是天才也是瘋子 馬自達(dá)SKYACTIV-X解析

　　【太平洋汽車網(wǎng) 技術(shù)頻道】在大家都上渦輪增壓的時(shí)候，馬自達(dá)一直堅(jiān)持著自然吸氣；在大家都在發(fā)展新能源車的時(shí)代，又是馬自達(dá)顯得略不合群，還在堅(jiān)持繼續(xù)將大部分精力放在了研發(fā)內(nèi)燃機(jī)技術(shù)。這個(gè)“不合群”的品牌有著執(zhí)著的堅(jiān)持和信仰，而歷史總在告訴我們，堅(jiān)持著信念的人總會(huì)獲得令人驕傲的成功，而這部分人也往往會(huì)被人稱作“瘋子”。

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　　創(chuàng)馳藍(lán)天第二代發(fā)動(dòng)機(jī) SKYACTIV-X（創(chuàng)世藍(lán)天-X發(fā)動(dòng)機(jī)下文簡(jiǎn)稱：SKYACTIV-X）引入了HCCI，這也是世界上第一款搭載了HCCI點(diǎn)火的量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)，馬自達(dá)決定在2019年正式量產(chǎn)SKYACTIV-X。

　　HCCI（Homogeneous Charge Compression Ignition）的全稱翻譯過來是“均質(zhì)充量壓燃”。

　　下面我們將會(huì)聊到一些比較復(fù)雜的技術(shù)知識(shí)，但是這些技術(shù)總的來說都是圍繞著動(dòng)力性提升和燃油經(jīng)濟(jì)性提升這兩方面來展開的，所以我們先不去看復(fù)雜的技術(shù)知識(shí)，先來看看這個(gè)大家把它夸上天的技術(shù)到底實(shí)現(xiàn)了什么了不起的成就？

1.燃油經(jīng)濟(jì)性的顯著改善

　　在發(fā)動(dòng)機(jī)排量為2.0L的車輛中，與SKYACTIV-G（創(chuàng)馳藍(lán)天-G發(fā)動(dòng)機(jī)下文簡(jiǎn)稱：SKYACTIV-G）相比，SKYACTIV-X的燃油經(jīng)濟(jì)性提高了20％。同時(shí)，在頻繁使用低車速的區(qū)域，由于使用超級(jí)稀薄燃燒，燃油經(jīng)濟(jì)性可提高多達(dá)30％。 在途中我們不難發(fā)現(xiàn)了，SKYACTIV-X的燃油效率甚至等于或超過最新的SKYACTIV-D柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。

2.顯著提高了輸出性能和響應(yīng)能力。

　　SKYACTIV-X的發(fā)動(dòng)機(jī)排量為2.0L，它比目前的SKYACTIV-G至少提升了10％的扭矩，在某些轉(zhuǎn)速下可提高30％。

　　怎么做到的呢？這很大程度上要?dú)w功于上文我們所提到的HCCI，也就是均質(zhì)壓燃技術(shù)。

　　我們正在面臨著的環(huán)境問題和能源問題，讓我們不得不去認(rèn)真思考：如何降低汽車的排放和減少燃油后消耗?！?/p>

　　無論出于一個(gè)企業(yè)的社會(huì)責(zé)任心還是政策原因，這個(gè)問題都成了每個(gè)汽車企業(yè)都需要急需考慮的。所以有的企業(yè)選擇了油電混合驅(qū)動(dòng)、有的企業(yè)選擇了純電驅(qū)動(dòng)、有的企業(yè)采用了新的燃料作為汽油柴油的替代燃料等等，而馬自達(dá)選擇的HCCI（均質(zhì)充量壓燃）也是其中一種節(jié)能減排的解決方案。

　　HCCI除了能實(shí)現(xiàn)較高的壓縮比和比熱比，還能完全和快速地燃燒稀薄混合氣，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)大面積同時(shí)壓縮著火，沒有傳統(tǒng)火花塞點(diǎn)燃的火焰?zhèn)鞑ミ^程，所以壓縮點(diǎn)火可以在極短的時(shí)間內(nèi)完成燃燒放熱，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率。而火花塞點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)有火焰?zhèn)鞑サ拿黠@時(shí)間延遲。

