高壓縮比的秘密 拆創(chuàng)馳藍(lán)天2.0L發(fā)動(dòng)機(jī)

發(fā)動(dòng)機(jī)基本信息

馬自達(dá)曾經(jīng)依靠轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)闖出了一片天地。在那些難忘的日子里，轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)承載著馬自達(dá)的夢(mèng)想，在勒芒取得了驕人的成績(jī)。然而，隨著時(shí)間的推移，馬自達(dá)的轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)失去了它的榮耀（查成交價(jià)|參配|優(yōu)惠政策），它再也沒(méi)能拿出震驚世界的技術(shù)。就在人們?yōu)橹畤@息的時(shí)候，馬自達(dá)在2010年展出了創(chuàng)馳藍(lán)天的設(shè)計(jì)理念。作為這一概念最重要的部分——?jiǎng)恿偝桑钡浇裉欤匀槐辉S多謎團(tuán)所包圍。壓縮比是多少？電動(dòng)VVT的結(jié)構(gòu)是什么？獨(dú)特的4-2-1排氣歧管會(huì)影響排放嗎？所有這些問(wèn)題都縈繞在我們心中。今天，我們終于有機(jī)會(huì)撥開(kāi)這層迷霧了！沒(méi)錯(cuò)！我們要做的就是拆一臺(tái)創(chuàng)馳藍(lán)天發(fā)動(dòng)機(jī)！

●轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)之王馬自達(dá)的鳳凰涅槃

這段馬自達(dá)無(wú)情拋棄壽命極短的轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的歷史，成為了贏得勒芒24小時(shí)耐力賽冠軍的動(dòng)力源泉，為汽車(chē)發(fā)展史增添了濃墨重彩的一筆。

馬自達(dá)轉(zhuǎn)子之父山本健一和被稱(chēng)為“轉(zhuǎn)子47壯士”的47位工程師提出的“技術(shù)永遠(yuǎn)是創(chuàng)新”的口號(hào)，一直是馬自達(dá)的生存之道。

2021年年中，馬自達(dá)總統(tǒng)山野隆志宣布將結(jié)束RX-8的使命，這也意味著轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)只會(huì)繼續(xù)作為馬自達(dá)的精神象征。在當(dāng)今競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)中，沒(méi)有“核心”技術(shù)的車(chē)企很難生存。因此，全新的創(chuàng)馳藍(lán)天技術(shù)挑起了“技術(shù)馬自達(dá)”的大旗，想要延續(xù)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)代的輝煌。

●我們即將拆解的2.0L創(chuàng)馳藍(lán)天汽油發(fā)動(dòng)機(jī)

為了進(jìn)一步了解創(chuàng)馳藍(lán)天的動(dòng)力總成技術(shù)，我們打算拆解一臺(tái)2.0L創(chuàng)馳藍(lán)天汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)在中國(guó)長(zhǎng)安馬自達(dá)南京工廠制造。據(jù)長(zhǎng)安馬自達(dá)工程師介紹，這款發(fā)動(dòng)機(jī)的國(guó)產(chǎn)化率在60%左右。其中，進(jìn)氣門(mén)電控可變氣門(mén)正時(shí)系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)、高壓燃油噴射系統(tǒng)、缸體、缸蓋、活塞和火花塞等仍暫時(shí)使用進(jìn)口零部件。

●發(fā)動(dòng)機(jī)“動(dòng)態(tài)壓縮比”分析

為了便于本文對(duì)創(chuàng)馳藍(lán)天發(fā)動(dòng)機(jī)的分析，除非另有說(shuō)明，文中提到的“壓縮比”是指“動(dòng)態(tài)壓縮比”。

下面分析奧托循環(huán)和米勒循環(huán)的時(shí)候提到了膨脹比，我們先來(lái)看看。發(fā)動(dòng)機(jī)的膨脹比在數(shù)值上等于幾何壓縮比，是指最大氣缸容積與燃燒室容積之比。

●發(fā)動(dòng)機(jī)基本信息

代號(hào)為PE-VPR的2.0L直列四缸自然吸氣缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)雖然沒(méi)有突出的動(dòng)力參數(shù)，但其動(dòng)力輸出不及1.6L渦輪增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)。但低速時(shí)的油耗率相比同類(lèi)型的2.0L直噴自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)和小排量渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)有一定的優(yōu)勢(shì)。

