拯救汽油機(jī)計劃

我想馬自達(dá)一定會對自己每一分開銷都精敲細(xì)打：一年160萬的產(chǎn)銷量在這個巨無霸橫行的世界上顯得實在微小，因而每一份收獲都來之不易。不過相比大眾、豐田、現(xiàn)代或是通用集團(tuán)，馬自達(dá)又擁有出色的獨立性，一個確實存在但容易忽略的優(yōu)勢。

正因為如此，它可以充分控制自己的技術(shù)路線。比如，沒有哪一家汽車公司曾比這家來自廣島的日本公司更執(zhí)著于轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)，雖然這種機(jī)型被認(rèn)為缺乏開發(fā)潛力、無法落實環(huán)保指標(biāo)，也從沒有成為主流，但毫無疑問馬自達(dá)是一個執(zhí)著于為問題制造解決方案的公司。再比如，正當(dāng)所有主機(jī)廠都高舉“小型化-增壓化”的技術(shù)旗幟時，馬自達(dá)提出了“正確化”的概念。在馬自達(dá)工程師的眼里，基于技術(shù)進(jìn)行更新、發(fā)揮設(shè)計潛質(zhì)比一股腦地告別從前更加重要。

Skyactiv-X系列發(fā)動機(jī)便是馬自達(dá)對于“技術(shù)更新”、“設(shè)計潛質(zhì)”的進(jìn)階表達(dá)。它將那個很多主機(jī)廠曾經(jīng)嘗試但悉數(shù)失敗的汽油機(jī)技術(shù)帶進(jìn)了現(xiàn)實——汽油機(jī)壓燃燃燒方式。其實這個概念最早并非由馬自達(dá)提出，我們熟知的柴油機(jī)就是采用了這種燃燒方式，實現(xiàn)了比汽油機(jī)更高的熱效率。曾有幾個主機(jī)廠成功地將這種燃燒方式引入了汽油機(jī)，并制造了原型測試機(jī)，但還沒有人像馬自達(dá)一樣進(jìn)入了量產(chǎn)階段。唯一一個擦邊球還是日產(chǎn)集團(tuán)的VC-Turbo（VariableCompression Ratio）渦輪增壓發(fā)動機(jī)，這一量產(chǎn)機(jī)型并沒有直接采用壓燃技術(shù)，但可變壓縮比設(shè)計的確是邁向壓燃汽油機(jī)的一大步。

馬自達(dá)最終找到了自己的技術(shù)路線，且沒有如日產(chǎn)般復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)。想要讀懂Skyactiv-X的工作方式，我們首先要明確一個關(guān)于汽油機(jī)壓燃方式的概念——均質(zhì)燃燒（HCCI-Homogenous Charge Compression Ignition）。它與當(dāng)下汽油機(jī)采用的點燃式燃燒過程最大的差別為發(fā)火方式。以四沖程機(jī)型為例，HCCI發(fā)動機(jī)在壓縮沖程終了時不再通過火花塞引燃缸內(nèi)燃燒室的做功工質(zhì)，而是通過壓縮沖程產(chǎn)生的壓力和溫度使工質(zhì)自行點燃，因此HCCI發(fā)動機(jī)需要比普通機(jī)型更高的壓縮比。微觀來看，HCCI發(fā)動機(jī)的做功工質(zhì)在達(dá)到點燃臨界條件時發(fā)生了一個“整體性”的燃燒過程，即所有的工質(zhì)幾乎在同一時間發(fā)火燃燒；而普通發(fā)動機(jī)則需要火花塞在恰當(dāng)?shù)臅r刻通電打火，通過一部分工質(zhì)燃燒傳播燃燒點燃剩余部分。這樣一來，均質(zhì)燃燒過程的燃燒更加充分，進(jìn)而發(fā)出更大的功率；而正因為燃燒是瞬態(tài)過程，更大的功率意味著HCCI發(fā)動機(jī)可以使用更高的空燃比，工質(zhì)中的燃料組分更少，因此更加節(jié)能。

