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马自达3 压燃上市的关头,解释X发动机的工作原理

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马自达3 压燃上市的关头,解释X发动机的工作原理

为了控制它的汽油/压缩点火发动机,马自达转而使用火花塞。

文|雅斯顿

汽油发动机发展的下一阶段,是采用类似柴油发动机的均质压燃燃料控制系统(HCCI)技术。理想中的状况是完全依靠压缩点火,而不再通过火花塞,如此便可以燃烧更加稀薄的空气/汽油混合物,大大提高燃油经济性。

不过,理想终究只是理论上可行。量产HCCI技术面临许多难以攻克的技术瓶颈。HCCI 的有效运行区间和效率提高仅限于低负荷路况,比如怠速或在高速上巡航,一旦遇到较高的转速和较高的发动机负荷, HCCI 发动机需要恢复到火花点火,这个过程不可预测且极其复杂。

多年来,现代、通用、福特、奔驰都试图攻克HCCI技术的量产应用,但现在这项技术被仅占全球汽车市场2% 份额的马自达(Mazda)攻克了。马自达几乎在很早的时候就宣布将在2019年前推出压燃式汽油发动机。不过,马自达eSkyactiv-X 引擎上并没有使用完全的 HCCI技术,而是使用了 SPCCI 技术,这是「Spark Controlled Compression Ignition,火花点火控制压燃点火」的首字母缩写。虽然实现过程不同,但殊途同归,最终实现了利用压缩点火燃烧更加稀薄的燃油混合气。

先了解引擎的工作原理,再了解Skyactiv-X 就会容易很多,比如传统的四冲程奥托燃烧循环、柴油机压燃工作以及 HCCI 燃烧系统。

传统汽油发动机,在进气冲程(活塞在气缸中向下运动)中吸入混合空气和燃料,然后在压缩冲程结束(活塞在气缸中向上运动)用火花塞点燃。砰!类似一种爆炸,汽油爆发出巨大的能量,推动活塞送回下至点,将燃料燃烧的能量转移到曲轴上,使发动机旋转。当活塞再次上升时,排气阀打开,燃烧副产品被推出燃烧室,循环重新启动。

另一方面,柴油机在进气和压缩冲程中只吸入和压缩空气。燃烧时不由火花塞点燃---柴油机没有火花塞---而是在压缩冲程结束时喷射燃料,由于缸内较高的气压带动温度上升,使燃油发生「自燃」,达到点火的目的。HCCI 发动机介于两者之间,以传统奥托循环作为基础,在某些工况下加入类似柴油发动机的压燃机制。

过去有许多企业拥有HCCI发动机,但这些发动机都只是停留在实验室阶段,而没有量产。马自达SPCCI发动机改变了这一现状,是目前量产发动机中最接近HCCI的一款引擎,而它解决点火时机问题的关键就是继续利用火花塞。

从进气冲程开始,气缸开始吸入低温的空气/燃料混合物。空气和燃料的比例并不确定,但一般都愈发趋近于理想的14.7:1空气/燃料比。要在这个极限比例上对燃油进行点火,就只能采用压燃,传统的火花塞是无法点燃的。

气缸吸入的燃油混合气,通过涡流的方式使其尽可能的紧贴在气缸壁上,在压缩行程快结束时,发动机会进行二次喷射,利用涡流在进气口形成一小股「混合气体团」。利用火花塞把这小部分混合气体团点燃,这部分混合气体会快速膨胀,增加气缸内的压力,从而带动其他气体发生自燃。这种行为可以称之为在压缩过程中制造一个「空气活塞」。

之所以要在压缩行程快要结束时进行二次喷射,主要原因在于更准确控制压燃的时间点,减少气体被压缩的时间,在想要的时间内达到最大的压强。

通过使用喷射和火花定时改变火焰制造的压力波,马自达可以更好地控制火花和压缩点火之间的混合。压力波的变化转化为有效气缸压力的变化,使 eSkyactivex-X也成为事实上的可变压缩发动机。不过,与英菲尼迪可变压缩涡轮增压发动机机械地改变其压缩比(基于最小和最大气缸体积的计算)不同,X有一个固定的压缩比,但改变每个气缸的有效压力。

所以,这到底要怎么理解 ?

