自吸失守?技术宅马自达,第二代创驰蓝天发动机配有一套机增?

在如今排放法规不断收紧的大环境之下,汽车厂商的在售车型中所搭载的机械配置上深受法规的影响。厂商为了能够追求更加环保化、高效化、经济性等多种性能的要求,以至于使得发动机开始向着小型化、涡轮增压化、电动化、低扭化、轻量化的方向发展。

在当前汽车行业发展的大潮流之下,很多厂商都是在执行环保化、高效化的动力单元开发方针,在新款动力单元上开始采用了小排量(米勒循环或者阿特金森循环)+涡轮增压+电机的方式提升发动机的热效率,以实现更优秀的排放和燃油经济性。

在大环境之下,厂商所开发的动力总成方向上越走越演,以至于当前各家品牌开始逐步放弃了自然吸气发动机的开发。随着自然吸气发动机的凋零,在当前市场上就算是被誉为技术宅中的马自达,在自然吸气发动机这一领域上也是有着相当强悍的技术造诣的,不过在马自达去年发布了第二代创驰蓝天发动机的时候,最令人惊喜的亮点发动机的燃烧热效率能够达到48%,并且有着较为良好的动力输出。

在马自达的第二代创驰蓝天发动机技术公布之后,很多人也发现了第二代创驰蓝天发动机技术之所以有着如此大的提升,很大的原因是因为采用了一种名为HCCI的技术,能够做到油耗和动力两全其美。而马自达在第二代创驰蓝天发动机上除了采用的HCCI技术之外,在硬件的配置上也进行了全新的改革,开始采用了米勒循环+机械增压+压燃技术+超稀薄燃烧技术实现超高的动力输出和燃烧效率。

由马自达开始生产第二代创驰蓝天发动机技术之后,这也代表着又有一家厂商开始慢慢放弃了自然吸气发动机。不过可能有人称马自达为一家以造车为目标的厂商,更是作为汽车界中的技术宅,作为一家坚守自然吸气发动机的厂商,如今也开始放弃了自然吸气发动机,这样的评价实际上是对于马自达而言,是有失偏颇的。

因为马自达早在几十年前就已经就已经开始研发涡轮增压技术了,例如在一代神车RX-7身上所搭载的13B-REW发动机上就开始采用双涡轮增压方案,而在上一代的SKYACTIV-G系列发动机中也有这一款2.5T涡轮增压发动机。虽然马自达在第二代创驰蓝天发动机上采用了机械增压模块,但是这套机械增压模块也不过是用来实现快速充气装置,在本质上第二代创驰蓝天发动机技术依旧保留着自然吸气的本质。

另外值得一提的是,马自达在新开发的发动机上虽然配备有机械增压模块,但是这并不代表着马自达会淘汰自然吸气发动机。

如今汽车厂商的技术发展,厂商无论是在发动机上应用各种技术,如采用涡轮增压技术、谐波增压技术、机械增压技术等等,或者将奥托循环转换成米勒循环、阿特金森循环等等不同的工作原理,其本身的意义都是为了能够将发动机气缸的容积效率和充气效率提升,以满足当前小排量的前提下,能够实现单循环做功过程中燃烧更多的燃料进而获得更多的能量。

举个例子,如果自然吸气发动机的单缸排量为0.5L,那么在每个做功循环就算是处于最佳空燃比状态,缸内的充气效率也不会突破一个大气压,而如果通过各种外部辅助装置,对发动机的进气行程强制增压,提升进气压力,那么无疑能够使得气缸当前的充气质量具有更佳的效果,这就能够在发动机当前的气缸容积不变的情况下,容纳下更多的气体保证发动机能够燃烧更多的燃油,在一个做功行程中产生更强的动力。

马自达第二代创驰蓝天发动机技术所配备的机械增压装置,其主要目的并非是提高发动机气缸的充气效率,而是用来完成发动机在正常空燃比和超稀薄压燃技术之间的相互切换,以实现其发动机的超稀薄燃烧。