在相同排量、相同進(jìn)氣/供油的情況下，與日產(chǎn)MR20DD發(fā)動(dòng)機(jī)相比，馬自達(dá)PE-VPR發(fā)動(dòng)機(jī)在動(dòng)力和扭矩輸出方面更具優(yōu)勢(shì)。與采用渦輪增壓直噴技術(shù)的福特1.6L EcoBoost發(fā)動(dòng)機(jī)和大眾1.4T EA211發(fā)動(dòng)機(jī)相比，馬自達(dá)PE-VPR發(fā)動(dòng)機(jī)在扭矩輸出參數(shù)上遜色不少。

如何實(shí)現(xiàn)13:1超高壓縮比

●分析創(chuàng)馳藍(lán)天汽油機(jī)13:1超高壓縮比的由來(lái)。

大多數(shù)歐美廠商更傾向于發(fā)動(dòng)機(jī)小型化，采用渦輪增壓和直噴技術(shù)，使得發(fā)動(dòng)機(jī)在增強(qiáng)動(dòng)力的同時(shí)擁有更好的油耗表現(xiàn)。對(duì)此，馬自達(dá)中國(guó)技術(shù)中心董事總經(jīng)理、副總裁Kazuo水野彩香先生認(rèn)為，發(fā)動(dòng)機(jī)的線性動(dòng)力輸出特性是馬自達(dá)一直堅(jiān)持的技術(shù)取向，而渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)很難達(dá)到完美的線性輸出特性，渦輪增壓技術(shù)也不是全新的技術(shù)。相比之下，95號(hào)汽油14:1的超高壓減速比才是真正的創(chuàng)新。

如何用普通汽油實(shí)現(xiàn)高壓縮比？

一般來(lái)說(shuō)，壓縮比較高的發(fā)動(dòng)機(jī)必須使用辛烷值較高的汽油，以避免發(fā)動(dòng)機(jī)爆震引起的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)和功率下降。但是用國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的92號(hào)和95號(hào)汽油達(dá)到13:1的超高壓縮比，似乎有點(diǎn)違背科學(xué)。馬自達(dá)是怎么做到的？讓我們?cè)敿?xì)解釋一下。

國(guó)產(chǎn)創(chuàng)馳藍(lán)天汽油機(jī)實(shí)現(xiàn)了高負(fù)荷工況下壓縮比為13的奧托循環(huán)。但部分負(fù)荷區(qū)采用米勒循環(huán)。

奧托循環(huán)是一種發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)，是定容加熱的理想熱力循環(huán)。它的顯著特點(diǎn)是壓縮比等于膨脹率。米勒循環(huán)是膨脹/壓縮比不等的發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力循環(huán)。由于膨脹比大于壓縮比，可以更好地利用燃燒后廢氣中仍然存在的高壓，燃油效率高于奧托循環(huán)。然而，米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的低扭矩輸出和高速爆發(fā)力不如奧托循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。因此，部分混動(dòng)車(chē)型多采用米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，用電動(dòng)機(jī)來(lái)彌補(bǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)特性的不足，使整個(gè)混動(dòng)動(dòng)力總成運(yùn)行更加平穩(wěn)，具有更好的動(dòng)力輸出特性。

對(duì)于馬自達(dá)創(chuàng)馳藍(lán)天發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，用普通汽油實(shí)現(xiàn)13:1的超高壓縮比的關(guān)鍵是在高負(fù)荷區(qū)實(shí)現(xiàn)壓縮比為13的奧托循環(huán)。至于如何實(shí)現(xiàn)，請(qǐng)繼續(xù)往下看。

如何快速準(zhǔn)確地控制壓縮比；

由于實(shí)際壓縮比在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作過(guò)程中是不斷變化的，發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算機(jī)如何精確控制？利用可變氣門(mén)正時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣門(mén)延遲關(guān)閉可以改變實(shí)際壓縮比，但現(xiàn)在廣泛使用的可變氣門(mén)正時(shí)系統(tǒng)是基于油壓的。油壓的建立和穩(wěn)定取決于油溫和發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)的工作狀況。為了更好地“馴服”高壓縮比的猛獸，馬自達(dá)找到了電裝公司，引進(jìn)了電動(dòng)閥相位調(diào)節(jié)器。