但是，HCCI發(fā)動機(jī)對控制系統(tǒng)的要求極高，而且在低轉(zhuǎn)速、低負(fù)荷時的燃燒狀況非常不理想。為此馬自達(dá)提出將點燃式燃燒方式引入Skyactiv-X機(jī)型中，使HCCI發(fā)動機(jī)可以按照不同工況下選擇不同的燃燒方式，雖然這樣一來Skyactiv-X發(fā)動機(jī)會變得頗為復(fù)雜，至少，它需要實現(xiàn)不同模式之間的平穩(wěn)切換。

馬自達(dá)將帶有火花塞的均質(zhì)燃燒方式稱為“SPCCI”（Spark Controlled Compression Ignition，火花塞控制式均質(zhì)燃燒），即在必要時它可以完全實現(xiàn)點燃式燃燒過程，意味著它不再每時每刻都需要HCCI發(fā)動機(jī)的高壓縮比，進(jìn)而避免了如同日產(chǎn)VCTurbo發(fā)動機(jī)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，降低了成本。

那么SPCCI的工作原理是什么？在穩(wěn)定工況下，Skyactiv-X發(fā)動機(jī)的壓縮比為16：1，高于一般缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)大約11：1的比值，但是這一設(shè)定并不能實現(xiàn)汽油工質(zhì)的壓燃式燃燒。另外，為了實現(xiàn)更高效的進(jìn)氣過程，進(jìn)氣沖程中由皮帶帶動的機(jī)械式進(jìn)氣壓縮機(jī)將大量空氣以高速壓入氣缸中，與此同時缸內(nèi)的噴油嘴開啟噴油，由活塞頂形成的燃燒室形狀使缸內(nèi)氣體產(chǎn)生繞流，以實現(xiàn)燃油和空氣的充分混合，形成均質(zhì)工質(zhì)。

隨后在壓縮沖程活塞接近上止點時噴油嘴再次開啟，圍繞火花塞的周圍形成較濃的工質(zhì)。緊接著火花塞在做功沖程點火，首先被點燃的便是這部分較濃工質(zhì)，形成馬自達(dá)所說的“沖擊活塞”，實質(zhì)是能夠快速傳播的火焰前鋒面，同時提升了均質(zhì)工質(zhì)的壓力，起到了類似活塞的作用。在高壓力作用下，均質(zhì)工質(zhì)發(fā)生壓燃式燃燒。

聽起來不難吧？但很難對壓燃式燃燒過程進(jìn)行控制，還要實現(xiàn)穩(wěn)定的燃燒過程，避免爆震或者敲缸（即部分極稀工質(zhì)在整體壓燃之前就進(jìn)行燃燒），因此對控制系統(tǒng)提出了極高的要求。理想的狀態(tài)是均質(zhì)燃燒過程恰好于做功沖程開始，因此需要缸內(nèi)直噴系統(tǒng)有著非常準(zhǔn)確的噴射點。

為了控制燃燒過程，馬自達(dá)在每一缸中都裝配了壓力傳感器，根據(jù)發(fā)動機(jī)的負(fù)載和轉(zhuǎn)速實時對控制點火和噴油時間進(jìn)行閉環(huán)控制。在某些工況，比如高負(fù)載或者高轉(zhuǎn)速時，發(fā)動機(jī)將自動切換為傳統(tǒng)的點燃式燃燒方式，此時，噴油嘴將兩次噴油過程壓縮成為一次。正相反的另一種工況，低負(fù)載或者低轉(zhuǎn)速時，Skyactiv-X發(fā)動機(jī)就采用之前所述的均質(zhì)燃燒過程，以避免不正常燃燒的出現(xiàn)。

