真的不烧脑,10分钟带你看懂马自达黑科技

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2019-08-12 18:00

尽情领略 马自达的新发动机黑科技

本文转载自MJ车谈

首先,需要向马粉们澄清的一点是:SKYACTIV-X压燃发动机今年不引进中国市场,不代表以后不引进。

何以见得呢?我在德国试驾新一代MAZDA3时曾经问过关于中国油品适应性的问题,马自达负责动力总成的开发本部长中井英二先生是这样回答的:“这次大家在德国体验的SKYACTIV-X发动机是适应欧洲油品进行调校的,将来投放到其他市场的时候,肯定会针对当地的油品性能做针对性的调校,当然在投放之前我们还会做非常慎重的开发评价,这一点大家完全不用担心。不过中国市场将来到底是什么情况,现在这个时间点我还不能公布。“

虽然官方并没有正面回答我的问题,不过他并没有否认引进的可能性。所以,我个人预测:SKYACTIV-X发动机的引进只是时间问题,有执念的朋友不妨耐心再等几个月。


新一代压燃发动机为什么叫做SKYACTIV-X?

众所周知,汽油发动机采用火花点火(SI),柴油发动机采用压燃点火(CI),两种发动机各有优势。前者优势在于:动力输出的延展性(通俗地说就是转速更高)、制热性以及排放清洁程度,后者优势在于:燃油经济性、扭矩以及初始响应。而新一代创驰蓝天汽油发动机创造性地采用了柴油机的压燃点火技术,而且从实际效果来看,它融合了两种发动机的长处。

这就好比汽油机和柴油机的Cross Over,而X代表Cross Over,因此就有了SKYACTIV-X这个名字。


为什么要把柴油机特有的压燃点火技术用到汽油发动机上?

理想燃烧的技术路径图,可以看到影响发动机热效率的7大因素。

这要从热效率开始讲起。马自达一直在孜孜不倦地追求内燃机的理想燃烧,通过上面这张技术路径图,可以看到有7个因素在影响热效率:压缩比、比热比、燃烧速度、点火时刻、热损失、泵气损失、机械阻力。在第一代创驰蓝天汽油发动机SKYACTIV-G上,马自达已经成功地克服了爆震,通过世界最高的压缩比、米勒循环以及一系列的降阻措施,实现了第一阶段目标。如何进一步提升热效率?从上图不难看出,能下手的主要还有比热比和热损失这两个因素。

奥托循环的理论热效率公式表明,提升热效率有两个办法:一是提高压缩比,二是提高比热比。

再来看上面的奥托循环理论热效率公式,想要提升热效率有两个办法:一是提高压缩比,二是提高比热比。尽管并非线性增长关系,但从右边的曲线图能看出,压缩比越大热效率越高。第一阶段的创驰蓝天汽油发动机SKYACTIV-G的技术思路就是大幅提高压缩比,但是当压缩比大到一定程度之后,曲线的上升趋于平缓。想要继续大幅提升热效率,立竿见影的办法就是提高比热比,这就是第二阶段的SKYACTIV-X发动机要重点突破的地方。

压缩比代表发动机混合气体被压缩的程度,这个概念大家都明白,比热比可能就比较陌生了。它是描述气体热力学性质的一个重要参数,是定压比热与定容比热的比值。什么是比热呢?比热全称是比热容,指单位质量的某种物质升高或下降单位温度所吸收或放出的热量。比热容越大,物体的吸热或散热能力越强。但我们知道,气体在温度变化时,压力和体积也会变化。所以就有两种比热,一种是压力保持一定的定压比热,另一种是体积保持一定的定容比热,而两者的比值就是比热比。

上面这段不理解也没关系,只要记住下面的结论就可以了。提高比热比有两种手段:一是提升空气与燃料的比值,即空燃比,就是我们经常听到的稀薄燃烧;二是降低燃烧温度,而稀薄燃烧的气体温度恰恰比较低。