這樣，依靠電機(jī)來(lái)控制閥門(mén)相位，可以避免液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)的缺點(diǎn)，并且可以快速穩(wěn)定地控制閥門(mén)角度。

上圖中，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣凸輪軸上的行星齒輪減速機(jī)構(gòu)，可以快速準(zhǔn)確地控制進(jìn)氣凸輪軸的正時(shí)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)模式切換。之所以采用行星齒輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行減速，是因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)具有速度快、輸出扭矩相對(duì)較低的特點(diǎn)。如果直接用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)凸輪軸，很可能會(huì)因步進(jìn)電機(jī)輸出扭矩不足而導(dǎo)致“失步”，無(wú)法實(shí)現(xiàn)氣門(mén)正時(shí)的精確調(diào)整。

采用這種電機(jī)控制的VVT系統(tǒng)后，進(jìn)氣側(cè)的VVT機(jī)構(gòu)不再需要傳統(tǒng)液壓控制VVT系統(tǒng)設(shè)置在缸蓋上的油路，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)潔。在下面的拆卸過(guò)程中，我們可以看到控制進(jìn)氣門(mén)正時(shí)的步進(jìn)電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

獨(dú)特的4-2-1排氣歧管

●獨(dú)特的4-2-1排氣歧管

之后，創(chuàng)馳藍(lán)天汽油機(jī)的氣門(mén)正時(shí)機(jī)構(gòu)如何實(shí)現(xiàn)奧托循環(huán)和米勒循環(huán)的切換。接下來(lái)，我們將研究當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到13:1的超高壓縮比時(shí)，如何盡可能避免爆震。秘密在于一個(gè)叫做“4-2-1排氣歧管”的部件。4-2-1排氣歧管在民用車(chē)中似乎說(shuō)的不多，但在改裝車(chē)中卻是常見(jiàn)的技術(shù)。最顯著的效果是抑制排氣干擾，提高氣缸的排氣效率，增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)的低速扭矩輸出。

從上圖可以看出，如果使用4-1排氣歧管，在2000-8000rpm的工作范圍內(nèi)，排氣沖程相鄰的兩個(gè)氣缸的排氣壓力會(huì)相互干擾，導(dǎo)致廢氣殘留增加，氣缸溫度升高，高溫會(huì)導(dǎo)致空燃比提前點(diǎn)火，導(dǎo)致爆震。4-2-1排氣歧管可以避免上述干涉現(xiàn)象，從而緩解發(fā)動(dòng)機(jī)爆震現(xiàn)象。

為了增強(qiáng)掃氣效果，發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣門(mén)和排氣門(mén)的重疊角需要足夠大，以在燃燒后排出廢氣。然而，當(dāng)進(jìn)氣門(mén)和排氣門(mén)的重疊角增加并且出現(xiàn)排氣干擾時(shí)，不能保證良好的掃氣效果。因?yàn)閬?lái)自其他氣缸的排氣高壓波會(huì)影響相鄰氣缸的排氣節(jié)奏，增加爆震概率。上面提到的4-2-1排氣歧管可以很好地解決排氣干擾問(wèn)題，從而使得與普通汽油實(shí)現(xiàn)13:1的超高壓縮比成為可能。

“氣門(mén)重疊角是當(dāng)進(jìn)氣門(mén)和排氣門(mén)同時(shí)打開(kāi)時(shí)，曲軸在排氣沖程結(jié)束時(shí)旋轉(zhuǎn)的角度”

值得注意的是，在以往采用歧管?chē)娚涞淖匀晃鼩獍l(fā)動(dòng)機(jī)中，如果進(jìn)氣門(mén)和排氣門(mén)的重疊角設(shè)置過(guò)大，氣門(mén)正時(shí)設(shè)置不合理，在掃氣過(guò)程中，含有汽油的新鮮混合氣會(huì)白白進(jìn)入排氣歧管，增加油耗。馬自達(dá)創(chuàng)馳藍(lán)天汽油機(jī)是直噴式發(fā)動(dòng)機(jī)，燃油噴射發(fā)生在發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮沖程。也就是說(shuō)，排氣沖程中用來(lái)“掃氣”的是來(lái)自進(jìn)氣門(mén)的取之不盡的新鮮空氣體！因此，馬自達(dá)在設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門(mén)重疊角時(shí)，只需要保證“掃氣效果”，而不考慮燃油的浪費(fèi)。

