“玩火”到极致的马自达:新一代创驰蓝天技术带来的四个思考

文前提要:本文涉及到部分技术介绍,如果觉得此部分枯燥难懂,技术部分只看粗体字就好。

造一部好的发动机,就等同于把“玩火”的技术练到炉火纯青,因为通俗的说,好的经典发动机都有一个共性——热效率高。

但想做到热效率高,意味着必须研究明白燃料在发动机气缸内燃烧的实质——将化学能转化成机械能的全过程(这个过程轻易不可见,所以问题就难在这里);并在此基础上,设计出更高效的燃料工作方式,从而一步步提升发动机的工作效率。

在这条道路上,本田算是公认的发动机设计和制造专家,其推出的发动机可以充分证明这一点(虽然最近闹出个不大不小的败笔);但丰田在这方面也不弱,毕竟新凯美瑞混动版上搭载的那台自然吸气发动机,热效率甚至达到了业界惊叹的41%。

可对于马自达来说,这个曾经玩转转子发动机的小厂(相对的“小”),并没有把41%当做最终目标。

数日前,在马自达举行的“Zoom-Zoom可持续发展战略2030说明会”上,其推出的“SKYACTIV-X(创驰蓝天-X)”发动机技术,据称热效率甚至可以达到50%。要知道,这是在未对发动机进行增压的前提下达到的,且该热效率值,从整个能源循环结构角度考虑,已经可以媲美很多电动车了。

如何把“火”玩到极致?

SKYACTIV,并不是马自达今年首发的技术,早在2013年6月,搭载“SKYACTIV”技术的“Mazda Atenza”就被引入了国内,同月,长安福特马自达发动机有限公司开始国产“SKYACTIV”发动机,并于同年8月将国产发动机付诸于“Mazda CX-5”投入市场。

此次发布的新一代“SKYACTIV-X”发动机技术,相比于前代技术(SKYACTIV-G),最大的优化来自于在超高压缩比基础上应用了全新的燃烧技术(SPCCI,火花塞控制压燃点火),实现了稀薄燃烧工况下发动机稳定、高效工作的目的。

在“SKYACTIV-G”技术的第一阶段,马自达致力于研究实现高压缩比;在第二阶段(也就是SKYACTIV-X),马自达则致力于提高另一个参数-比热比,事实上,提高压缩比和比热比,是提高发动机热效率的两个有效理论手段。

根据空燃比公式,将燃烧混合气中的空气比例提高到2倍左右,空气过剩系数变大时,即燃料浓度变稀薄时,比热比则变高,此外,当内燃机进行稀薄燃烧时,由于燃烧温度也会相应下降,比热比则会变得更高。

不过,使燃料到达理论空燃比2倍左右的稀薄程度,意味着空燃比大约为30左右时,如何让燃料在气缸内燃烧(即使火花塞点火成功,但气缸内的燃烧气体范围也很难扩大),就成了一个巨大的难题。为此,柴油发动机的压燃点火技术便进入了工程师的考虑范围。

经过工程师的测试,理论上,在空燃比为36.8的条件下,即使火花塞点火技术(SI)无法实现稀薄浓度燃混合气充分燃烧的条件下,通过类似柴油机的压燃点火技术(CI),依然可以实现超级稀薄燃烧技术——但是,这种特殊工况对气缸工况的要求很高。

根据实际实验的数据得知,当进气气门关闭时,燃烧室内的温度对燃烧工况的影影响非常大:当温度最高时,气缸内的燃料可以完全燃烧,但由于燃烧程度过于激烈,燃烧噪音过大,难以应用于实际工况;当温度下降后,燃料的燃烧时间逐渐变长,油耗性很差且燃烧状态不稳定,同样无法在实际中使用。

所以,最终的实验结论是,在压燃点火技术(CI)的工况下,气缸内燃料理想的工作状态,必须满足当进气气门关闭后,燃烧室内温度波动值(偏差值)不可超过3℃。

但考虑到各种不同使用环境,在如此小的温度范围内实现燃烧控制几乎是一项不可完成的任务,即使考虑到可以通过控制进气气门关闭时机来调整缸内气体压缩工况,但由此带来的额外技术难题和成本飙升,也将是不可接受的。

为此,马自达的工程师采用了SPCCI技术,即“Spark Controlled Compression Ignition(火花塞控制压燃点火)”来解决这个问题。

关于“SPCCI”技术的形象比喻

首先,工程师根据用户地区的常规汽油的辛烷值,将几何学上的发动机压缩比设定为15-16左右。通过火花点火方式,将汽油与空气的部分混合气体点燃。点燃后,随着燃烧,混合气体会发生膨胀,使得未燃烧的混合气体部分被压缩,形成高温高压条件,从而实现压燃点火。

其次,在每次的工作循环中,通过调整点火时机,可以控制实现所需要的压燃点火量与时机,也就说,可以人工制造一个“膨胀的混合气体球”,从而实现对气缸内其它未燃烧混合气体的压缩控制,从而实现创造“CI工况”所需的温度和压力条件的目的。

这个工作过程,可以用一个比方比较直观地理解:

每当我们过年放鞭炮的时候,我们总会遇到把一挂鞭炮拆散的情况,当我们想点燃这些数百个、零散分布的鞭炮时(此时鞭炮的状态就好像稀薄的混合气),用香烟头去一个个点,难以达到让鞭炮同时爆炸产生的惊人效果(这就是熊孩子的典型思维);
但如果,我不是用香烟头去点这堆爆竹,而是在铺着爆竹的地面上撒遍火药,让快速燃烧的火药去点燃所有鞭炮的引信,是不是就可以达到让所有爆竹同时爆炸的效果了呢(然后离挨揍也不远了)?