当空气量增大至SKYACTIV-G的2倍时,比热比提升显著。

提升空燃比相当于稀薄燃烧,上图曲线直观地显示:当空气量增大至2倍时,燃油经济性得到大幅度提升。

稀薄燃烧还可以带来更低的燃烧温度。

稀薄燃烧的混合物燃烧温度更低,进一步增加了比热比,从而带来更好的燃油经济性。此外,稀薄燃烧还会带来其他好处:比如气缸头、活塞及气缸壁之间的温差更小,热损失也就降低了,同时更多的空气量还有利于泵气损失的减少。

既然稀薄燃烧这么好,为什么没有得到汽车行业的普遍应用呢?大家都知道理论空燃比是14.7:1,在这个基础上,如果气少油多,即混合气过浓,会造成燃烧不充分,导致油耗高且排放差,这个道理比较好理解。

混合气越是稀薄,用传统的火花点火时火焰很难扩散;而即便空燃比达到夸张的36.8:1, 压燃点火却可以顺利点燃。

如果气多油少,即混合气过稀会发生什么情况呢?为此,马自达做了一个有趣的实验,如上图所示。在怠速转速750rpm时,当空燃比为理论值的14.7:1,火核随着曲轴角度(CA)的变化向四周正常扩散;当空气量增加至2倍,即空燃比为29.4:1,火核也能形成,但是火焰传播非常困难。

可见,如果采用传统的火花点火(SI)方式,稀薄燃烧是行不通的,因为火花塞根本点不燃这么稀的混合气。但是,如果采用类似柴油机的压燃点火(CI)的方式,即便空燃比达到更高的36.8:1,不仅可以顺利点燃,而且燃烧效果反而更加理想。因为,火花点火的火焰传播是由点扩散至面,而压燃点火是整个燃烧室同时开始燃烧,因此燃烧更加均匀而且速度也更快。

总结一下:为了进一步提升热效率,就必须提升比热比;为了提升比热比,就必须实现超稀薄燃烧;可是,传统的火花点火点燃不了如此稀薄的混合气,这就是SKYACTIV-X发动机要采用压燃点火的原因。


奔驰没搞定的技术难题,马自达把它量产了

事实上,汽油发动机实现压燃点火的想法并不新鲜,行业内早就有了均质充气压燃(HCCI)的概念,但是一直停留在实验室阶段。原因在于,HCCI的适用范围仅限于低转速和轻负载的狭窄工况,同时范围还会根据操作状态而发生变化。而当压燃点火无法进行时,就需要传统的火花点火,但是两者之间很难实现无缝切换。

HCCI的适用范围非常狭窄,而且压燃点火和火花点火之间很难实现无缝切换。因此概念虽好,但一直无法走出实验室。

在我的记忆里,奔驰和通用都推出过具体的产品。印象最深的是奔驰在10多年前的法兰克福车展上发布的F700概念车,这台车最大的技术亮点是Diesotto技术,顾名思义就是Diesel+Otto,代表这台发动机集合了汽油机和柴油机各自的优势。

F700概念车最大的技术亮点是Diesotto技术,融合了汽油机和柴油机的各自优势,可惜并没有量产。

奔驰宣称,在中低速运转状态下,Diesotto会采用类似柴油机的压燃点火方式,从而达到提高燃烧效率的目的。当时这个概念让所有人眼前一亮,然后都非常期待它的量产,很可惜然后就没有然后了。