4-2-1排氣歧管的缺點(diǎn):

解決了13:1的高壓縮比問(wèn)題，現(xiàn)在來(lái)討論排放問(wèn)題。汽車(chē)上的三元催化轉(zhuǎn)化器必須達(dá)到400-800℃，才能高效地將汽車(chē)尾氣轉(zhuǎn)化為環(huán)保氣體。因此，如何在暖機(jī)工況下使三元催化轉(zhuǎn)化器快速升溫，降低尾氣排放，是所有汽油機(jī)必須考慮的問(wèn)題。

創(chuàng)馳藍(lán)田汽油機(jī)現(xiàn)已達(dá)到歐六排放標(biāo)準(zhǔn)。但發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管過(guò)長(zhǎng)，必然導(dǎo)致三元催化轉(zhuǎn)化器升溫緩慢。工程師在冷車(chē)怠速階段采用了排氣溫度較高的奧托循環(huán)，延遲了點(diǎn)火時(shí)間，提高了怠速，保證了三元催化轉(zhuǎn)化器能夠快速達(dá)到最佳工作溫度，降低了排放。顯然，這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)在冷車(chē)怠速階段的油耗會(huì)相對(duì)較高。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)最高排放能達(dá)到什么標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題，日本工程師沒(méi)有給出確切的答復(fù)。

據(jù)編輯介紹，鑒于創(chuàng)馳藍(lán)天發(fā)動(dòng)機(jī)4-2-1排氣歧管相對(duì)較長(zhǎng)的固有特點(diǎn)，不可能像一些新發(fā)動(dòng)機(jī)那樣在預(yù)熱工況下采用排氣歧管附近的三元催化轉(zhuǎn)化器來(lái)提高排放標(biāo)準(zhǔn)。為了進(jìn)一步減少暖機(jī)條件下的HC排放，馬自達(dá)只能尋求新的催化轉(zhuǎn)化器或其他技術(shù)手段。歐七排放標(biāo)準(zhǔn)預(yù)計(jì)在2018-2021年實(shí)施。我們將拭目以待，看看馬自達(dá)能采取什么對(duì)策！

拆解排氣管/VVT電機(jī)/高壓油泵

●發(fā)動(dòng)機(jī)的拆卸

“只說(shuō)不練假姿勢(shì)，只練傻乎乎的姿勢(shì)，甚至說(shuō)什么姿勢(shì)都練”。前面我們講解了如何實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)2.0L創(chuàng)馳藍(lán)天汽油機(jī)13:1的高壓縮比以及4-2-1排氣歧管的功能。接下來(lái)，我們將徹底拆解真實(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)，通過(guò)真實(shí)的事情進(jìn)一步了解這款特殊的創(chuàng)馳藍(lán)天汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。

拆解4-2-1排氣歧管/進(jìn)氣VVT電機(jī)/高壓汽油泵:

4-2-1排氣歧管和進(jìn)氣VVT馬達(dá)是這臺(tái)2.0L發(fā)動(dòng)機(jī)最特殊的兩個(gè)部件。在拆卸的過(guò)程中，我們首先要注意這兩個(gè)部分。

更多精彩視頻，均在車(chē)載家庭視頻頻道。

“創(chuàng)馳藍(lán)天發(fā)動(dòng)機(jī)視頻分析，3分32秒是排氣干擾分析，4分24秒是掃氣效果分析”

編輯摘要:

現(xiàn)在市場(chǎng)上，像創(chuàng)馳藍(lán)天汽油機(jī)那樣用電機(jī)來(lái)調(diào)節(jié)氣門(mén)正時(shí)的還是很少見(jiàn)的。用電動(dòng)機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)液壓調(diào)節(jié)氣門(mén)正時(shí)的方法，可能你我都想過(guò)，但直到近幾年才投入實(shí)際使用，我認(rèn)為是步進(jìn)電機(jī)小型化和電控技術(shù)共同進(jìn)步的結(jié)果。與氣門(mén)正時(shí)調(diào)節(jié)電機(jī)相比，4-2-1排氣歧管對(duì)于實(shí)現(xiàn)13:1的超高壓縮比更為重要。因?yàn)榕艢飧缮娆F(xiàn)象是實(shí)現(xiàn)高壓縮比的死敵，只有4-2-1排氣歧管才能解決這個(gè)問(wèn)題。

