F1賽車引擎是最強？壓縮比卻不如馬自達壓燃引擎

　　【太平洋汽車網(wǎng) 技術(shù)頻道】馬自達對內(nèi)燃機有一份特殊的執(zhí)著，在各路廠商都主打渦輪增壓發(fā)動機的大環(huán)境下，馬自達還是堅持沿用自然吸氣發(fā)動機；其它車企在新能源市場開始發(fā)力，馬自達還是將主要的精力投放在內(nèi)燃機的研發(fā)上。這次馬自達在內(nèi)燃機技術(shù)有進一步的突破，全新研發(fā)的e-SKYACTIV X創(chuàng)馳藍天汽油壓燃發(fā)動機擁有比F1賽車更高的15：1的超高壓縮比、首創(chuàng)SPCCI燃燒技術(shù)和24V輕度混合技術(shù)，并且將會搭載在馬自達3 昂克賽拉（詢底價|查參配）和馬自達CX-30身上。

　　壓燃技術(shù)相信讀過汽車工程學(xué)的朋友都知道，燃油混合氣的燃燒不需要靠火花塞來點火，而是靠氣缸活塞運動將其壓縮至燃燒，而以前壓燃技術(shù)主要出現(xiàn)在柴油發(fā)動機上，直到馬自達將這項技術(shù)搬到燃油發(fā)動機上。

　　不過好好一個汽油發(fā)動機，為什么要加入柴油機的技術(shù)？因為壓燃能實現(xiàn)較高的壓縮比和比熱比，還能完全快速地燃燒稀薄混合氣，實現(xiàn)多點大面積同時壓縮著火，由于沒有傳統(tǒng)火花塞點燃的火焰?zhèn)鞑ミ^程，所以壓縮點火可以在極短的時間內(nèi)完成燃燒放熱，以此提高發(fā)動機效率。

（汽油機點燃方式）

（柴油機點燃方式）

　　上面那段話提到了一個名詞叫稀薄燃燒，那為什么要稀薄燃燒呢？少量燃料的混合氣體燃燒的目的是為了省油并改善尾氣排放。 所謂稀薄燃燒，就是在更少燃料狀態(tài)下實現(xiàn)相同扭力輸出的更省油的燃燒方法。

　　稀薄燃燒的空燃比要比理論空燃比14.7：1要大很多，也就是說混合氣中含有的空氣量更多，這可以讓發(fā)動機的燃燒溫度降低，有效減少氮氧化合物的生成。同時采用稀薄燃燒還可以減少冷卻損失和泵氣損失，提高燃燒效率。

　　HCCI除了能實現(xiàn)較高的壓縮比和比熱比，還能完全和快速地燃燒稀薄混合氣，實現(xiàn)多點大面積同時壓縮著火，沒有傳統(tǒng)火花塞點燃的火焰?zhèn)鞑ミ^程，所以壓縮點火可以在極短的時間內(nèi)完成燃燒放熱，以提高發(fā)動機效率。而火花塞點火式發(fā)動機有火焰?zhèn)鞑サ拿黠@時間延遲。

　　這么看的話HCCI是一種理想的燃燒模式，但是HCCI（預(yù)混合壓燃點火：均質(zhì)壓燃）燃燒方式，沒有通常的汽油發(fā)動機火花塞點火的時間控制因素，所以點火時間難以預(yù)測，這是阻止其實用化的最大障礙。從下圖可以看到，HCCI燃燒的轉(zhuǎn)速和負載區(qū)間較窄，只在中等低轉(zhuǎn)速下HCCI工作效果最佳。在上圖藍色范圍之外，燃燒不穩(wěn)定且難以控制。由此我們可以知道：在HCCI可工作范圍以外的轉(zhuǎn)速和負荷下需要采用火花塞點火，以保證發(fā)動機正常工作。

　　因為傳統(tǒng)的火花塞點火和HCCI點火對缸內(nèi)溫度、空燃比、EGR的要求均不一樣，需要發(fā)動機在不同工況下、來回切換點火模式非常困難。因此無縫銜接這兩種點火方式成為馬自達工程師要克服的關(guān)鍵點。

　　針對傳統(tǒng)火花塞點火與HCCI點火之間對溫度、空燃比、EGR等的要求互相矛盾所產(chǎn)生的兩者之間切換點火的問題，馬自達就想到從人為手段去為壓燃創(chuàng)造條件，也就是通過火花塞輔助點火來提高氣缸內(nèi)的壓力和溫度。實際上為了讓火花塞點火和HCCI點火之間能更好地過渡，馬自達引入了火花塞輔助點燃的模式，利用火花塞點火輔助可以提高HCCI的點火能力，更好地控制混合氣著火時刻，同時也讓氣缸內(nèi)著火有很好的穩(wěn)定性。這個利用火花塞點火輔助的壓燃方式被馬自達命名為SPCCI。通俗點說就是在汽油發(fā)動機上使用柴油機才有的“壓燃點火”的方式，并且將“稀薄燃燒”的技術(shù)帶入量產(chǎn)。