Skyactiv-X發(fā)動機(jī)的循環(huán)方式叫做“米勒循環(huán)”，本質(zhì)上是目前 “阿特金森”循環(huán)的機(jī)械增壓版本。阿特金森循環(huán)的實質(zhì)是在壓縮沖程開始后才關(guān)閉進(jìn)氣門，通過進(jìn)氣門晚關(guān)減少當(dāng)次燃燒過程的工質(zhì)量，降低壓縮比。這同樣意味著做功沖程中活塞的行程要大于壓縮沖程，實現(xiàn)了工質(zhì)做功的最大化，取得了更高的經(jīng)濟(jì)性。但不同于阿特金森循環(huán)，米勒循環(huán)強(qiáng)制進(jìn)氣的方式提高進(jìn)氣壓力，減少了低壓縮比帶來的做功損失。

再次回到燃燒過程中。均質(zhì)燃燒方式其實有一個巨大的缺陷，就是燃燒時壓力和溫度過高，外加過剩的氧氣，產(chǎn)生了大量的氮化物NOx。氮氧化物對于環(huán)境有害，因此排放標(biāo)準(zhǔn)中對于這一尾氣的成分有著非常嚴(yán)格的限制，為此HCCI發(fā)動機(jī)需要加裝類似柴油機(jī)的氮氧化物選擇還原裝置。但由于Skyactiv-X發(fā)動機(jī)采用的是SPCCI燃燒方式，大大降低了尾氣中這種成分的含量，便也意味著不再需要這種復(fù)雜的尾氣處理裝置。

HCCI發(fā)動機(jī)另外一個缺陷便是噪音和震動。高壓縮比下的壓燃式燃燒非常劇烈，因此柴油機(jī)才會發(fā)出比汽油機(jī)更惱人的嗒嗒聲。但這在Skyactiv-X發(fā)動機(jī)上不是什么問題，16：1的壓縮比比一般的柴油機(jī)要低，引起噪聲的燃燒過程也更加溫和。事實上，這一壓縮比只比現(xiàn)有的馬自達(dá)發(fā)動機(jī)高一點，在一番隔音材料和緩震隔層的作用下，大有可能無法察覺Skyactiv-X發(fā)動機(jī)有什么不同。

Skyactiv-X發(fā)動機(jī)采用了氣門正時調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，以實現(xiàn)均質(zhì)燃燒和普通點燃燃燒的切換；但沒有采用氣門升程調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，這一功能由進(jìn)氣壓氣機(jī)和高精度噴射裝置進(jìn)行補(bǔ)償。最初開始馬自達(dá)曾嘗試過用現(xiàn)有的ECU控制單元控制Skyactiv-X發(fā)動機(jī)，但發(fā)現(xiàn)如此多的控制變量讓ECU完全過載。另外一個嘗試則是時下時髦的48伏起動機(jī)系統(tǒng)，但隨后被證明并無實質(zhì)性的貢獻(xiàn)。

那么Skyactiv-X發(fā)動機(jī)的特性到底如何？首先，避免了小排量增壓化，Skyactiv-X發(fā)動機(jī)與手動變速器的搭配更加順暢，看來短時間內(nèi)馬自達(dá)還不會放棄它出色的手動變速器；其次，Skyactiv-X發(fā)動機(jī)的高轉(zhuǎn)速經(jīng)濟(jì)性非常出色，比如它在5000轉(zhuǎn)/分鐘的燃油消耗量與3000轉(zhuǎn)/分鐘時幾乎沒有什么不同，因此它可以采用更大的減速齒比，意味著同一變速器速比下扭矩更大，加速感受更加強(qiáng)烈。

第三，Skyactiv-X發(fā)動機(jī)的扭矩只比目前的2升機(jī)提高了20%到30%，注意，這一數(shù)值并非來自實驗室或者測試臺架，而是實機(jī)裝車的測量結(jié)果。至于油耗，馬自達(dá)稱Skyactiv-X發(fā)動機(jī)的油耗好過Skyactiv-D柴油發(fā)動機(jī)。