起初,马自达在研发 SPCCI之前也尝试制造一款纯粹的HCCI 发动机。马自达很快就遇到了和其他汽车制造商一样的问题。如果没有定时的火花或燃油喷射,就很难控制均质燃烧的时间点,(这个时间点相当于过去由火花塞准确控制的定时点火) ,这需要严格控制气缸中的空气、燃料、压力和温度。因此,HCCI 不能容忍较高的发动机转速和极其敏感的大气压力的变化。这也就导致车辆可能不能良好适应海拔变化和四季轮换。

理想状况下,HCCI 可以运行良好,在温和的驾驶条件下,几乎不会发生太多问题。不过,紧接着马自达就需要解决HCCI发动机过于狭窄的运行条件(发动机低转速和轻负荷)这个问题。点火提前容易爆震,点火延迟经济性很差。

最终马自达不得不通过使用火花来控制整个过程,也顺便解决了大多数问题,并将压缩点火的运行范围扩展到更高的发动机转速甚至中等负荷,例如加速。现在SPCCI中仍然有利用自燃的模式,马自达工程师认为,在动力冲程期间引发或发生的点火是“良好的”,相比之下,“糟糕的”是在压缩冲程期间提前点火,引擎爆震。

另一个更经常运行 CI 的关键是一个带驱动的小型增压器,可以推动最大大约7.0 psi 的提升,也就是说这款发动机其实是机械增压的发动机。这款增压器不主要增加动力,主要在给定的燃料量下向发动机增加更多的空气,即使在较高的发动机转速下也能保持足够的稀薄的混合气点火。当不需要增压时,刻意断开离合器,避免对发动机经济性产生拖累。

这款X发动机借鉴了CX-9引擎上的冷却系统和电子管理的废气再循环(EGR)系统,以便更好的控制燃烧温度,而 Skyactiv-G 四缸发动机在进气和排气两侧有可变气门正时,SPCCI 系统用 G引擎的液压排气驱动换成更快的电控。这种情形下,引擎很难对燃烧后的混合气体进行充分过滤,而且SPCCI的第二次燃油喷射几乎立即点燃,就像柴油机燃油喷射一样,会产生比较多的颗粒。马自达需要一种方法来减少烟尘的产生,因此采用了700bar的高压燃油喷射系统,帮助第二次喷射燃油雾化更快,燃烧更清洁。

SPCCI最终让这款2.0L发动机可输出最大功率180马力,峰值扭矩224牛·米,相比之下,现款在售的马自达3 昂克赛拉搭载1.5L/2.0L发动机,最大功率分别为117马力和158马力,峰值扭矩分别为148牛·米和202牛·米。

对比 Skyactiv-G 和新 Skyactivex-X 在不同发动机转速和负荷下的燃油消耗的数据,G 模式的高效区看起来像是发动机负荷较大和转速较高的区间工作, X模式则在更有效率,在更广泛的速度和负载范围内工作。

马自达一直强调驾驶乐趣。马自达工程师说,变速箱对X发动机效率的影响远小于对 G发动机,它允许更短的齿轮比,增强响应,同时期望发动机保持在高效 CI 模式与较低的负载中。

不过,发动机转速提高不是对燃油经济性不利吗?常规如此,但马自达通过增压器强制更多的空气进入气缸,保持足够稀薄的空气/燃料混合物。即便是火花点火模式,X发动机也会利用阿特金森循环使用非常少的燃油混合气,以最大限度地提高膨胀行程的效率。

不过,这款发动机还是有一些问题需要解决,比如在火花和压缩点火之间的转换过程中,爆震产生的噪音以及耐久性测试。这些问题的答案在马自达3 X发动机上市之后,会逐步揭晓。

