馬自達創馳藍天X發動機SPCCI技術與M-HYBRID 輕混動力系統解析(一)

◆文/江蘇 高惠民

一、SKYACTIV-X發動機的客戶價值

“ZOOM-ZOOM”原本是兒童模仿發動機轟鳴的聲音。而對于有一個汽車公司來說“ZOOM-ZOOM”，代表了企業的品牌精髓，它就是馬自達汽車的品牌所在。馬自達在ZOOM-ZOOM可持續發展宣言2030中，將實現美麗地球、人心豐盈的社會形態為己任,通過持續汽車產品的本位價值，不斷追求能夠實現用戶身心愉悅的探索和努力，圖1所示為馬自達對“人、地球、社會”深刻理解。

圖1 馬自達“人、地球、社會”意義內涵

在電氣化進程不斷被各個汽車廠商宣揚的今天，馬自達不同于其他汽車企業環境保護思想，即以“從油箱到車輛駕駛(tankto-wheel)”的二氧化碳排放評估體系，而是倡導通過“從燃料開采到車輛駕駛(well-to-wheel)”的二氧化碳排放評估體系，綜合性地削減燃油在開采、提煉、制造運輸環節的全過程中產生的二氧化碳總量。圖2所示為車輛的兩種二氧化碳評估方法示意圖。

圖2 二氧化碳排放評估方法示意圖

以電能為例，如果電能來源是火電(燃煤)，那么在整個環節中，二氧化碳排放總量是否真的比單獨內燃機驅動要環保嗎?為此馬自達調研結論是：以“從燃料開采到車輛駕駛(well-towheel)”的二氧化碳的環保視角，換算成綜合二氧化碳排放量，電動車是128g/100km，而搭載創馳藍天發動機的馬自達車是142g/km。馬自達只需實現10%左右的改善，即可到達與電動車相媲美的環保標準。于是馬自達執著地對內燃機的潛力進行挖掘，研發出了一款逆天的創馳藍天X發動機(SKYACTIV-X發動機)，為全球范圍內實現汽油發動機壓燃點火的量產應用開創了先河(現已應用于MAZDA CX-3和MAZDA3 CX昂克賽拉兩款車型中)。如果按照不同的發電方式來換算，電動汽車是通過煤炭或石油發電來產生電力的話，而搭載馬自達SKYACTIV-X發動機的環保性能已經超越了電動汽車。SKYACTIV-X發動機與上一代SKYACTIV發動機以及發電廠的二氧化碳排放量相比如圖3所示。這就更加證實了內燃機專家堅信的“在未來很多年里，內燃式發動機仍將為全球大多數汽車提供動力，并且能夠為減少二氧化碳排放做出最大貢獻，未來內燃式發動機占轎車新車銷售量的比例如圖4所示。

圖3 SKYACTIV-X發動機二氧化碳排放量比較圖

圖4 未來內燃式發動機占轎車新車銷售量的比例圖

SKYACTIV-X發動機是馬自達提出創馳藍天技的第二代高熱效率汽油發動機(第一代是SKYACTIV-G汽油發動機和SKYACTIV-D 柴油發動機)，核心技術是汽油發動機實現火花塞點火控制壓燃點火技術(Spark ControlledCompressionIgnition，SPCCI)，有效地結合柴油發動機與汽油發動機的特點(圖5)，可使汽油燃燒更加充分、熱效率更高、動力性能更加強。

圖5 火花塞點火控制壓燃點火技術(SPCCI)特點

1.輸出性能得到了顯著提升

出色的初始響應能力(高扭矩)以及高轉速下的延展性(出色的加速性能)。很多車輛尤其是小排量渦輪增壓發動機，油門-速度往往有時滯，油門踩下去要停頓個0.5～1s車才有加速度，這個就是渦輪遲滯效應。SKYACTIV-X發動機有先天優勢，其動力調節和柴油機類似，節氣門保持全開狀態，空氣吸入沒有阻力，動力大小由燃油噴射量決定，油門踏板深踩后，燃油噴射量即可瞬間增加，就可以極大提高加速響應性(圖6)。

圖6 SKYACTIV-X發動機加速響應性示意圖

2.燃油經濟性得到了顯著提升

由于提高了熱效率(15∶1幾何壓縮比，36∶1的超稀薄空燃比，壓燃點火,)，在所有路況下駕駛(從城市道路到高速公路)，都可以保持良好的燃油經濟性。發動機實際工況是很復雜的，不能只看某一點的極限熱效率，更要關注低油耗區域的范圍大小，目前市面上的發動機應對排放和油耗的對策為減小發動機排量+渦輪，以提高在NEDC工況下的燃油經濟性，由于此對策的油耗最佳區域較為狹窄，在該區域之外燃油經濟性迅速下降，尤其在實際行駛工況或者最新的WLTP工況下油耗表現一般。

