馬自達“SKYACTIV-X”發動機的技術分析

徐凱 高惠東 呂金賀 褚亞旭

（北華大學，吉林 132013）

主題詞：發動機 SKYACTIV-X SPCCI 燃油經濟性 技術分析

前言

“SKYACTIV-X”發動機是日本馬自達公司提出馬自達“SKYACTIV”技術的組成部分之一[1]，核心技術是發動機實現火花塞點火控制壓燃點火技術（Spark Controlled Compression Ignition，SPCCI），有效地結合柴油發動機與汽油發動機的特點，可使汽油燃燒更加充分，動力性能更加強[2-3]，是馬自達獨立研發的全新內燃機，存在多項技術特點及優勢。

1 “SKYACTIV-X”發動機的技術特點

1.1 超高壓縮比

“SKYACTIV-X”發動機采用超高壓縮比對低負載域實現稀薄混合氣的燃燒起重要作用。增大燃燒室內壓力，從而提高燃燒溫度，由此可增大混合氣的熱能，在不易點燃的低負載域使汽油燃料更易被壓燃。提高壓縮比的另一重要作用是可提高理論循環熱效率值。由于“SKYACTIV-X”發動機可在火花塞點火（Spark Ignition，SI）和壓燃點火（Compression Ignition，CI）間無縫切換，理論上點燃式發動機近似為等容加熱循環，發動機循環熱效率和壓縮比之間的關系如式（1）所示：

式中，ηt為發動機循環熱效率；εc為發動機壓縮比；k為等熵指數。

壓燃式發動機近似為混合加熱循環，其燃燒過程視為等容、等壓加熱的組合，發動機熱效率和壓縮比之間的關系如式（2）所示：

式中，ηt為發動機循環熱效率；εc為發動機壓縮比；λp為初始膨脹比；ρ0為壓力升高比；k為等熵指數。

從式（1）和式（2）中可看出成正相關關系，即隨發動機壓縮比增大，發動機循環熱效率也相應升高，進氣條件相同時，相同燃料燃燒所產生的熱量可更多轉化為機械能，提升發動機動力性[4]。普通汽油發動機的壓縮比通常為10:1左右，理論上如果將汽油發動機壓縮比從10:1增加到15:1，熱效率可提升約9%[5]。

馬自達現款的“SKYACTIV-G”汽油發動機是量產的實現14:1的世界最高壓縮比汽油發動機。而新一代“SKYACTIV-X”發動機則達到18:1，其與柴油發動機基本相同。

1.2 稀薄燃燒

在早期超稀薄混合氣研究中，火花塞向混合氣發射火花基本不會被點燃。原因是空燃比過高導致火花塞點燃混合氣后的燃燒效率不足，甚至火花塞無法點燃混合氣。標準條件下完全燃燒1 L汽油需要14.7 L空氣，目前大部分發動機的空燃比在不斷接近14.7:1，以達到理論混合比的燃燒。而稀薄燃燒一般指空燃比在25:1以上，這種燃燒方式的燃燒效率更高，同時更經濟環保。

SKYACTIV-X發動機采用壓燃點火技術，通過膨脹火焰球，再配合活塞上行壓縮混合氣，可穩定產生自燃狀態。來彌補火花塞在稀薄燃燒中的不足，其發動機的空燃比達到36.8:1發動機部分負荷條件下，稀薄燃燒同廢氣再循環(Exhaust Gas Recirculation，EGR)協同工作，發動機有效燃油消耗率從353 g/kW?h減少到320 g/kW?h，提升效果約8%以上。

1.3 SPCCI技術

馬自達利用SPCCI控制火花塞輔助點火的時機在噴射燃料后、活塞到達上止點之前。首先，機械活塞將缸內混合氣進行壓縮，其次火花塞點火生成一個微小膨脹火球，對混合氣進行追加壓縮直至被壓燃。以空氣活塞的形式實現缸內可變壓縮比的功能，對缸內溫度和壓力進行精準控制，促進混合氣進行急速的即時多點型均質燃燒。在高轉速域增加火花塞的點火次數，讓壓燃狀態盡快出現。通過采用壓燃點火方式，實現更為理想的高效燃燒，實現環保性和動力性的高度融合。

火花塞點火輔助還能促進低溫燃燒的出現，有利于在低負載的高轉速區域盡早出現自燃狀態。即發射火花讓混合氣提高溫度，使汽油燃料分子快速擴散，出現低溫氧化反應和隨后出現的低溫藍火焰反應。氣缸內溫度被快速提高，便可快速出現自點火的火焰反應。

“SKYACTIV-X”發動機同時保留SI和CI兩種點火方式，將壓燃點火的區域擴展到全開區域，從而實現SPCCI和SI兩種點火方式間無縫隙切換，使壓燃技術完全可控。