拆解噴油嘴/配氣機(jī)構(gòu)

分解噴油器/氣門(mén)機(jī)構(gòu):

我們拆解的2.0L創(chuàng)馳藍(lán)天汽油發(fā)動(dòng)機(jī)采用高壓缸內(nèi)直噴技術(shù)，噴射壓力可高達(dá)206Bar。缸內(nèi)直噴是指燃油噴嘴安裝在氣缸內(nèi)，燃油在高壓下直接噴入氣缸與進(jìn)氣混合，使燃油霧化更細(xì)致，燃燒效率更高。此外，該發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣門(mén)采用了電機(jī)控制的VVT系統(tǒng)。電機(jī)的旋轉(zhuǎn)可以通過(guò)行星齒輪減速和扭矩增加快速準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)進(jìn)氣門(mén)正時(shí)，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)各種工作循環(huán)的快速切換。

編輯摘要:

對(duì)于直噴發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，使用多孔噴嘴并不是什么新鮮事。大多數(shù)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)都使用這種噴嘴，區(qū)別僅在于孔的數(shù)量和噴射角度。這款創(chuàng)馳藍(lán)天汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的特別之處在于凸起的頂部活塞，上面有深坑。由于凸形活塞頂部向上凸起，燃燒室容積減小，壓縮比增大。活塞頂部的凹坑可以使燃油噴射在火花塞附近形成層狀混合氣體，有助于穩(wěn)定燃燒。此外，活塞頂上的凹坑也解決了燃燒初期火焰與活塞頂接觸造成的冷卻損失問(wèn)題。

拆解潤(rùn)滑系統(tǒng)/曲軸連桿機(jī)構(gòu)

分解潤(rùn)滑系統(tǒng)/曲軸連桿機(jī)構(gòu):

創(chuàng)馳藍(lán)田汽油機(jī)整機(jī)重量減輕10%，其中活塞及活塞銷(xiāo)減輕20%，連桿軸減輕15%，曲軸主軸頸減輕6-8%。發(fā)動(dòng)機(jī)整體質(zhì)量的下降對(duì)降低車(chē)輛油耗有積極意義。此外，創(chuàng)馳藍(lán)田汽油機(jī)通過(guò)改進(jìn)氣門(mén)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，降低活塞環(huán)張力，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)整體機(jī)械阻力降低30%。這一系列改進(jìn)使創(chuàng)馳藍(lán)天汽油發(fā)動(dòng)機(jī)效率更高。

編輯摘要:

這臺(tái)創(chuàng)馳藍(lán)天2.0L汽油發(fā)動(dòng)機(jī)最大的技術(shù)亮點(diǎn)是電機(jī)控制的進(jìn)氣門(mén)正時(shí)系統(tǒng)和4-2-1排氣歧管。此外，還有低張力活塞環(huán)、輕量化活塞/連桿/曲軸、活塞裙部低摩擦涂層、深凹凸頂活塞、6孔多角度噴嘴、變排量油泵等。都是值得技術(shù)愛(ài)好者關(guān)注的技術(shù)點(diǎn)。

個(gè)人認(rèn)為，馬自達(dá)創(chuàng)馳藍(lán)天發(fā)動(dòng)機(jī)確實(shí)有其獨(dú)特之處。與歐美發(fā)動(dòng)機(jī)大致配備渦輪、高壓直噴、雙VVT等不同。，它創(chuàng)造了具有非常強(qiáng)大的功率參數(shù)的產(chǎn)品；與國(guó)內(nèi)自主品牌不同，他們是在盲目采用主義，把經(jīng)濟(jì)效益放在第一位。從這臺(tái)創(chuàng)馳藍(lán)天發(fā)動(dòng)機(jī)中，我們可以看到馬自達(dá)的“工匠精神”。敢于走尋常路，把技術(shù)做到極致，這似乎就是日本汽車(chē)人骨子里的“血性”。創(chuàng)馳藍(lán)天的技術(shù)不僅僅局限于發(fā)動(dòng)機(jī)，變速箱也是它的重要組成部分。我們會(huì)在11月帶來(lái)創(chuàng)馳藍(lán)天變速箱的拆解文章，敬請(qǐng)關(guān)注。