒放弃的均质压燃(HCCI)技术不仅重见天日,未来更有在这个星球上大规模推广使用的可能;从环保角度上来说,马自达希冀借助全新开发出的发动机技术来完成对地球的责任和愿景,那就是“企业平均二氧化碳排放量到2050年实现比2010年减少90%为长期规划,到2030年实现企业平均二氧化碳排放量相对2010年减少50%为目标”。

从马自达过往务实的表现来看,这家“规模不大却熠熠生辉”的汽车品牌一向都是“言既出行必果”箴言的忠实践行者。此次在欧洲一片唱衰内燃机,两家日本最大的汽车制造商义无反顾地投入涡轮增压怀抱中的“天不时地不利,只有人和”不利局面下,依旧选择坚持开发汽油发动机的技术路线,让钟爱马自达的粉丝们振奋的同时,也让同行们更多地注意到了内燃机事实上仍有不小的挖掘潜力。

那么,马自达这项震惊业界的发动机技术到底是什么呢?又是如何凭一己之力改变内燃机过早离逝命运的呢?界面记者在研读了厚厚的技术资料后,用解惑五个问题的方式来全方位解读这部足以颠覆内燃机命运的“SKYACTIV-X”机头,也让更多的人可以深刻了解到创驰蓝天发动机之父的人见光夫以及无数马自达工程师为内燃机所付出的心血。

问题一:什么是SKYACTIV-X?

SKYACTIV-X是马自达现有SKYACTIV创驰蓝天发动机的升级产品,简单来说是创驰蓝天二代发动机。但SKYACTIV本身并不单指发动机,而是马自达一系列基于现有汽车工业技术的新技术合集,包括柴油发动机、汽油发动机、变速箱、车身和底盘技术。这套技术对车辆的燃油经济性,安全性,操控性等核心方面进行了大幅度提升,最终达到“人马一体”的和谐统一。

SKYACTIV-X是使用全新燃烧方法的发动机“新物种”,有效地结合了柴油发动机与汽油发动机的各自优势。马自达方面将它视为柴油发动机和汽油发动机之间的交叉产品,兼顾环保性能和输出动力性能,其两大技术两点是HCCI(均质充量压缩燃烧)技术和SPCCI(火花点火控制压燃技术),最终反映到实际使用中的成效是10%的全域速提升,20%的油耗缩减和30%的扭矩提升。

问题二:什么是HCCI(均质充量压缩燃烧)技术?

字面上看,HCCI即“Homogeneous Charge Compression Ignition”,常见翻译为“均质充量压缩燃烧”。虽然看上去工科味儿十足,但实际上这项技术在柴油机上早已不是秘密,本质上是直接靠气缸的活塞运动将燃油混合气压缩至燃点,然后推动活塞做功释放能量。压缩燃烧所带来最直观的好处是实现近乎想象的超高空燃比,马自达实验室中可实现36.8:1的空燃比,这样的空燃比让稀薄燃烧不再是梦,也打破了业内公认的14.7:1的“最佳空燃比”。而且,HCCI对燃料的要求比现在的汽油发动机低得多。

看到这里,很多人会说,马自达不就是把柴油发动机的技术“移植”到汽油发动机上吗?这样的解读有本质性的错误,HCCI发动机是结合了“柴油机压缩燃烧”和“汽油机均质混合”特点后的产物:压燃可使混合气多点同时着火,燃烧持续期短,得到与柴油压燃式发动机接近的热效率(马自达的预测是50%热效率,这个数据如果达成,将比丰田41%热效率的发动机更加环保);而与传统柴油机相比,混合气是以均质的状态形成的,混合程度更好,燃烧反应同步进行,燃烧火焰温度低,氮氧化物和碳烟排放显著降低,柴油车开动时经常出现的尾部冒黑烟现象将不会,也不可能出现在马自达SKYACTIV-X发动机上,而热效率提高到50%以后,油耗可以至少再降30%,在没有混合动力介入的情况下,可以达到3.3L/100km的低油耗水平。

问题三:“压燃”汽油就算成功了吗?