1.3.1 分流噴射

SPCCI技術在進氣沖程和壓縮沖程期間，采用分流噴射的方式，防止高濃度混合氣長時間壓縮而發生異常燃燒。首先，制造低濃度的混合氣，在進氣沖程中噴射進行稀薄燃燒。同時壓縮沖程中，在火花塞周圍進行噴射，制造出用于點燃的混合氣。對燃油混合氣進行不均勻分配，使SPCCI正常工作，同時將混合氣被壓燃所需的時間控制到最少，有效抑制異常燃燒。

1.3.2 搭載可控機械增壓器

理論空燃比SPCCI技術大量使用EGR技術，以減少實際燃燒時燃料和氧氣的用量。具體是按照負載調整EGR的流量，負載越少，EGR流量越大，從理論空燃比SPCCI切換到增加空氣量的稀薄燃燒SPCCI時需要高響應空氣供給的吸氣元件，即可控機械增壓器。當大負荷工況，需要增加進氣量時，機械增壓器接入工作以輔助發動機獲取更多的空氣。當部分負荷工況，進氣量足夠時，機械增壓器不接入工作，此時發動機為自然吸氣形式。

可控機械增壓器可針對不同工況選擇接入狀態，其萬有特性曲線的經濟油耗區域更靠下、更寬泛，大負荷工況下扭矩也相應提高，故可更好滿足部分負荷經濟性和大負荷動力性。

1.3.3 ERG冷卻器

在高壓縮比的基礎上，通過內部EGR的負氣門重疊角（Negative Valve Overlap，NVO）即存在進氣門和排氣門同時關閉的狀態，來實現低負載、低轉速域的壓燃點火。具體為排氣行程活塞到達上止點之前提前關閉排氣門，保留部分殘余廢氣；當活塞向下運動，壓力開始下降時，進氣門開啟。NVO致使高溫氣體封閉在氣缸內，可提高氣缸內溫度。此時向氣缸內噴射燃料，混合氣的高溫可使燃料自燃。

NVO是均質充量壓燃（Homogeneous Charge Compression Ignition，HCCI）[6]中的常見方法。HCCI能夠更好的提升壓縮比和比熱比，使動力更強，熱效率更高。使用可變氣門機構調整NVO出現的時刻，把HCCI擴展到高負載領域主要在于外部冷卻EGR環節。在冷卻EGR環節將燃燒后冷卻過的廢氣導入氣缸，可以抑制過于激烈的自燃，失活的殘余廢氣對抑制壓燃過程中的噪音效果明顯[7-11]，如圖1所示。

1.4 改善燃燒

通過縮短燃燒時間，未燃混合氣處在高溫狀態的時間也會縮短，可在發生爆震前完成正常燃燒，達到避免爆震的效果[12]。

圖1 汽油機EGR冷卻系統原理圖[7]

采用超高壓燃油噴射系統，噴油油壓達到1 000 bar，瞬間對燃油進行汽化、霧化處理，同時產生強烈的湍流，大幅提升點火穩定性和燃燒速度。采用6孔缸內直噴技術，如圖2所示，加強空氣流動、配合高的噴射壓力，改善噴油霧化特性，從而生成均質、流動強的混合氣。采用凹孔活塞，即活塞中心凹陷呈圓臺狀，上開口半徑近活塞頂部半徑的四分之一，如圖3所示。增加燃燒室的容積和混合氣量，在壓縮過程中形成環流[6]，避免在燃料初期火焰接觸活塞頭，使燃燒更加均勻。

圖2 六孔缸內直噴[13]

圖3 凹孔活塞[6]

1.5 降低機械阻力及發動機輕量化

針對內燃機內部有關轉動結構如活塞、連桿、曲軸等進行內部結構輕量化，減輕摩擦，降低機械阻力，可有效優化內燃機響應速度及運行效率[13]。“SKYACTIV-X”發動機針對氣門傳動機構做相應改進，采用滾動從動件使節氣門摩擦力減少50%以上，適當降低活塞環張力使得摩擦力減少38%，使內燃機總的機械阻力減少29%。而對活塞、連桿曲軸等運動部件進行輕量化，如圖4所示，以降低其在發動機工作時產生的運動慣量，其中活塞與活塞銷輕量化減重20%，連桿輕量化減重15%，連桿曲軸主軸頸小型化直徑減少6%，寬度減少8%，最終發動機減重10%[13]。

圖4 SKYACTIVE-X發動機輕量化的運動件[15]