Skyactiv-X發(fā)動機(jī)預(yù)計將隨新一代馬自達(dá)3在2019年正式亮相。新一代馬自達(dá)3采用了最新的“魂動”設(shè)計語言，具體外形元素可以參考2017年東京車展發(fā)布的Kai Concept“魁”概念車。馬自達(dá)也承認(rèn)Skyactiv-X概念不只是全新一代機(jī)型，更是全新的車型架構(gòu)。比如剛度更高的車身、全新設(shè)計的懸架系統(tǒng)、新輪胎配方、改進(jìn)后的NVH特性還有更舒服的座椅，這一切都為了讓新一代車型在不丟掉馬自達(dá)所強(qiáng)調(diào)的“運(yùn)動感”的同時提高車輛的舒適性。

從實際體驗來看，Skyactiv-X概念確實達(dá)到了它的效果。在短暫的打火聲響之后， SPCCI發(fā)動機(jī)很快回歸了平靜的怠速。仔細(xì)體會，由于怠速時發(fā)動機(jī)由火花塞點燃，怠速的震動和聲響確實有針對性的處理方案，至少目前還是有一些柴油機(jī)的感受，另外新增的機(jī)械式進(jìn)氣壓氣機(jī)也需要隔音處理。不過馬自達(dá)表示新一代機(jī)型最終將會被各種隔音材料包裹，靜音性甚至?xí)眠^目前的Skyactiv-G汽油機(jī)。

Skyactiv-X動力系統(tǒng)開起來非常自然，與現(xiàn)款車型相比，前者的離合器踏板相對更輕，換擋過程也更加順滑，相似點是非常線性的操控感。低負(fù)載時深踩油門，Skyactiv-X發(fā)動機(jī)的響應(yīng)比目前自然進(jìn)氣發(fā)動機(jī)稍有延遲，但差異真的不太明顯。發(fā)動機(jī)的動力對于油門踏板的收放有著積極的反應(yīng)，即便高轉(zhuǎn)速時也沒有太多的拉拽感，高扭矩平臺意味著Skyactiv-X發(fā)動機(jī)在某種程度上與渦輪增壓柴油發(fā)動機(jī)非常相似，但沒有渦輪機(jī)的遲滯效應(yīng)。

為了顯示發(fā)動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)模式，馬自達(dá)的工程師在新一代馬自達(dá)3測試車的中控臺上加裝了顯示發(fā)動機(jī)工況的顯示器。如果對之前的介紹還有印象，便不難理解Skyactiv-X發(fā)動機(jī)主要在SPCCI燃燒方式中運(yùn)轉(zhuǎn)，在低轉(zhuǎn)速、低負(fù)載時則切換為火花塞點火燃燒，其實如果沒有這個顯示器，我很難分辨發(fā)動機(jī)到底處于什么燃燒方式。相比量產(chǎn)發(fā)動機(jī)，用于試駕的早期實驗機(jī)型產(chǎn)生的震動和噪音更大，而且音色也很難稱得上好聽。不過現(xiàn)如今聲音工程神乎其神，做出一些“運(yùn)動”排氣聲響似乎只是分分鐘的事情，為此我毫不擔(dān)心。

由于整個白車身的剛性得到了提高，因此新一代馬自達(dá)3顯得更加精致，車內(nèi)的噪聲水平更低，之前在一些路面上產(chǎn)生的車廂共振已經(jīng)消失不見。搭配Skyactiv-X概念中座椅的新設(shè)計，整個乘坐感受提升了一個檔次，產(chǎn)生了坐在MX5甚至是RX8后續(xù)車型的感覺。

在整個行業(yè)為小排量、渦輪增壓、電動化而轉(zhuǎn)身的時候，這家來自廣島的小眾汽車品牌挺身而出，為人類工程的百年沉淀——內(nèi)燃機(jī)站臺。也許有朝一日，帶著發(fā)動機(jī)汽車已經(jīng)不是主流，但我們依然要佩服馬自達(dá)的勇氣，要感謝它做出的付出。