壓燃“黑科技”

王一鳴

在全世界范圍內，排放法規愈發嚴格，所以大部分廠家為了降低整個產品序列的平均油耗紛紛推出了小排量的渦輪增壓發動機，2.5L、3.0L以上的大排量自然發動機目前在市面上屈指可數。不過一向素有‘技術宅之稱的馬自達絕對是這其中的叛逆者，堅持在自然吸氣的路上尋求突破。國內消費者在昂科賽拉、阿特茲等車型上已經領略到馬自達第一代創馳藍天技術（SkyActive-G）序列下出色的動力和操控性能，而如今它已經進化到了第二代——SkyActive-X。這套動力系統在海外版的馬自達3和CX-30上率先搭載，很快也將引入國內市場，我們今天就來介紹下馬自達這套動力總成的黑科技。

說到SkyActive-X發動機，它的最大特色是采用了一種名為“SPCCI”（Spark Controlled Compssion Ignition火花點火控制壓燃點火）的發動機點火技術。單從結構上看，SPCCI和采用傳統火花塞點燃技術（SI）的發動機并沒有結構性的區別，但是借助更高的壓縮比和精準的點火控制，可以實現均質壓燃（HCCI）和火花塞點燃（SI）之間的無縫切換。傳統汽油機通過火花塞點火，并向整個燃燒室逐步傳遞;而傳統柴油機則通過活塞壓縮混合氣體并突破燃點，同時快速著火。馬自達SkyActive-X發動機結合了汽油機和柴油機的優點，大部分中高轉速情況下，汽油空氣和廢氣的混合氣在燃燒室內均勻燃燒，物質和熱量均勻分布，混合更為充分，燃燒更為徹底，不依靠火焰傳播燃燒速度更加迅速，而且理論上不會發生擴散。在發動機低轉速和低負載情況下，SPCCI可以分別利用CI（壓燃）和SI（點燃）的方式驅動，在復雜多變的環境下精確控制每個燃燒循環中混合氣體的溫度和濃度，這兩種方式可以取長補短，以達到更快的點火時間和更均勻的燃燒。

在自然狀態下，燃燒1kg汽油需要消耗14.7kg空氣，也就是14.7：1的理論值，而馬自達SkyActive-X發動機搭載了一個“高響應空氣供給”模塊，在發動機高負載工況下能夠吸入更多的空氣和廢氣進入氣缸，提高缸壓達成壓燃，所以最大空燃比竟然達到了36.8：1，能夠實現高出理論空燃比2倍以上的超級稀薄燃燒，而且因為空氣和廢氣降低了燃燒溫度，熱傳導損失減少，所以極大地降低了尾氣中的主要污染物——氮氧化物的含量，甚至比普通汽油發動機經過三元催化器凈化過后的含量還要低。但是引燃如此稀薄程度的混合氣難度不小，在常規設計的發動機中會引起失火、爆震甚至頂缸等嚴重情況。而馬自達SKYACTIVE-X發動機的活塞經過特殊設計和強化，盡可能縮小了燃燒室面積，更小的燃燒室意味著更快的點燃速度。當活塞行進到上止點時，火花塞開始點火，混合氣被快速點燃后急劇膨脹，形成一個虛擬活塞，極大提高了壓縮比，剩余混合氣體受到的壓力陡增，最終帶動全部混合氣體被同時壓燃。所以，馬自達SkyActive-X發動機并不是沒有火花塞，而是起到了輔助點火的作用。

從上圖可以看出，火花點火控制壓燃工況（SPCCI）的比例超過了95%，尤其是在500～2500rpm這一常用轉速區間內，壓燃的占比均高于火花塞點燃（SI），這說明馬自達SkyActive-X發動機的燃油經濟性和采用了壓燃技術密不可分，據了解，這套發動機的熱效率已經達到了50%，要知道目前自然吸氣發動機中熱效率最高的是豐田TNGA架構下的2.5L自吸發動機，通過匹配混動系統，也只能達到41%的熱效率。而且每提升1%都可以被稱作是技術的巨大進步，所以說在這一領域，馬自達另辟蹊徑，取得了突破性的革命成果。

另外，當遇到高負荷狀態時，由于壓燃點火無法滿足發動機運行工況時，ECU行車電腦會切換成傳統汽油發動機的火花塞點燃模式，此時混合氣體濃度變高能夠有效被點燃，以此保證全工況下的均衡性，動力損失也不明顯。通過國外對于第一代創馳藍天（SkyActive-G）和第二代創馳藍天（SkyActive-X）發動機的對比測試可以看出（如上圖），無論是綜合還是城市工況下，馬自達SkyActive-X發動機的燃油經濟性相比第一代發動機都有顯著提升，分別提升了14.3%和15.4%。

另外，SkyActive-X發動機還搭載了最高增壓值達0.5Bar的機械增壓器，與傳統機械增壓器為了增強動力不同，SkyActive-X發動機的機械增壓器是為了在高轉速下提供更多進氣，以確保足夠的空燃比和燃燒效率，而在低轉速下由離合器控制，使得機械增壓器可以及時斷開，不會從發動機分走動力，也確保了進氣效率，提升了各個轉速區間內的燃油經濟性。

如右圖所示，借助火花點火控制壓燃（SPCCI）和機械增壓，馬自達SkyActive-X發動機除了燃油經濟性和動力響應得到提升以外，出力也更好，轉矩要比現有的SkyActive-G發動機增大10%～30%。而且燃燒效率提升20%～30%，甚至表現將超越現行SkyActive-D柴油發動機。

不過，由于火花點火控制壓燃技術對于點火系統、活塞和缸體的要求更高，而且對氣溫非常敏感，必須使用精確的閉環燃燒控制和壓力傳感器，另外機械增壓器的采用也對進氣系統提出了更高要求，同時電腦ECU的規格也更為先進，因此采用這套技術的總成本將會比現行汽油發動機要高出不少，不過在大規模投產并普及之后，馬自達SkyActive-X發動機的成本將會降低到一個相對可以接受的范圍之內。

第二代創馳藍天SkyActive-X系列發動機也是全球首部實現商業化的均質壓燃式汽油機，結合了超高空燃比、SPCCI技術和寬域壓燃控制、壓燃點燃無縫切換這一系列黑科技的發動機，在熱效率和油耗方面已經處于汽油發動機的最高水平。