　　SPCCI是在控制稀薄燃燒最佳進氣量的同時，將氣體吸入氣缸，以世界最高的700氣壓的噴射壓向被壓縮后的高壓環(huán)境的氣缸內(nèi)進行燃料霧狀噴射，然后進一步壓縮相較于現(xiàn)有汽油發(fā)動機燃料更加稀薄的混合氣體，使用火花塞跳火，形成膨脹火球。接下來膨脹火球會成為“空氣活塞”，進一步壓縮缸內(nèi)混合氣體，在缸內(nèi)形成稀薄混合氣體的急速“多點型均質(zhì)燃燒”，最后通過壓燃點火解決了稀薄燃燒火焰擴散不良的問題。

（馬自達SPCCI火花控制壓燃點火技術(shù)）

　　雖然SPCCI有火花塞參與工作，但是它的作用僅僅作為為壓燃創(chuàng)造條件的輔助手段。SKYACTIV-X發(fā)動機最終在SPCCI點火模式下，大部分的混合氣還是通過多點大面積點燃，同時還保持了整體放熱速率較高的水平。

　　為了實現(xiàn)SPCCI，馬自達更新了發(fā)動機上一些硬件，包括新型活塞頭設(shè)計和超高壓燃油噴射系統(tǒng)，以幫助混合氣以及旋渦形狀的形成，以及采用了高響應(yīng)的空氣供給裝置，可以引入大量空氣，同時配合氣缸壓力傳感器等來精確控制發(fā)動機。

　　發(fā)動機進氣系統(tǒng)采用兩個通道進氣的模式，分別是自然吸氣的進氣通道和機械增壓的進氣通道。其中小型的機械增壓器可以施加最大約0.5bar的壓力，這個增壓器作用并不是為了給發(fā)動機增加多少的馬力，而是為了提高效率用的。增壓系統(tǒng)為氣缸帶來更多的空氣，即使在較高的發(fā)動機轉(zhuǎn)速下也能保持混合氣足夠稀薄。這個增壓器是離合式的，在較低的發(fā)動機轉(zhuǎn)速下可以解耦，避免空燃比變得過于稀薄。值得一提的是，這款發(fā)動機能達到15：1，最高能達到36.8：1，作為世界上擁有最高精尖技術(shù)的F1賽車也僅有14:1的壓縮比。

機械增壓器介入前后的空燃比對比

　　因為SPCCI需要非常高的壓縮比，高壓縮比使壓縮點火更容易實現(xiàn)，但它也增加了過早壓縮點火的可能性，這可能會嚴重損害發(fā)動機，發(fā)動機需要在保持高壓縮比的同時，防止在燃燒過程中發(fā)生壓縮著火，所以馬自達為Skyactiv-X引入了分段燃油噴射、超高壓燃油噴射系統(tǒng)和缸內(nèi)壓力傳感器。

分段燃油噴射：

　　為了防止在壓縮稀薄的油氣混合氣中出現(xiàn)不正常的燃燒，SPCCI采用了分段式燃油噴射系統(tǒng)，其中一小部分燃油在進氣過程中噴入，形成低密度稀薄混合氣，而更多的另一部分在壓縮過程中噴入。這不僅讓SPCCI更好實現(xiàn)點火，還有效控制了混合氣的異常燃燒。

超高壓燃油噴系統(tǒng)：

　　為了盡可能地縮短壓縮沖程的時間以及使壓縮點火更加高效，燃料快速的霧化以及油氣混合氣更快地形成非常重要。于是馬自達最新開發(fā)的多點噴射裝置，實現(xiàn)了汽油發(fā)動機世界最高的噴射壓力大到70Mpa，傳統(tǒng)汽油機燃油壓力最高為30Mpa，并能在極短時間內(nèi)反復(fù)細微噴射，實現(xiàn)高霧化性、高精度、高響應(yīng)性。另外它還擁有10噴口的汽油噴油器，為世界首創(chuàng)，傳統(tǒng)噴射角度是左右70度，上下40度，全方位390度，并且使用多次噴射的方式，實現(xiàn)了更微細的噴霧和精確的燃燒控制。

采用缸內(nèi)缸壓傳感器

　　由于擁有15：1的超高壓縮比，因此e-SKYACTIV X擁有91個傳感器和執(zhí)行器，通過不斷觀察噴射、點火等數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)噴油、點火等是否給預(yù)期結(jié)果帶來了適當?shù)娜紵θ魏纹钸M行實時補償，確保持續(xù)優(yōu)化燃燒。

