车厂仍努力提高发动机效率

虽然包括德国、法国在内的许多欧洲国家近年来陆续宣布汽柴油车辆禁止销售的时间表，但这并不表示汽车厂家已放弃提高汽油发动机燃烧效率的努力！相反，越来越多车厂正加速推出效率更高的产品。

我们知道，汽油发动机的基本架构除了喷油系统由化油器演进为电脑控制之外，其他部分在过去100年以来没有太多改变。如何提升内燃式发动机的效率？大学时代修过热力学的读者应该知道，内燃式发动机（包括汽油与柴油）最大的缺点在于燃料利用效率低（燃料利用率约33%）以及污染物的排放，虽然最近30年来直喷发动机技术已帮助燃料利用效率显著超越过去的化油器时代，但仍无法让人满意。前Honda执行长福井威夫就曾表示：“今天即便是最先进的汽油发动机，所浪费的能量仍超过60%以上，是故Honda工程师认为提高汽油发动机燃烧效率仍有无穷的发展潜力，甚至大于昂贵的电池动力或Hybrid油电混合动力系统！”

在提高汽油发动机燃烧效率的技术发展路径上，Toyota押注于“阿特金森发动机”，：一般四行程发动机的行程为进气→压缩→爆炸→排气，而“Atkinson Cycle”的循环方式在进气行程时和一般发动机并没有差异，但是压缩行程时会让进气气门保持开启一小段时间。这么做的目的在于减少汽缸的压缩比与压缩行程，同时在那一小段气门延长开启的时间下也减少活塞运动的阻力。如此一来，爆炸行程就会比压缩行程还要长，进而将爆炸行程的能量做更有效的利用。透过不同的连杆机制协同工作，使得各个行程幅度不同，不仅有效改良了进排气情况，膨胀比大于压缩比更是阿特金森发动机最大特点！

更长的膨胀行程可以更有效的利用燃烧后废气仍然存有的高压，所以燃油效率也较传统汽油发动机更高。而过往阿特金森发动机的两大缺点——独特的进气方式让低速扭矩较差，以及长活塞行程不利于高转速运转（限制了转速的升高，加速性能也变差），Toyota车厂则巧妙利用混合动力系统的特色予以改善──电动机低速扭力强劲的特性正好弥补阿特金森发动机初段动力上的不足，一旦到了高速巡航状态，就是阿特金森发动机施展拳脚的时候。

Volkswagen选择“延长点火行程时间”的技术发展路径，其命名为“Budack Cycle”的发动机运作模式，与“Atkinson Cycle”延长进气气门开启时间原理不同，前者是将进气阀门关闭的时间提早，此举能增长点火行程时间，其次加快进气气流的速度，让燃料与空气混合的效率提升，因此有着更好的效能表现。加入“Budack Cycle”循环技术后，Volkswagen集团新世代EA888 Gen3B发动机缔造了184 hp / 30.5 kg-m的输出，同时也降低了油耗，并减轻了许多发动机零组件的重量。

HCCI受瞩目

但除了以上所说技术，若想将发动机燃烧效率显著提高（这里指的是提升30%以上），唯一的解答就是混合柴油与汽油发动机运作特色的HCCI均质填充压缩点燃技术。HCCI的名称来自于Homogeneous Charge Compression Ignition缩写，从技术角度来看，其与传统汽油发动机相同的是它先向汽缸内注入比例均匀的空气和燃料混合气体（相比柴油发动机采用燃油直接注入汽缸内），但另一方面HCCI发动机采用油气在高压下自燃（与柴油发动机相同），而非传统汽油发动机依靠火花塞电弧点火。

从热力学效率的观点来看，HCCI第一个优点是显著降低热损耗率，由于无火花塞自燃方式的燃烧温度较低，爆震对燃烧室壁的传热也跟着降低。另一个优点是燃烧周期短（因为燃烧过程主要是受化学反应而不是受混合过程所主导）。研究结果显示HCCI发动机的热利用效率可接近50%，燃烧后废气中的微粒物与Nox含量也大幅降低。

汽车工程师在定义HCCI发动机时，通常以下列7大特色作为判断标准：

HCCI发动机的40年漫长路

其实，HCCI发动机的设计构想早在上世纪70年代就诞生，却始终苦于多项控制技术瓶颈而无法实用化。首要问题是HCCI发动机在转速很低或极高的状态时无法平稳运转（因为在这两种状态下无法控制混合油气自燃）。幸运的是、由于电脑控制技术突飞猛进，过去被视为挑战的今日已能够轻松达成。

