马自达18年推出 Skyactiv-X发动机，打造世界首款压燃汽油机

胡八一

马自达将在 2018 年推出 Skyactiv-X发动机，打造世界首款压燃汽油机。这款发动机采用了伊顿专为马自达设计的增压系统，具体请见图片中央位置（图片来源：马自达）。

马自达的创新SkyactivX火花控制压缩点火(SpCCI)燃烧系统预计将于2018年投产，这款发动机是数十年来内燃发动机领域发展的最重要成果之一。SpCCI发动机可以延长汽油发动机的实际使用寿命，这在全球排放规定愈发严格，且电动汽车加速发展壮大的大背景之下尤为重要。 马自达公司董事、高级管理执行官藤原清志表示，未来几十年内，SpCCI技术将成为公司汽油发动机战略的基础。为了实现“零尾气排放”的目标，未来汽车的动力单元将最终采用以微藻类为基础的生物燃料，而 SpCCI 经过专门设计，可以支持更大排量的动力系统。

作为一种新兴的燃料原材料，藻类将逐渐展现更大的潜力（图像来源：NOAA 五大湖环境研究实验室）。 经过超过 8 年的集中研发工作，马自达的SpCCI 系统终于成型。该系统结合了柴油发动机的能效和扭矩输出优势，以及双凸轮汽油发动机的转速优势，还能同时保证每公里不超过60 克的 CO2 排放水平。除此之外，SpCCI 发动机的生产无需对原材料表单进行大规模变更，主要的改动仅集中在电子控制和气缸头部分。


据悉，马自达的最新技术合作伙伴丰田也对SpCCI系统兴趣满满，并考虑在公司的主力混合动力电动车产品中应用这项技术。与现行发动机架构相比，SpCCI发动机的主要变化体现在汽缸头、电子控制系统和气泵增压器方面。 柴油机般的强劲扭矩输出    真实体验证明，火花点火模式(SI) 和压缩点火模式 (CI) 之间难以顺畅切换的长期挑战，似乎已经得到克服。工程师表示，SpCCI原型发动机在低转速时的表现的确有些生硬，但现在距离发动机的最终校准和生产仍有大约 1年时间，还可以进行进一步优化。


可以确定的是：在日常驾驶工况中，SI 和CI 之间的切换已经几乎很难察觉了。本次测试循环的驾驶环境包括高速公路、乡村和城市道路。在整个测试循环中，这款全新SpCCI 发动机转速曾飙到接近6000 转，整体排放水平即使说不上完美，也算是相当不错了。这款发动机有 6挡转速，可轻松降至 1200 转，充分展示了自身如柴油机般强劲的扭矩输出能力。 由于扭矩输出的范围更加宽广，马自达得以更加高效地调整车辆的档位分布，从而进一步改善车辆的燃油经济性并降低排放。马自达集合其汽油机和柴油机设计之精华，打造了新款 Skyactiv-X 发动机（图片来源：马自达）。


遗憾的是，截止本文发表之时，马自达尚未公布 SpCCI 发动机的孔冲程、额定扭矩、功率等其他技术细节。马自达称，与现行 Skyactiv-G 汽油发动机相比，SpCCI 发动机的能效取得了 20% 到 30% 的提升。然而，从《汽车工程》得到的测试结果来看，情况可能并非如此喜人。在测试循环中，当 SpCCI 模式在整个循环测试中的运行时间超过95% 时，手动挡标配 Mazda 3SKY-G 取得了13.3% 的燃油效率提升，平均燃油经济性从此前的29.4 提升至 34.0 mpg （即 100 公里油耗从8.0 L 下降至6.9 L）。

自动挡汽车的情况也很类似，当 SpCCI 模式在整个循环测试中的运行时间超过 95% 时，自动挡测试车也取得了 14.75% 的燃油效率提升，平均燃油经济性从此前的 29.9 提升至 35.1 mpg（即 100 公里油耗从35.1 L 下降至29.9 L）。 然而，取得这样的数据结果，与该循环相对极端的测试方式也有关系。具体来说，马自达的循环测试主要是为了评估发动机的属性，比如高档位下的低速和正常加速、SI和 CI 模式之间的切换等，而这种情况在“正常驾驶环境”中并不常见。


马自达 SpCCI 系统的燃烧策略围绕火花塞展开，进而增强发动机的有效压缩比，并“促进”压缩点火过程（图片来源：马自达）。压缩比：从18:1 到15:1    从 2011 年启动 Skyactiv 全面能效提升项目依以来，马自达已经陆续推出了大量压缩比达 14:1 的发动机。此外，SpCCI 也是 Skyactiv 项目的主要成果之一。根据马自达工程师的数据，全新 Skyactiv-X 发动机的压缩比可达 15.0:1。


“我们之所以将压缩比控制在 15:1 ，是因为这最接近正常环境温度下的压缩点火条件，”马自达动力系统执行官 Ichiro Hirose 解释说，“火花会形成一个膨胀的火球，而这个火球如同一个次级的‘空气弹簧’，可以为发动机提供额外的压缩压力。由于火球是火花塞产生的，因此可以有效控制SI 和 CI 之间的切换。” Hirose 补充说，“首先，取得超高压缩比是使用稀薄空气燃料混合燃烧的关键突破点；其次，发动机空燃比越低，相应的热比则越高。为了实现这一重大突破，我们至少需要将空燃比提高一倍，从 14.7:1 提高至 30.0:1。”

在 Skyactiv-X 项目的 G1、G2和 G3 阶段，工程师通过将均质压燃系统的压力和温度调整至理想状态，进而将 λ为 2.5 时的发动机压缩比调整至 18:1，取得了 40% 的热效率提升。
在 SpCCI 发动机中，火花塞产生的火球可提高发动机的有效压缩比，优化整个燃烧室内的燃烧环境（图片来源：马自达）。 马自达SpCCI量产发动机取得的一大关键突破是对燃烧过程的精准控制，SpCCI发动机的每个气缸均安装了独立压力传感器，可以对温度、压力等发动机参数进行实时监测。发动机管理系统则会控制发动机的双电动可变凸轮轴、空气泵，以及将在500 bar (5252 psi) 时启动的分离喷射系统。


事实证明，对于处于 CI 模式下高负荷运转的HCCI发动机，增压系统和废气再循环系统的作用非常显著。但马自达研发管理执行官Takahisa Sori 也表示，在2013 年时，马自达的目标是在更多不同负荷级别的自然吸气发动机中成功实现稀燃HCCI 技术。Sori 的工程师担心，气泵的使用会影响发动机在真实世界中的燃油经济性。 Sori表示非常看好HCCI汽油发动机与混合动力系统的结合，认为在电机的协助下，可以扩大发动机的理想运行范围。发动机完全可以通过小型化电机和电池的运用来降低成本。在此背景下，马自达选择与丰田的混动系统工程师展开合作也就不足为奇了。 SpCCI 发动机将分2 个步骤实现空气和燃料的混合，分别在进气冲程和压缩冲程中进行燃油喷射。此时，燃烧室内将形成一个强劲的漩涡，进而产生燃料密度梯度，即CI 外围的空燃混合物相对稀薄，而火花塞中心处的空燃混合物则较为丰富（有利于火球的形成）。 火花点火可以在高负荷条件下启动发动机，但并不会在任何预设的点切换至压燃模式。Hirose 解释说，当发动机到达进气边界条件时，燃烧室内将产生一个不断膨胀的火球。此时，由于点燃模式提供的额外压缩力，发动机的实际压缩比会高于约15-16:1 的几何压缩比，进而触发CI 模式。