　　可以說，HCCI是一種非常理想燃燒模式。

　　要知道HCCI在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上很難實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒。因?yàn)槿紵难趸磻?yīng)過程比較復(fù)雜，從氧化反應(yīng)開始到點(diǎn)燃混合氣會(huì)有一段從冷焰到熱焰的著火延遲，這個(gè)著火延時(shí)取決于溫度、壓力和濃度，因?yàn)椴煌鸟{駛條件下，壓縮沖程中存在的溫度和壓力的變化，所以HCCI的著火時(shí)刻不易控制。

　　從圖片上可以看到，HCCI燃燒的轉(zhuǎn)速和負(fù)載區(qū)間較窄，只在中等低轉(zhuǎn)速下HCCI工作效果最佳。在在上圖藍(lán)色范圍之外，燃燒不穩(wěn)定且難以控制。所以由此我們可以知道：在HCCI可工作范圍以外的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下需要采用火花塞點(diǎn)火，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作。于是問題來了：如何無縫銜接這兩種點(diǎn)火方式？

　　因?yàn)閭鹘y(tǒng)的火花塞點(diǎn)火和HCCI點(diǎn)火對(duì)缸內(nèi)溫度、空燃比、EGR的要求均不一樣，需要發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下、來回切換點(diǎn)火模式非常困難。

　　是的我們上面提到，傳統(tǒng)火花塞點(diǎn)火與HCCI點(diǎn)火之間對(duì)溫度、空燃比、EGR等的要求互相矛盾，這兩者切換之間所處的狀態(tài)難以實(shí)現(xiàn)任何一種點(diǎn)火，于是馬自達(dá)便想到了應(yīng)用人為手段去為壓燃創(chuàng)造條件，也就是通過火花塞輔助點(diǎn)火來提高氣缸內(nèi)的壓力和溫度。

　　為了讓火花塞點(diǎn)火和HCCI點(diǎn)火之間能更好地過渡，馬自達(dá)引入了火花塞輔助點(diǎn)燃的模式，利用火花塞點(diǎn)火輔助可以提高HCCI的點(diǎn)火能力，更好地控制混合氣著火時(shí)刻，同時(shí)也讓氣缸內(nèi)著火有很好的穩(wěn)定性。這個(gè)利用火花塞點(diǎn)火輔助的壓燃方式被馬自達(dá)命名為SPCCI。

　　SPCCI是通過在壓縮行程的過程中，先使用火花點(diǎn)燃一小部分混合氣，這部分混合氣爆炸并膨脹，為缸內(nèi)創(chuàng)造接下來壓縮自燃所需的壓力和溫度（但在活塞未到達(dá)上止點(diǎn)時(shí)混合氣仍保持在自燃程度以下，如何控制這一舉動(dòng)下文我們會(huì)解釋），當(dāng)活塞繼續(xù)向上運(yùn)行，直到到上止點(diǎn)時(shí)，缸內(nèi)其余的混合氣通過壓縮同時(shí)被點(diǎn)燃。

　　所以本質(zhì)上SPCCI雖然有火花塞的介入，但是火花塞點(diǎn)火僅僅作為為壓燃創(chuàng)造條件的輔助手段，而且我覺得不需要糾結(jié)這是不是存在了火焰?zhèn)鞑ィ阈枰赖氖?，SKYACTIV-X發(fā)動(dòng)機(jī)最終在SPCCI點(diǎn)火模式下，大部分的混合氣還是通過多點(diǎn)大面積點(diǎn)燃，同時(shí)還保持了整體放熱速率較高的水平。而SKYACTIV-X則可以在大部分時(shí)候使用到的是SPCCI點(diǎn)燃，小部分區(qū)域可以實(shí)現(xiàn)HCCI。所以我們可以認(rèn)為，馬自達(dá)確實(shí)不僅將HCCI點(diǎn)火這個(gè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)，還將壓燃的范圍擴(kuò)大至了更大的區(qū)域。

　　為了實(shí)現(xiàn)SPCCI，馬自達(dá)更新了發(fā)動(dòng)機(jī)上一些硬件，包括新型活塞頭設(shè)計(jì)和超高壓燃油噴射系統(tǒng)，以幫助混合氣以及旋渦形狀的形成，以及采用了高響應(yīng)的空氣供給裝置，可以引入大量空氣，同時(shí)配合氣缸壓力傳感器等來精確控制發(fā)動(dòng)機(jī)，值得一提的是SKYACTIV-X還搭載了輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)，或許是用于發(fā)動(dòng)機(jī)啟停作用的。SKYACTIV-X控制邏輯看起來相當(dāng)復(fù)雜，但與以前實(shí)現(xiàn)HCCI的那些概念來說，復(fù)雜性降低了很多。下面我就具體介紹一下SKYACTIV-X發(fā)動(dòng)機(jī)的部分重要細(xì)節(jié)。