当然不,多年来汽油发动机与柴油发动机的点火方式背道而驰,整个发动机发展历史就是点燃式与压燃式两种点火方式相互嫌弃但又相互融合的精彩大戏。也正因为此,马自达在量产全新SKYACTIV-X发动机过程中所遇到的困难远比提升现有的内燃机来得大得多。首先,运行工况下的爆震很难抑制,抑制爆震是发动机开发过程中耗时费钱的环节,HCCI因为稀薄燃烧的关系,燃烧反应速率极快,很容易让发动机进入暴烈模式。常见做法是采取较高的EGR率来延缓燃烧速率,减少发生爆震的频率,但这种做法会降低缸内压力,带来第二个棘手的问题:燃烧不充分导致的气体排放。创驰蓝天之父人见光夫曾表示,SKYACTIV-X发动机在研发过程中几乎没有不难的地方,“通常是解决了一个下一个难题又来了,一直处于高强度的解题状态,但一定要开发成功的执念从未改变”。

好在马自达和人见光夫的执念得到了回报,即便压燃汽油发动机有着包括点火时间无法精准控制、控制稳定性、噪音过大、冷启动困难、废气循环等一系列层出不穷的难题,但这些都在马自达所倡导的“HCCI”研发思路下得到了妥善解决。

马自达将HCCI与教科书上的定义做了区隔,将其中的“CCI”解读为Controlled Compression Ignition,即可被控制的压燃点火燃烧技术,核心技术是一项被称为Spark Controlled Compression Ignition火花压控压燃的创举。

概括起来,SPCCI是保留汽油发动机中的火花塞,在绝大部分下使用使用火花塞点燃一部分混合可燃气,形成小活塞做功,通过产生的爆炸进一步挤压缸内其它尚未点燃混合气的气压,从而实现人为出发压燃。突破的技术难点是:汽油拥有较高的自燃点,即便活塞完成了上冲程的上止点,也不一定可以达到汽油压燃所需要的缸压。前段通过火花塞的方式点燃一部分缸内混合气体就可以顺利突破汽油燃烧的临界点,最终达成火花塞点火和压燃点火(CI)之间的无缝切换。

所以说,能够将汽油压燃是SKYACTIV-X发动机向前推进一大步的标志,这是压燃点火Compression Ignition(CI)在全球范围内的首度产品化实际应用。据马自达介绍,SKYACTIV-X发动机实现了比现款创驰蓝天汽油发动机(SKYACTIV-G)全转速区域10%-30%的扭矩提升,使得发动机单体的油耗改善率比现款的创驰蓝天汽油发动机(SKYACTIV-G)提升最高20%-30%。对比2008年马自达同排量的汽油发动机,油耗改善率提升35%-45%,可达到最新款“创驰蓝天柴油发动机(SKYACTIV-D)相同水平的油耗。

问题四:二代目开发出来的还是自然吸气发动机吗?

前文提到马自达特有的SPCCI好处很多,主要体现在两大方面:第一SPCCI将火花塞从单纯的点火工具变成了虚拟活塞,从而在更加宽泛的缸内气压范围实现压燃;第二在压燃不适合的工况下,比如高转速区间,仍旧可以通过行车电脑的判断来改变点火策略,无缝转换为传统汽油发动机的点燃方式。

为了达成目标,马自达引入了空气供给单元,或者叫“快速响应式进气辅助”的结构,为的是让更多空气在高负载情况下进入气缸,提高缸内压力,完成压燃动作。从机械结构上来说,全新空气供给单元与目前涡轮增压发动机中的机械增压器分支类似;从目的上来说,都是为了增大进入气缸的气量,提高缸内压力。所以作为创驰蓝天二代目产品的SKYACTIV-X发动机并不能简单地被划分为涡轮增压发动机,只能叫做燃效接近极致阈值的内燃机。

问题五:消费者什么时候能用上?

这个问题在8月份马自达发布的展望2030年马自达技术开发的长期愿景——“Zoom-Zoom 可持续发展宣言2030”中给出了答案——包含全新一代“SKYACTIV-X”发动机在内的一系列革新性技术将在2019年正式推出。那么一个更细分的问题是,搭载全新发动机,使用全新造车平台的会是哪款车型呢?从目前获知的消息中可以推测,后驱的阿特兹和换代的昂克赛拉的可能性比较大,毕竟这两台轿车是代表目前马自达造车水平的巅峰之作,看看最新的GVC技术搭载首先搭载于昂克赛拉,随后再上阿特兹,就可明白一二。

当下的汽车发展正在变得迷幻,很多人将其称为“乌卡时代”:易变、复杂、模糊、不确定的。因排放法规苛求而衍生出的畸形电动车市场,因看不到希望而止步研发的自然吸气发动机,因噎废食般一拥而上的小排量涡轮增压。正是在这样的纷乱尘世中,具备坚持不妥协精神的马自达才显出另类的孤世感,满脑子工程师思维的他们想法很简单:发动机嘛,就该“出力多,吃得少,排得环保”,而全新一代“SKYACTIV-X”发动机完美符合了马自达的初衷和想法。无论是车主的身份,还是汽车行业观察者的身份,我都想衷心地对来自广岛的熠熠生辉的汽车品牌说一句:马自达桑,请务必长久而不移地耿下去。

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