　　除了有良好的霧化效果，缸內(nèi)氣體流動形式也是決定混合氣燃燒速度的要點之一，Skyactiv-X采用了新型的活塞頭，讓氣缸內(nèi)的混合氣形成漩渦狀，使氣體更好地被壓縮燃燒。

　　官方宣稱新發(fā)動機相比SKYACTIV-G發(fā)動機在各個運轉(zhuǎn)條件下都實現(xiàn)10%以上的扭矩提升，在NEDC 模式下甚至實現(xiàn)了30%以上的油耗改善。 SKYACTIV-X油耗雖然降低了，但是燃油經(jīng)濟性并不是對動力妥協(xié)換取而來的，反而在動力上還有了很大的進步，不管是最大功率還是最大扭矩，都有所上升。

　　為了和2019年4月上海車展上展出的SKYACTIV-X有所區(qū)別，等到國內(nèi)的壓燃發(fā)動機車型正式上市以后，增加了一個代表“電動化”的“e”前綴。事實上e-SKYACTIV X是代表了這款發(fā)動機搭載了“M-HYBRID”24V輕度混合技術(shù)。另外M-HYBRID是繼怠速停止系統(tǒng)i-STOP、減速能量再生系統(tǒng)i- ELOOP之后，作為電動化技術(shù)打造的新系統(tǒng)。

（M-HYBRID 馬自達輕混動力系統(tǒng)的四個裝置）

　　24V輕混系統(tǒng)是采用再生協(xié)調(diào)制動系統(tǒng)，能將摩擦制動損失的 能量回收再生，回收再生能力更強。在Mazda3和CX-30級別的車型搭載的24V系統(tǒng)，能將摩擦制動損失能量的近80%回收再生。而被轉(zhuǎn)化的能量會存儲在鋰離子電池內(nèi)，而存儲在鋰離子電池中的電能會被用于收音機、導(dǎo)航之類的電子用品上。最終目的是減少使用發(fā)動機發(fā)電，從而提高燃油經(jīng)濟性。

　　另外和其它搭載輕混系統(tǒng)的車型相同，馬自達的ISG電機也能起到行駛助力，減輕發(fā)動機負擔(dān)降低油耗，官方還宣稱提升了駕駛質(zhì)感，具體表現(xiàn)在啟停時整車動作安靜且迅速。升檔時，ISG集成啟動電機可以實現(xiàn)不同駕駛場景的平穩(wěn)換擋。

（e-SKYACTIC 創(chuàng)馳藍天電氣化技術(shù)）

　　在2020年的成都車展里的長安馬自達的展臺上，搭載全新e-SKYACTIV X創(chuàng)馳藍天汽油壓燃發(fā)動機+24V輕混系統(tǒng)的馬自達CX-30（詢底價|查參配）和馬自達3 昂克賽拉就已經(jīng)亮相了，同時預(yù)計會在9月份中下旬上市。

（壓燃版馬自達CX-30）

（壓燃版馬自達3 昂克賽拉）

　　不過由于e-SKYACTIV X汽油壓燃發(fā)動機使用了諸多馬自達獨創(chuàng)性的技術(shù)成果：高響應(yīng)性供氣系統(tǒng)、高壓燃油噴射系統(tǒng)、4個缸壓傳感器、全新的散熱系統(tǒng)等，諸多全新的零部件需要投入巨資開發(fā)，因此新車型會比目前在售車型會稍微貴一點。參考目前日本市場的新車售價比G系列發(fā)動機車型加價70萬日幣，約合4.5萬元人民幣。其實如果技術(shù)能帶來實際性的燃油經(jīng)濟性的表現(xiàn)和價格不要貴得太離譜的情況下，消費者還是能接受的。

　　全文總結(jié)：當其他廠家開始在新能源市場專心研發(fā)新產(chǎn)品時，馬自達在傳統(tǒng)內(nèi)燃機的道路走得越來越深。在全球排氣大減排的大環(huán)境下，馬自達研發(fā)e-SKYACTIV X的目的就是通過壓燃實現(xiàn)超稀薄燃燒，用更少的能源，降低尾氣的排放。它以SKYACTIC-G創(chuàng)馳藍天汽油發(fā)動機和SKYACTIV-D創(chuàng)馳藍天柴油發(fā)動機為基礎(chǔ)，吸取了二者的技術(shù)特點，兼具汽油發(fā)動機在高轉(zhuǎn)速下的行駛舒適性、柴油發(fā)動機省油、扭矩強勁的優(yōu)勢；而獨創(chuàng)的SPCCI點火技術(shù)和首次搭載M-HYBRID輕混系統(tǒng)則分別實現(xiàn)在汽油機上實行稀薄燃燒和提升行駛質(zhì)感。（圖/文/攝：太平洋汽車網(wǎng) 潘洪瀚）