本文为转载内容,授权事宜请联系原著作权人。

马自达

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马自达3 压燃上市的关头,解释X发动机的工作原理

为了控制它的汽油/压缩点火发动机,马自达转而使用火花塞。

文|雅斯顿

汽油发动机发展的下一阶段,是采用类似柴油发动机的均质压燃燃料控制系统(HCCI)技术。理想中的状况是完全依靠压缩点火,而不再通过火花塞,如此便可以燃烧更加稀薄的空气/汽油混合物,大大提高燃油经济性。

不过,理想终究只是理论上可行。量产HCCI技术面临许多难以攻克的技术瓶颈。HCCI 的有效运行区间和效率提高仅限于低负荷路况,比如怠速或在高速上巡航,一旦遇到较高的转速和较高的发动机负荷, HCCI 发动机需要恢复到火花点火,这个过程不可预测且极其复杂。

多年来,现代、通用、福特、奔驰都试图攻克HCCI技术的量产应用,但现在这项技术被仅占全球汽车市场2% 份额的马自达(Mazda)攻克了。马自达几乎在很早的时候就宣布将在2019年前推出压燃式汽油发动机。不过,马自达eSkyactiv-X 引擎上并没有使用完全的 HCCI技术,而是使用了 SPCCI 技术,这是「Spark Controlled Compression Ignition,火花点火控制压燃点火」的首字母缩写。虽然实现过程不同,但殊途同归,最终实现了利用压缩点火燃烧更加稀薄的燃油混合气。

先了解引擎的工作原理,再了解Skyactiv-X 就会容易很多,比如传统的四冲程奥托燃烧循环、柴油机压燃工作以及 HCCI 燃烧系统。

传统汽油发动机,在进气冲程(活塞在气缸中向下运动)中吸入混合空气和燃料,然后在压缩冲程结束(活塞在气缸中向上运动)用火花塞点燃。砰!类似一种爆炸,汽油爆发出巨大的能量,推动活塞送回下至点,将燃料燃烧的能量转移到曲轴上,使发动机旋转。当活塞再次上升时,排气阀打开,燃烧副产品被推出燃烧室,循环重新启动。

另一方面,柴油机在进气和压缩冲程中只吸入和压缩空气。燃烧时不由火花塞点燃---柴油机没有火花塞---而是在压缩冲程结束时喷射燃料,由于缸内较高的气压带动温度上升,使燃油发生「自燃」,达到点火的目的。HCCI 发动机介于两者之间,以传统奥托循环作为基础,在某些工况下加入类似柴油发动机的压燃机制。

过去有许多企业拥有HCCI发动机,但这些发动机都只是停留在实验室阶段,而没有量产。马自达SPCCI发动机改变了这一现状,是目前量产发动机中最接近HCCI的一款引擎,而它解决点火时机问题的关键就是继续利用火花塞。

从进气冲程开始,气缸开始吸入低温的空气/燃料混合物。空气和燃料的比例并不确定,但一般都愈发趋近于理想的14.7:1空气/燃料比。要在这个极限比例上对燃油进行点火,就只能采用压燃,传统的火花塞是无法点燃的。

气缸吸入的燃油混合气,通过涡流的方式使其尽可能的紧贴在气缸壁上,在压缩行程快结束时,发动机会进行二次喷射,利用涡流在进气口形成一小股「混合气体团」。利用火花塞把这小部分混合气体团点燃,这部分混合气体会快速膨胀,增加气缸内的压力,从而带动其他气体发生自燃。这种行为可以称之为在压缩过程中制造一个「空气活塞」。

之所以要在压缩行程快要结束时进行二次喷射,主要原因在于更准确控制压燃的时间点,减少气体被压缩的时间,在想要的时间内达到最大的压强。

通过使用喷射和火花定时改变火焰制造的压力波,马自达可以更好地控制火花和压缩点火之间的混合。压力波的变化转化为有效气缸压力的变化,使 eSkyactivex-X也成为事实上的可变压缩发动机。不过,与英菲尼迪可变压缩涡轮增压发动机机械地改变其压缩比(基于最小和最大气缸体积的计算)不同,X有一个固定的压缩比,但改变每个气缸的有效压力。

所以,这到底要怎么理解 ?