廣域的燃油經濟性區域意味著變速器匹配時不再局限于升擋降低發動機轉速來保證高效的燃油經濟性。如圖7所示，正常發動機巡航在A點2200r/min，變速器在最高擋位，對于SKYACTIV-X發動機來說，可以把巡航工況設計到B點3000r/min，變速器不在最高擋位，在油門急加速時，SKYACTIV-X發動機不需要降擋直接提高扭矩，從而獲得更快速更直接的響應，極大的提高了駕駛性。體現了車輛出色的速度動力性、燃油經濟性和排放環保性。如圖8所示，馬自達SKYACTIV-G和SKYACTIV-D與SKYACTIV-X在扭矩、功率和油耗對比。以2.0L排量為例，“SKYACTIV-X”發動機與“SKYACTIV-G”發動機相比，燃油經濟性實現20%～30%的明顯提升，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%，SKYACTIV-X發動機達到與“SKYACTIV-D”柴油發動機同等或以上的燃油經濟性。

圖7 SKYACTIV-X發動機更大的燃油效率范圍圖

圖8 SKYACTIV-X發動機在扭矩、功率和油耗對比圖

3.實現了車內的靜謐性

SPCCI火花塞點火控制壓燃點火技術燃燒功率大，振動大，發動機噪聲大，帶來駕駛座艙噪聲大。為了減少這些噪聲，采用M-HYBRID(輕混合動力系統)的ISG(集成啟動/發電一體機)安靜的發動機啟停(IR)操作以及膠囊型結構的發動機艙NVH設計(雙層發動機倉蓋)，可以吸收壓燃發動機的噪音和振動，如圖9所示。

圖9 SKYACTIV-X發動機艙降低NVH的設計

二、HCCI汽油機燃燒的基本理論

一百多年以來，點燃式(SI)汽油機經歷了從化油器到缸內直噴和分層燃燒不斷地改進，最好軟噴射型分層燃燒缸內直噴點燃式汽油機在部分負荷工況的有效熱效率已可達到同排量柴油的機的水平，但其指示熱效率仍低于柴油機。汽油機指示熱效率低于柴油機是由于它的燃燒方式所造成的。為了使混合汽能夠被點燃，火焰能夠傳播，混合汽的空燃比必須限制在一定范圍；同時，為了避免火焰前鋒面前面的未燃混合汽突然發生大范圍自燃，產生爆燃，汽油機的壓縮比受到限制。這兩個限制都影響了汽油機的熱效率。從21世紀開始，一種全新的燃燒方式，均質壓燃(HCCI,Homogene?ous-Charge Compression-Ignition)被提出，并受到世界上幾乎所有主要汽車公司和發動機研究機構的注意，并先后開始進行研發。從表面上看，HCCI發動機是SI汽油機和CI柴油機的結合，它像汽油機一樣采用預混合的均勻混合汽，又像柴油機一樣利用壓縮過程產生的熱使混合汽自燃，不需要使用火花塞來點燃。而實際上HCCI的燃燒過程與點燃式汽油機以及柴油機的燃燒過程都不同。汽油機和柴油機的燃燒都是擴散燃燒過程。如圖10所示，汽油機主要依靠熱擴散來實現火焰傳播，柴油機的主燃燒過程是依靠燃油蒸氣和氧氣的擴散現象使油氣相遇產生化學反應。

圖10 汽油機和柴油機擴散燃燒示意圖

在上述的這兩種燃燒過程中，燃燒室內工質物理量在空間的分布是不均勻的，因而發生熱擴散或物質擴散現象。而理想的HCCI是在整個燃燒室內同時發生的燃燒過程，在燃燒過程中工質物理量在空間的分布是均勻的，僅隨時間變化。因此，HCCI在理論上不存在擴散現象，是屬于非擴散的燃燒過程。圖11生動描繪了HCCI燃燒過程和SI燃燒過程的大致特點。

圖11 HCCI燃燒過程和SI燃燒過程特點的比喻示意圖

如果將燃燒放熱過程比喻成收獲的場景，那么在火花點火燃燒模式下,火焰傳播過程就像人們協調有序地排成一行進行收割，將田地劃分為已收割(已燃)區域和未收割(未燃)區域。與之不同，HCCI的放熱就好比人們散布于整片田地而不是排成一行,這樣莊稼(能量)收割更迅速。因此，HCCI燃燒的放熱過程大大快于傳統SI燃燒。這種放熱更接近等容放熱過程,如圖12所示均質壓燃汽油機與傳統汽油機的缸內壓力變化曲線比較。