在马自达这样一套第二代创驰蓝天SKYACTIV-X发动机具有两个非常有特点的技术,一种是超稀薄燃烧技术,另一种则是超高压缩比。

先是超稀薄燃烧技术,无论是自然吸气发动机还是涡轮增压发动机,一般的空燃比基本上都是在理想空燃比中的14.7上下浮动,而超稀薄燃烧则是有所不同,其空燃比可以接近30,相比起传统发动机的理想空燃比而言,将近产生了一倍的差距。不过这个超稀薄空燃比,也并非是减少燃油供应系统的喷油量就能够达成其最大的限制是由于自然吸气发动机的局限性,即使一瞬间发动机的节气门全开也进不来这么多空气,而在马自达超稀薄压燃的本质是提高压缩比(进气量)、不增加喷油量,这才符合稀薄燃烧的本质,因此若想将空燃比拉升至30,那么就必须借助增压给它充气,所以就需要配备一套辅助系统以使得发动机做到快速补气的效果,但是由于涡轮系统存在一定的迟滞性,最终而选择了机械增压套件。

如果对于马自达这家厂商的研发历史有所了解的话,那么就能够明白马自达在技术上的研发,简直能够走火入魔来形容。就以其在超稀薄燃烧技术上的研发,就能够窥知一二,当发动机的空燃比大于理想空燃比14.7时进行燃烧,再进行不断提高稀薄燃烧的边际,实际上就是属于提升其空燃比越大进一步促进其燃油的燃烧效能(虽然发动机的理想空燃比是14.7,但是由于各种原因,往往就算达成理想空燃比,由于受限于种种客观原因,而使得发动机难以实现完全燃烧。)也难以打成完美燃烧,因此只有提升发动机的空燃比,才能够提升发动机的燃油经济性。

不过超稀薄燃烧技术也存在着相当明显的缺点,那就是当发动机的空燃比处于14.7-29.4之间时,氮氧化物产生量最大,在超稀薄燃烧的情况下,发动机缸内处于富氧高温高压的环境下,极容易产生NO,这对于发动机的排放是很难达标的。

为了能够满足当前的排放法规,马自达在第二代创驰蓝天发动机上选择将空燃比提升至超过29.4,但是如此之高的空燃比利用火花塞点火根本无法点燃,即便依靠直喷发动机更容易实现多层次喷油(火花塞处混合气浓度最大,然后至下逐层变稀,分层燃烧利用火花塞点燃周边最浓混合气,然后依靠火焰传播至下逐层点燃越来越稀的混合气,另外超稀薄燃烧也还存在着一个缺点,那就是混合气体的燃烧速度过慢,很容易受到缸内气体的混流和滚流,导致混合气体在火焰外扩点燃的过程中被扑灭,以至于无法使得发动机的混合气体完全点燃,完全做功。

因此马自达选择了将柴油机的压燃方式进行辅助,通过火花塞跳火引燃的终究是一个火点,而活塞上行压燃的是一个层,率先压燃那层会有无数的着火点,利用众多的着火点火焰的外扩传播来点燃所有稀薄层混合气;一个火点不行,那就放一把火,这就是马自达工程师所采用的解决方法。

一般来说,想要两全其美是非常困难的事情,采用稀薄燃烧的发动机基本上动力性能,响应性是非常不理想的,同时发动机对于工作环境也非常之挑剔,在低温环境下,超稀薄压燃会变的困难;而在发动机转速偏高时,由于每循环各冲程切换速度太快,所以超稀薄压燃无法确保所有稀薄层混合气都完全燃烧;而在发动机转速过高的时候,此时发动机温度适合超稀薄压燃,但转速高、每循环的四个冲程切换的过快,所以压燃来不及燃烧掉所有燃油,而压燃烧不掉的燃油就由火花塞跳火进行点然;当发动机全负荷时,直接切换成火花塞进行点火,终止压燃,这也是马自达在第二代创驰蓝天发动机上保留火花塞的原因。

马自达在第二代创驰蓝天发动机技术上采用超稀薄燃烧技术,对于动力所带来的影响是非常大的,因此采用机械增压套件提升发动机气缸的充气效率之外,这套机增设备还肩负着提升发动机压缩比的作用,压缩比提升到不可思议的18之后,才能够满足发动机在瞬态超稀薄压燃状况下的动力输出以及排放需求。

在马自达所推出这套第二代创驰蓝天发动机技术之后,可以说马自达将当前发动机的机械增压、自然吸气、柴油机压燃技术相结合起来,将当前发动机技术做到一个全新的突破。



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