过往包括GM、Honda都曾尝试开发HCCI混合发动机，这是一种在低转速与高转速区域采用传统火花塞点燃油气运行，但在中转速区域使用HCCI技术运作的发动机，不过皆未导入市售车内。反观Mazda却已经宣告于2018年推出搭载HCCI发动机的量产车型，展现该厂在新世代发动机技术的研发成果！

从2010年发表“SKYACTIV创驰蓝天”技术后，Mazda工程团队致力于将发动机、传动系统、底盘悬挂、车体等同步达到优化设定，其中在动力部分，研发重点为高压缩比汽油NA（自然进气）与柴油涡轮发动机，目前的SKYACTIV-G汽油发动机达到14:1压缩比，比起市面上竞争对手发动机的压缩比要高出不少，但Mazda居然计划将下一代SKYACTIV-X发动机的压缩比设定在18:1惊人水平（同时搭配36.8:1的超稀薄空燃比）！

早在2014年，Mazda工程团队就在均质压燃技术取得进展，为了达成商业化里程碑，这家日本车厂重新定义了HCCI的意义：它不再是传统的Homogeneous Charge Compression Ignition，而是转换成Spark Controlled Compression Ignition火花塞控制压燃，缩写也变成SPCCI。Mazda工程师透过在火花塞点火控制的创新突破，使得HCCI过程变得更加可控：在发动机低速、中速和高速运转时、采用的工作模式都不相同，这不光是涉及到火花塞点火与压燃的切换，而且还涉及到压缩比的变化，喷油方式、进气模式的变化等，如此复杂的切换，发动机还要高低速运转无缝衔接，可说是历史性的创举！

更令人欣喜的是，由于少了电池与马达零组件，HCCI发动机的制造成本远低于Hybrid油电混合动力系统（仅是Hybrid系统成本的20%）、而节能效果却可达到Hybrid系统或柴油发动机的80%，其前景可谓无限宽广！

先进汽油发动机推出晚了吗？

挪威是最早宣布将在2025年禁止销售使用汽柴油发动机车辆的国家，荷兰也提出从2025年开始禁止汽柴车辆在该国市场销售，并且这一提议已经得到了荷兰国会的支持。即使是为了顾及国内强大汽车工业厂商利益的德国，该国联邦参议院也通过决议将在2030年全面禁售内燃发动机车辆。法国能源部长余洛（Nicolas Hulot）在今年7月6日宣布，法国计划在2040年前全面停止销售汽油和柴油车。

2030年听起来遥远，实际也就12年时间，还不够一般车型两代车的换代时间（一般8年一次换代），这不禁让人担心：才要粉墨登场的Mazda HCCI发动机技术，是否马上就要匆匆谢幕？

针对前述疑问，部分汽车人士认为汽油发动机的末日远远没有到来！2015年全球电动车销售为45.5万辆，2016年达到70万辆。根据EV Sales最新发布的数据，全球电动车市场2017年上半年的累计销量达到449817辆，预估今年全球电动车的累计销量有望达到110万辆，虽然这个数字对比两年前已经翻了一倍有多，但在全球汽车市场的占有率仍只有区区1%。另一方面，Mazda也正与Toyota协商共享燃料电池、混合动力及SKYACTIV科技，以满足日趋严格的排放标准并削减成本。

遥想1960年，Felix Wankel在VDI德国工程师学会发表转子发动机的创新理论时，当时曾吸引包括GM、Daimler集团、Toyota的目光，但经过试验发现量产实用化的困难度比预期还要高后，前述车厂纷纷对转子发动机打了退堂鼓。反观是Mazda于1967年5月率先推出世界上第一款将转子发动机实用化的量产车型Cosmo Sport。在革命性汽车技术领域，越是大厂其策略往往会越趋于保守，Daimler与GM集团在HCCI领域研发多年而未果，主要是判断HCCI发动机技术的问题大于优势，并且解决技术瓶颈的难度过大或成本过高。如今包袱较小的Mazda车厂宣布要将此技术率先量产，再次说明了该厂在先进发动机技术上“敢为天下先”的精神。

在许多人宣称汽柴油发动机已死的今日，Toyota、Volkswagen及Mazda押注先进汽油发动机技术能否得到丰厚回报？让我们拭目以待。

（本文作者许鸿德为《汽车杂志》首席汽车观察员）