圖12 均質壓燃汽油機與傳統汽油機的缸內壓力變化曲線比較

HCCI燃燒放熱特性與SI燃燒放熱特性對比如圖13所示(1bar=100kPa)。在SI燃燒模式下，有一條狹窄的反應區域，或者稱為火焰前鋒面，將缸內工質分為已燃和未燃兩個區域，放熱僅在這個狹窄的反應區內進行。因此，SI燃燒的累積放熱量就是反應區域內一定質量工質dmi的放熱總和。

圖13 HCCI燃燒放熱特性與SI燃燒放熱特性對圖

理想HCCI燃燒過程中，燃燒在整個汽缸內同時發生,在燃燒進行的某一瞬時缸內所有混合汽體都將參與放熱。因此，HCCI燃燒的累積放熱量則應該是混合汽總量m在各個燃燒反應dqi中所釋放熱量的累加。但是，由于實際發動機中混合汽成分分布和溫度分布達不到絕對的均勻，放熱也不能在整個混合汽中均勻進行。缺乏稀釋和/或溫度較高的區域放熱較快，導致放熱不均勻.其放熱曲線如圖中虛線所示。

HCCI過程和汽油機的爆燃過程有很多相似之處。也可以說,HCCI就是一種爆燃。但是，由于單位質量未燃混合汽所含化學能的數量不同，這兩種燃燒對發動機的影響不同。點燃式汽油機的混合汽接近當量空燃比，其過量空氣系數受到火焰傳播的限制，一般不能大于1.5。在爆燃時由于單位質量混合汽釋放出大量的熱能會造成高溫燃氣強烈的壓力波動，除了產生噪聲和振動外還會使缸壁間的傳熱增加，使汽油機過熱，造成拉缸等損害。而HCCI汽油機的混合汽需要用過量空氣或大量的殘余廢氣進行稀釋。如果殘余廢氣系數不顯著增加，HHCI混合汽的過量空氣系數必須大于2才能控制氮氧化物的生成及燃燒的粗暴性。因此在HCCI燃燒過程中單位質量混合汽所具有的化學能較少，并不一定造成缸內燃氣的壓力高頻波動。由于燃氣溫度較低，也不至造成汽油機的過熱和拉缸等損害。因此，HCCI汽油機不再受到爆燃的限制，可以提高壓縮比，混合汽的空燃比不再受到混合汽點燃和火焰傳播要求的限制。可以采用比SI燃燒稀薄得多的混合汽，混合汽濃度與發動機著火如圖14所示。

圖14 混合汽濃度與發動機著火示意圖

因為釆用超稀薄混合汽或更充分的廢氣稀釋，降低了燃燒溫度，提高了工質的比熱比，混合汽濃度對比熱比的影響如圖15所示，使汽油機的熱效率和燃油經濟性得到極大的提高。氮氧化物(NOx)的生成受到抑制，減輕了排氣后處理的困難。另外，HCCI燃燒可以在取消節氣門的情況下實現部分負荷運轉，消除了傳統SI燃燒中節氣門部分開啟造成節流的泵氣損失。綜上所述，HCCI燃燒能有效改善汽油機熱效率低的問題，即壓縮比低、比熱比低、泵氣損失大、燃燒等容度低以及循環波動率高。但是，相比于SI汽油機，HCCI汽油機燃燒也存在兩大限制區域如圖16所示。

圖15 混合汽濃度對比熱比的影響

圖16 HCCI汽油機燃燒存在兩大限制區域示意圖

高負荷下受爆震或劇烈燃燒現象限制，而低負荷下則受不完全燃燒或失火的限制。比如在低轉速、低負荷下，汽缸內溫度不夠導致未能壓燃；在低負荷高轉速下由于燃料太少，發生壓燃反應的時間不夠而失火；在高轉速高負荷下又難以穩定的燃燒，容易爆震。外界環境溫度從-35℃到90℃的變化，大氣壓從海平面100kPa到海拔5000m的0.6kPa的變化，都會讓HCCI的工作范圍縮小。為了應對時時刻刻的環境變化，控制汽油HCCI著火和燃燒的原則是混合汽溫度、濃度和組分協同控制。于是，馬自達另辟途徑，獨自研發了具有專利技術的SPCCI(Spark Controlled Compression Ignition:火花控制壓縮點火)燃燒的SKYACTIV-X型發動機。并投入量產與商品化。

(未完待續)