起初,马自达在研发 SPCCI之前也尝试制造一款纯粹的HCCI 发动机。马自达很快就遇到了和其他汽车制造商一样的问题。如果没有定时的火花或燃油喷射,就很难控制均质燃烧的时间点,(这个时间点相当于过去由火花塞准确控制的定时点火) ,这需要严格控制气缸中的空气、燃料、压力和温度。因此,HCCI 不能容忍较高的发动机转速和极其敏感的大气压力的变化。这也就导致车辆可能不能良好适应海拔变化和四季轮换。

理想状况下,HCCI 可以运行良好,在温和的驾驶条件下,几乎不会发生太多问题。不过,紧接着马自达就需要解决HCCI发动机过于狭窄的运行条件(发动机低转速和轻负荷)这个问题。点火提前容易爆震,点火延迟经济性很差。

最终马自达不得不通过使用火花来控制整个过程,也顺便解决了大多数问题,并将压缩点火的运行范围扩展到更高的发动机转速甚至中等负荷,例如加速。现在SPCCI中仍然有利用自燃的模式,马自达工程师认为,在动力冲程期间引发或发生的点火是“良好的”,相比之下,“糟糕的”是在压缩冲程期间提前点火,引擎爆震。

另一个更经常运行 CI 的关键是一个带驱动的小型增压器,可以推动最大大约7.0 psi 的提升,也就是说这款发动机其实是机械增压的发动机。这款增压器不主要增加动力,主要在给定的燃料量下向发动机增加更多的空气,即使在较高的发动机转速下也能保持足够的稀薄的混合气点火。当不需要增压时,刻意断开离合器,避免对发动机经济性产生拖累。

这款X发动机借鉴了CX-9引擎上的冷却系统和电子管理的废气再循环(EGR)系统,以便更好的控制燃烧温度,而 Skyactiv-G 四缸发动机在进气和排气两侧有可变气门正时,SPCCI 系统用 G引擎的液压排气驱动换成更快的电控。这种情形下,引擎很难对燃烧后的混合气体进行充分过滤,而且SPCCI的第二次燃油喷射几乎立即点燃,就像柴油机燃油喷射一样,会产生比较多的颗粒。马自达需要一种方法来减少烟尘的产生,因此采用了700bar的高压燃油喷射系统,帮助第二次喷射燃油雾化更快,燃烧更清洁。

SPCCI最终让这款2.0L发动机可输出最大功率180马力,峰值扭矩224牛·米,相比之下,现款在售的马自达3 昂克赛拉搭载1.5L/2.0L发动机,最大功率分别为117马力和158马力,峰值扭矩分别为148牛·米和202牛·米。

对比 Skyactiv-G 和新 Skyactivex-X 在不同发动机转速和负荷下的燃油消耗的数据,G 模式的高效区看起来像是发动机负荷较大和转速较高的区间工作, X模式则在更有效率,在更广泛的速度和负载范围内工作。

马自达一直强调驾驶乐趣。马自达工程师说,变速箱对X发动机效率的影响远小于对 G发动机,它允许更短的齿轮比,增强响应,同时期望发动机保持在高效 CI 模式与较低的负载中。

不过,发动机转速提高不是对燃油经济性不利吗?常规如此,但马自达通过增压器强制更多的空气进入气缸,保持足够稀薄的空气/燃料混合物。即便是火花点火模式,X发动机也会利用阿特金森循环使用非常少的燃油混合气,以最大限度地提高膨胀行程的效率。

不过,这款发动机还是有一些问题需要解决,比如在火花和压缩点火之间的转换过程中,爆震产生的噪音以及耐久性测试。这些问题的答案在马自达3 X发动机上市之后,会逐步揭晓。

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