偏执的马自达,为何屡屡爆出新的“黑科技”
马自达绝对是全球最为偏执的车企之一,而所有车企都在向涡轮增压、混动技术以及新能源方向发展之时,马自达依旧深耕自吸发动机,对于混动技术也是过的且过,并且在新能源技术如火如荼之际,马自达依旧对转子发动机念念不忘。但不得不说,马自达在燃油动力方面的发展绝对独树一帜。
第一代创驰蓝天发动机将汽油发动机压缩比直接提高至14:1,而在当时,业内主流的压缩比为10:1,作为一个合格的“技术宅”当然不能满足于此。随着创驰蓝天-X(Skyactiv-X)正式量产,其压缩比高达18:1,足以让后来者望而兴叹。
Skyactiv-X采用了均质压燃(HCCI)技术,使其可以像柴油机一样工作,也可以以火花塞点火方式运行,可无缝切换压燃与点燃的运行方式,热效率更是达到50%,而此前热效率最高的发动机为丰田的阿特金森循环2.5L发动机,为41%。通过HCCI技术,该发动机燃油效率提升了20%—30%,这也使其油耗最低可达百公里3.3L,其数据表现甚至超越了许多混合动力车型,放眼全球,Skyactiv-X也难以寻觅同级对手。
HCCI并非你想的那么容易
其实HCCI技术并不是什么新的概念,在上世纪70年代就已经被提出,但也仅限于实验室中,其量产难点重重,基于此,马自达开发了自己的火花控制压燃点火(SPCCI)技术。
想要理解Skyactiv-X原理,我们先从HCCI说起,HCCI全称HomogeneousCharge Compression Ignition,翻译过来就是均质充量压燃,其原理非常简单,就是柴油机的运行原理。
我们都知道,柴油机和汽油机不同,柴油机没有火花塞,采用高压缩比压缩缸内油气混合物,使其达到燃烧临界点,继而压缩空气多点同时燃烧,燃烧时间短而充分,热效率高。而汽油机则采用火花塞点燃油气混合物,采用单点引燃,燃烧时间以及效率明显不如柴油机。而HCCI如果直接应用到汽油机上,既可以保证燃烧时间以及效率,又可有效控制排放。
一切看似完美,但HCCI移植到汽油机中就明显出现水土不服的症状,首先是“爆震”问题。我们都知道,汽油是一种易挥发物质,其燃点要比柴油更高,如果采用压燃方式,其燃烧速度极快,燃烧过程不易控制,容易产生“爆震”。也就是说,在活塞运行过程中,可能尚未达到上止点的位置,缸内就开始燃烧产生下推力,与在曲轴带动下的活塞发生“撞车”,容易导致“缸毁车亡”。
此外,由于HCCI属于低温燃烧技术,对于取消了火花塞的汽油发动机而言,其冷启动成功率会明显下降,尤其是在较为恶劣的环境下。
榨干汽油机潜力
从马自达Skyactiv-X发动机运行原理来看,有三个工作状态,分别是SI模式、火花塞辅助点燃的SPCCI模式、压燃CI模式。其中SI模式仅在启动以及急加速时采用;而CI模式参与度也不高,虽然其压缩比高达30:1,但使用范围仅限于转速和动力需求都很低时候;最常用的属于火花塞辅助点燃的SPCCI模式。为了便于理解,我们先从SPCCI中的爆震问题解读一下。
那么,马自达是如何应对HCCI爆震这个技术难点呢,从Skyactiv-X运行方式来看,最初只让发动机喷射很少的一部分燃料,确保稀薄到无论如何都不会被引燃,而在压缩过程中,其高达1000bar的喷油嘴,喷射出大量的雾化燃料,但同样没有预热,也就达不到自动压燃的温度阈值。
采用这种方式虽然可以避免爆震,但同时缸内压力也达不到压燃的阈值,而此时缸内压缩比为大约16:1,这不仅与Skyactiv-X的18:1的压缩比不符,那么,如何再继续增加缸内压缩比呢?此时,火花塞的作用就体现出来了,火花塞通过引燃稀薄的空气,形成一个点燃的小火球,增加了整个燃烧仓的压力,有效地提高压缩比,使缸内的压缩比达到了压燃的阈值,继而使缸内多点同时燃烧。也就是说,火花塞在此时的作用不是点火,而是助燃以及增加缸内压力。
从这里来看,不得不佩服马自达工程师的巧妙构想,其实说起HCCI+SI(火花塞)并不是马自达首先想到的,其实通用早在2008年就采用过这一构想,并且造出了原型机,不过通用后来宣称,其发动机振动太大,结构也太过复杂而终止了此项研究。
从体量相比,马自达与通用跟不在一个数量级,而从技术上来看,马自达也似乎不太可能成为内燃机的引领者,但马自达曾经唯一一家将转子活塞发动机投入量产的制造商,而在后来,又独创性的开发了增压米勒循环发动机,而此次Skyactiv-X发动机的上市,又将马自达在燃油动力系统的地位提高了一个量级。或许,在汽车制造行业,偏执一些也不错。