2 “SKYACTIV-X”發動機的優勢

“SKYACTIV-X”發動機兼具汽油發動機和柴油發動機的優勢特征，其對比如表1所示。

表1 “SKYACTIV-X”發動機對比常規汽油發動機及柴油發動機

2.1 輸出性能大幅提升

以2.0 L排量為準，“SKYACTIV-X”發動機與“SKYACTIV-G”發動機相比，在全轉速區域實現最低10%、最高達30%以上的扭矩提升（2017年8月開發過程中的數據）[13]，最大扭矩由202 N?m/4000r/min提升至242.4 N?m/4000r/min，最大功率由116 kW/6400r/min提升至140 kW/6400r/min。

為滿足發動機高轉速低泵氣損失和低機械阻力，升級進排氣機構，更好地保證中、低轉速區域的發動機輸出扭矩，并達到穩定加速至最高轉速，如圖5所示。

2.2 出色的加速響應

通過減小系統零部件的運動慣量，以達到優秀的加速響應性。通過采用全新設計的整體飛輪，經過重新評價整套動力系統的振動衰減設計。飛輪轉動慣量減小18%，質量減少10%，發動機怠速時轉速上升率增加150 r/s，從開始加速至產生0.1 g（重力加速度）的時間減少10 ms，如圖6所示，從而使發動機的加速響應性更加輕快靈敏[14-15]。

圖5 節氣門全開（WOT）時的性能曲線[15]

圖6 響應性改善[15]

“SKYACTIV-X”發動機起步時幾乎無延遲,得益于其極速燃燒，確保車輛快速響應，加速時又能發揮汽油發動機在高轉速下的提速性能。同時，由于節氣門打開的區域寬廣，可發揮出達到無節氣門的柴油發動機所具備的初始響應靈敏的加速性能。

2.3 燃油經濟性大幅提高

以2.0 L排量為準，“SKYACTIV-X”發動機與“SKYACTIV-G”發動機相比，通過超高壓縮比實現高效燃燒，燃油經濟性實現20%～30%的明顯提升，綜合工況油耗由6.40 L/100km降至4.58 L/100km，如圖7所示。“SKYACTIV-X”發動機與2008年非搭載SKYACTIV技術的MZR發動機相比，燃油消耗率改善幅度達35%～45%，達到與“SKYACTIV-D”柴油發動機同等或以上的燃油經濟性。此外，其燃燒效率也大幅提升，在低速行駛頻率較高的地區，通過超稀薄燃燒提升30%左右的燃燒效率。從1 000 r/min～5 000 r/min都屬于發動機的經濟轉速區間，適應范圍更廣[16-17]。

圖7 燃油消耗量[15]

3 結論

“SKYACTIV-X”發動機將燃油經濟性和動力響應作為主要升級方向。通過借鑒柴油發動機壓燃點火工作方式來提高空燃比，利用火花塞控制點火時刻。SPCCI技術是一套極為精密的綜合性燃燒控制系統，由超高壓燃油噴射系統、EGR冷卻器、可控機械增壓等構成。能夠在SI和CI兩種點火方式間無縫切換，無需復雜的可變氣門及可變壓縮比結構。繼承汽油發動機動力可擴展性好，排氣凈化的優點，又結合柴油發動機燃效高，響應快，扭矩大的特性。“SKYACTIVE-X”發動機較“SKYACTIV-G”發動機相比其燃油經濟性提升20%～30%，全速域扭矩提升10～30%。

針對燃油經濟性和動力性，“SKYACTIV-X”發動機取得多項關鍵技術上的突破。為提高燃油經濟性，采用稀薄燃燒；為實現稀薄燃燒，采用壓燃點火；為壓燃點火可控且滿足不同工況需求，采用SPCCI技術。欲全面論證“SKYACTIV-X”發動機的可靠性，尚需在以下幾個方面開展深入研究：

（1）由于傳統柴油壓燃發動機的低溫啟動性不如汽油發動機，對于“SKYACTIV-X”發動機，工作在壓燃狀態也需保持在一定溫度內。例如在中國東北地區冬季氣溫寒冷的條件下，“SKYACTIV-X”發動機的低溫啟動問題。

（2）由于“SKYACTIV-X”發動機的SPCCI技術搭載可控機械增壓器。其主要目的是提高進氣量，工作范圍不是全程介入，而是滿足進氣量便停止工作。雖然和其它機械增壓發動機的目的及作用不同，但其仍屬于機械增壓發動機。故“SKYACTIV-X”機械增壓發動機相比其他增壓發動機在使用要求及維修成本上是否有較明顯的區別？以及采用機械增壓器對油耗方面產生的影響。

（3）由于“SKYACTIV-X”發動機采用了高壓縮比，且由火花塞先點燃而后壓燃，易在氣缸內引起的爆震，這款發動機能否有良好的NVH表現或通過調整軟件的方式來降低噪音仍需做進一步研究。

（4）采用超高壓縮比的“SKYACTIV-X”發動機能否適應中國油品質量，仍需近一步研究。