在车云菌看来,马自达的SPCCI技术最具有创造性的核心在于:

它把一个需要用复杂机械技术来解决的问题(想满足CI工况,按照直线思维应当是通过气门开合时机,来调整缸内压缩稀薄混合气的工况),最终用更简单,更精确,更容易实现的电子技术搞定了!

事实上,为了实现SPCCI这一控制技术,在SKYACTIV-X的发动机中仅仅需要增加三个主要部件:缸内压力传感器、高压燃料系统、高响应空气供应器,就可以实现理想化的“CI”工作状态(即使吸气温度发生剧烈变化,仍然能够实现在指定位置点火燃烧)。

与此同时,SPCCI技术加持的“SKYACTIV-X”,也实现了降低了发动机的热损失(由于稀薄燃烧温度降低,燃烧气体与壁面的温度差缩小,能够降低壁面热传导量,从而减少冷却导致的热量损失),增加发动机输出扭矩,降低氮氧化物生成等额外利好……

最终,一辆搭载SKYACTIV-X 2.0L发动机的车型,可以仅仅具有“SKYACTIV-D” 1.5L发动机的二氧化碳排放量,却能实现与轻量小跑车MX-5跑车(2.0车型)的加速性能。

新一代“SKYACTIV-X”技术推出前的四点顾虑

这一代的“SKYACTIV-X”技术,确实是这个把转子发动机玩得滴溜转的品牌,带给这个世界的一份“厚礼”。

事实上,不单单是马自达逐步推进的“SKYACTIV”技术,包括像丰田和本田等日本技术厂商,在“提高发动机热效率”的道路上,走出了与欧洲竞争对手和美国竞争对手完全不同的技术路线(后两者更喜欢用直接且暴力的增压手段来直接激化发动机的热效率提升),并在对细节抠得不能再细的过程中,证明了什么是“匠人精神”(此处应当有献给马自达的掌声),而这,也是眼下中国自主汽车品牌需要学习的地方——独立且钻研——这是思考之一

凸顶活塞啊!少年,这可是凸顶活塞啊 凸顶活塞啊!少年,这可是凸顶活塞啊

但是,此次马自达推出的以SPCCI为核心的“SKYACTIV-X”技术,在面对纷繁复杂的世界时(尤其是中国市场),依然还存在着一定的不确定性。

众所周知,一项技术越复杂,就意味着它对周围环境的要求越高,相应的故障率也会越高。

所以,如果按照马自达宣称的计划——预计将在2019年,于南京发动机工厂投产该款发动机产品,那么将要下线的“SKYACTIV-X”发动机,如何能做到对国内复杂油品情况不挑食(包括不同地区油品质量和组分差别,毕竟有的地方还有醇类汽油的存在),面对不同地区不挑食(高寒、高原、高潮湿的严苛环境,中国市场都具备),这将会是发动机投产前需要进行广泛测试并证明该技术足够可靠的必经之路——这是思考之二

同时,考虑到“SKYACTIV-X”发动机的缸内运行工况复杂(对点火、压力和温度的要求都极高),所以如果“SKYACTIV-X”发动机在国内大规模普及并长时间使用之后,是否会因为积碳或者自然损耗等问题引起小概率,但是必然会存在的未知问题出现,在目前来看依然是个未知数——这是思考之三

此外,车云菌对于“SKYACTIV-X”技术的最后一个思考来自于:其在中国市场上的受欢迎程度,恐怕与其节能减排的优异效果并无直接关联。

虽然“SKYACTIV-X”的节能减排效果甚至都可以让丰田的混动技术望其项背,但是在中国市场上,这并不是一个政策方面的“刚需”——中国的双积分政策对新能源车的需求,并不来自于对节能减排的渴求,而是从国家能源战略安全角度,对减轻石油在能源结构中比重的需求。

毕竟眼下的中国十分依赖大规模进口的石油,任何石油输入渠道的波动,都会牵动国家能源安全的神经,之所以发展整个能源循环周期并不高效的电动车,更多是因为中国是一个煤炭大国,依靠煤炭发电可以实现自给自足,因此推广电动车,也可以一定程度上降低社会对石油的依赖。

所以,即使马自达的“SKYACTIV-X”即将在2019年投入市场,但其依然需要同步推进电动车在国内市场的落地,才能实现双积分政策下的平稳发展(这也势必带来资源分散),根据马自达在战略发布会上透露的信息,未来的“SKYACTIV-X”和“SKYACTIV-G”新旧两代技术,也将共存于市场中。可以肯定的是,在未来马自达的高端车型上出现“SKYACTIV-X”,足以成为眼下那些马自达技术控持币待购的充足理由。

再过两年,就将迎来马自达这个执着于内燃机技术研发与创新“匠人”的百岁生日,面向未来的日子,马自达任重而道远。

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