·控制空氣燃料混合物以防止異常燃燒

　　因?yàn)镾PCCI需要非常高的壓縮比，高壓縮比使壓縮點(diǎn)火更容易實(shí)現(xiàn)，但它也增加了過早壓縮點(diǎn)火的可能性，這可能會(huì)嚴(yán)重?fù)p害發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)需要在保持高壓縮比的同時(shí)，防止在燃燒過程中發(fā)生壓縮著火，所以馬自達(dá)為SKYACTIV-X引入了分段燃油噴射、超高壓燃油噴射系統(tǒng)和缸內(nèi)壓力傳感器。

　?。?分段燃油噴射

　　為了防止在壓縮稀薄的油氣混合氣中出現(xiàn)不正常的燃燒，SPCCI采用了分段式燃油噴射系統(tǒng)，其中一小部分燃油在進(jìn)氣過程中噴入，形成低密度稀薄混合氣，而更多的另一部分在壓縮過程中噴入。這不僅讓SPCCI更好實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火，還有效控制了混合氣的異常燃燒。

　?。?超高壓燃油噴射系統(tǒng)

　　為了盡可能地縮短壓縮沖程的時(shí)間以及使壓縮點(diǎn)火更加高效，燃料快速的霧化以及油氣混合氣更快地形成非常重要。于是馬自達(dá)采用了超高壓的噴油系統(tǒng)，噴油油壓達(dá)到1000bar，這能夠使得汽油瞬間霧化，同時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)大的湍流，大大提升點(diǎn)火穩(wěn)定性和燃燒速度。

　　３.采用缸內(nèi)壓力傳感器
　　除了采用上文所說的防止不正常燃燒的技術(shù)外，SKYACTIV-X還采用了缸內(nèi)傳感器作為監(jiān)測(cè)控制，將其與目標(biāo)配置文件進(jìn)行比較，通過不斷觀察噴射、點(diǎn)火等數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)噴油、點(diǎn)火等是否給預(yù)期結(jié)果帶來了適當(dāng)?shù)娜紵?duì)任何偏差進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，確保持續(xù)優(yōu)化燃燒。

·新型活塞頭：

　　除了有良好的霧化效果，缸內(nèi)氣體流動(dòng)形式也是決定混合氣燃燒速度的要點(diǎn)之一，SKYACTIV-X采用了新型的活塞頭，讓氣缸內(nèi)的混合氣形成漩渦狀，使氣體更好地被壓縮燃燒。

·機(jī)械增壓器：

　　這個(gè)小型的機(jī)械增壓器可以施加最大約0.5bar的壓力，這個(gè)增壓器作用并不是為了給發(fā)動(dòng)機(jī)增加多少的馬力，而是為了提高效率用的。增壓系統(tǒng)為氣缸帶來更多的空氣，即使在較高的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下也能保持混合氣足夠稀薄。這個(gè)增壓器是離合式的，在較低的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下可以解耦，避免空燃比變得過于稀薄。

 　　 對(duì)于馬自達(dá)這樣一個(gè)執(zhí)著于車技研發(fā)和革新的“汽車匠人”來說，骨子里的“次世代基因”讓它著力于創(chuàng)新汽車技術(shù)，以精益求精的精神和多年如一日的“深耕”與“探索”，尋求可以超越于時(shí)代、普惠于大眾的先進(jìn)技術(shù)。

　　從上個(gè)世紀(jì)的轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，到如今的SKYACTIV-X（創(chuàng)馳藍(lán)天-X發(fā)動(dòng)機(jī)）技術(shù)，馬自達(dá)一直在立足當(dāng)下、著眼于未來，在“次世代”一直處于主動(dòng)地位，代表未來的“次世代的技”也一直未曾缺位過。

　　在傳承中堅(jiān)守，在堅(jiān)守中創(chuàng)新，在創(chuàng)新中進(jìn)化，這便是馬自達(dá)能夠一直在次世代立于不敗之地的原因所在吧。（圖/文：太平洋汽車網(wǎng) 遲東寧）