业界大佬都没搞定的技术,难道就这样放弃了吗?马自达偏不信这个邪。这个以技术宅+偏执狂而著称的品牌又拿出了当年研究转子发动机的死磕精神,最终啃下了这根“硬骨头”。

马自达的解题思路非常巧妙:既然切换燃烧方式存在困难,那么就采用不切换的方式解决问题。于是,便有了马自达独创的燃烧方式——火花点火控制压燃点火(SPCCI)。

火花点火形成的膨胀火球相当于一个空气活塞,对燃烧室的混合气产生进一步的压缩效果。

读起来有点儿拗口,其实简单理解就是,这是一种由火花点火控制的压燃点火技术。它的工作原理是,首先由火花点火引起局部燃烧,形成膨胀火球,它相当于一个空气活塞,在它的推动作用下对燃烧室的混合气产生压缩效果,直至达到压燃所需的压力和温度条件,从而让气缸内的大多数混合气实现压燃点火。

SPCCI技术的关键是火花塞点火的时机,如上图所示。

可见该技术的关键是火花塞点火的时机,只要控制得当,就能顺利实现压燃。由上图可见,即便在一些难以压燃点火的工况下,也能够通过火花点火,实现燃烧的无缝衔接。因此,无需过高的压缩比,无需复杂可变阀构造,无需可变压缩比构造,仅仅需要使用新型活塞、支持压燃点火的超高压燃油喷射系统、能够吸收更多空气的高响应空气供应装置等升级设备,以及用于控制缸内压力的传感器。

从而,仅仅通过几个简单的硬件配置,便实现了以往HCCI理念下认为只有复杂构造才能实现的理想效果。

有了创新的SPCCI技术,压燃点火的适用范围由仅限于低转速和轻负载的工况扩大到绝大多数工况。

有了创新的火花点火控制压燃点火SPCCI技术,马自达将压燃点火的适用范围由仅限于低转速和轻负载的工况扩大到绝大多数工况。同时,由于火花塞在压燃点火过程中的特殊作用,压燃点火和火花点火之间的切换问题自然也就迎刃而解了。

右边的SPCCI图标变绿,代表发动机在SPCCI压燃点火工况下工作。

这一点在我们的实际试驾过程中得到了充分难证。通过新一代MAZDA3中控屏上的“能量流动监视”图,我发现SKYACTIV-X发动机绝大多数时间都是在SPCCI压燃点火工况下工作,只有全油门转速拉到4500rpm之后才会进入到火花点火工况。事实上,以新一代MAZDA3的动力水平而言,日常开车踩地板油的机率极低。也就是说,SKYACTIV-X的压燃工况完全覆盖了日常使用范围。而且,如果没有屏幕上的SPCCI提示,我也完全感受不到什么时候是SPCCI压燃点火,什么时候只有火花点火。

由上图可见,SKYACTIV-X的高燃效区域比SKYACTIV-G宽广得多,即便转速高一些照样省油。所以,这台发动机你不用刻意采用省油开法,按照自己正常的习惯开就可以了。

SKYACTIV-X的节气门初始位置跟传统汽油机不同,这种结构的进气阻力明显小很多。

此外,我在试车时的一个最大感受是SKYACTIV-X发动机的油门比SKYACTIV-G更灵敏,特别是在中低转一点就有,这个特性很像柴油机。由上图可以看出SKYACTIV-X的节气门初始位置跟传统汽油机不同,这种结构的阻力明显要小很多,因而空气进入到气缸的时间更短,油门初始响应自然更好。

相比SKYACTIV-G,SKYACTIV-X发动机在全转速区域实现了最低10%、最高超过30%的扭矩提升。

全新一代创驰蓝天汽油发动机SKYACTIV-X除了实现更高的燃油经济性,动力性能也得到了大幅提升。新发动机在全转速区域实现了最低10%、最高超过30%的扭矩提升。它的动力和操控具体如何?大家有兴趣可以查阅我们“MJ车谈“之前发布过的文章《德国首试新一代MAZDA3, 压燃大法SKYACTIV-X到底能不能打?》。


创驰蓝天不仅仅是发动机,还包括新一代车身架构

事实上,新一代MAZDA3之所以开起来得心应手,其漂亮外观之下的车身架构绝对功不可没。它采用了马自达最新研发的新一代SKYACTIV-VEHICLE ARCHITECTURE创驰蓝天车辆架构技术,从座椅到车身、底盘、轮胎,该技术从各个系统完善汽车整体构造的协调性,不断挖掘汽车系统之间的相互协作性,并重新构建和分配所有功能,使人类本身具有的平衡能力在驾驶过程中得到发挥。

马自达的开发理念概括起来就是“以人为本”这四个字,虽然很多厂家都在喊这句口号,但大多体现在车厢布局、人机工程以及车辆配置方面,像马自达这样在基础研发层面就强调“以人为本”的就不多见了。马自达的工程师在开发新一代车辆架构时更多的考虑车与人的关系,即不单单是从机械的角度研究车,同时也研究如何最大限度发挥人体本能,力求让人在驾驶时真正感受到“驾乘愉悦”。

马自达的思路是,让人们在开车时也能发挥人类与生俱来的“平衡保持能力”。

马自达工程师发现,当人体骨盆直立状态时,脊柱会呈现S形曲线,就能够以较小的姿势变化和肌肉力量有效地控制身体重心,抑制头部运动,保持动态平衡。所以马自达的思路是,让人们在驾驶汽车时也能与步行时一样,发挥人类与生俱来的“平衡保持能力”。

以新一代MAZDA3的座椅为例,它的构造就融入了这一人体工学研究成果,座椅能够让驾驶员的骨盆直立,并让脊柱保持S形曲线,从而代替人类下肢的支撑,同时将来自路面的作用力顺滑地传递到骨盆,使骨盆保持连续、平稳的运动。

马自达在车身结构方面的升级思路并非一味求硬,而是采用疏重于堵的做法。 车身以传统环状构造为基础,连接上下左右的骨架,并且在前后方向上采用多向环形构造连接骨架,从而既提高四轮对角刚性,又减少了传动迟滞,最大限度地发挥减震器和轮胎的功能。这种车身结构设计能够将来自路面的振动能量集中于特定位置,并利用缓冲效果更好的减震结构将这些能量吸收。

悬挂调校也应用了全新的理念——将原有的“滤震”概念转变为“让震动传递变得更顺滑”。如此一来,带给驾乘者更富质感的行驶体验。

马自达的NVH水平以前一直被人诟病,不过这次试驾新一代MAZDA3让我对它有了全新的认识,它的噪声抑制真的进步巨大。

一方面,马自达提出了“衰减节点”的概念,让整车的架构参与到NVH的提高上,而非简单的通过堆料,比如底盘橡胶件和隔音棉,从而实现更高级的乘坐感受。

另一方面,通过对人类感知声音机制的研究,马自达认为静谧性主要受声音和振动两个方面的影响。不仅在稳定状态下,人们会习惯性注意声音和振动,而且状态发生改变时,由于声音和振动的剧烈变化,人们也容易感到不舒适。因此,马自达重点在声音和振动的发生源输入能量发生变化时,对驾乘者感受到的声音与振动进行线性改变,从而显著改善了的静谧性。


后话

说实话,每一次参加马自达试车活动都有一种重回大学课堂的感觉,而且是那种信息量巨大的课程。其他品牌要么慷慨激昂地宣讲性能指标,要么柔风细雨地表达生活方式,只有这个品牌不仅讲技术干货,还传输哲学思想。在汽车行业里,马自达就像一个特立独行的学霸,转子发动机、压燃发动机这些行业难题在他面前统统迎刃而解,不知道他接下去又要攻克什么难题?

这就是马自达,既理性又感性,既执拗又可爱。所以,虽然有些品牌很大,但没听说有什么人粉它,大家只是把它当作交通工具而已;而马自达品牌虽小,但却拥有一大批忠实的粉丝群体。


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评论(3)
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月光8.2
2019-08-18 15:30

国家过几年就要停产燃油发动机了 马自达生不逢时啊

186****5663
2019-08-18 14:26

这个技术还是不错的,关键省油

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