馬自達3 壓燃上市的關頭,解釋X發動機的工作原理

2020-11-25 易車網


為了控制它的汽油/壓縮點火發動機，馬自達轉而使用火花塞。


汽油發動機發展的下一階段，是採用類似柴油發動機的均質壓燃燃料控制系統(HCCI)技術。理想中的狀況是完全依靠壓縮點火，而不再通過火花塞，如此便可以燃燒更加稀薄的空氣/汽油混合物，大大提高燃油經濟性。

不過，理想終究只是理論上可行。量產HCCI技術面臨許多難以攻克的技術瓶頸。HCCI 的有效運行區間和效率提高僅限於低負荷路況，比如怠速或在高速上巡航，一旦遇到較高的轉速和較高的發動機負荷， HCCI 發動機需要恢復到火花點火，這個過程不可預測且極其複雜。

多年來，現代、通用、福特、奔馳都試圖攻克HCCI技術的量產應用，但現在這項技術被僅佔全球汽車市場2% 份額的馬自達(Mazda)攻克了。馬自達幾乎在很早的時候就宣布將在2019年前推出壓燃式汽油發動機。不過，馬自達eSkyactiv-X 引擎上並沒有使用完全的 HCCI技術，而是使用了 SPCCI 技術，這是「Spark Controlled Compression Ignition，火花點火控制壓燃點火」的首字母縮寫。雖然實現過程不同，但殊途同歸，最終實現了利用壓縮點火燃燒更加稀薄的燃油混合氣。

先了解引擎的工作原理，再了解Skyactiv-X 就會容易很多，比如傳統的四衝程奧託燃燒循環、柴油機壓燃工作以及 HCCI 燃燒系統。

傳統汽油發動機，在進氣衝程(活塞在氣缸中向下運動)中吸入混合空氣和燃料，然後在壓縮衝程結束(活塞在氣缸中向上運動)用火花塞點燃。砰！類似一種爆炸，汽油爆發出巨大的能量，推動活塞送回下至點，將燃料燃燒的能量轉移到曲軸上，使發動機旋轉。當活塞再次上升時，排氣閥打開，燃燒副產品被推出燃燒室，循環重新啟動。

另一方面，柴油機在進氣和壓縮衝程中只吸入和壓縮空氣。燃燒時不由火花塞點燃---柴油機沒有火花塞---而是在壓縮衝程結束時噴射燃料，由於缸內較高的氣壓帶動溫度上升，使燃油發生「自燃」，達到點火的目的。HCCI 發動機介於兩者之間，以傳統奧託循環作為基礎，在某些工況下加入類似柴油發動機的壓燃機制。

過去有許多企業擁有HCCI發動機，但這些發動機都只是停留在實驗室階段，而沒有量產。馬自達SPCCI發動機改變了這一現狀，是目前量產發動機中最接近HCCI的一款引擎，而它解決點火時機問題的關鍵就是繼續利用火花塞。

從進氣衝程開始，氣缸開始吸入低溫的空氣/燃料混合物。空氣和燃料的比例並不確定，但一般都愈發趨近於理想的14.7:1空氣/燃料比。要在這個極限比例上對燃油進行點火，就只能採用壓燃，傳統的火花塞是無法點燃的。

氣缸吸入的燃油混合氣，通過渦流的方式使其儘可能的緊貼在氣缸壁上，在壓縮行程快結束時，發動機會進行二次噴射，利用渦流在進氣口形成一小股「混合氣體團」。利用火花塞把這小部分混合氣體團點燃，這部分混合氣體會快速膨脹，增加氣缸內的壓力，從而帶動其他氣體發生自燃。這種行為可以稱之為在壓縮過程中製造一個「空氣活塞」。

之所以要在壓縮行程快要結束時進行二次噴射，主要原因在於更準確控制壓燃的時間點，減少氣體被壓縮的時間，在想要的時間內達到最大的壓強。

通過使用噴射和火花定時改變火焰製造的壓力波，馬自達可以更好地控制火花和壓縮點火之間的混合。壓力波的變化轉化為有效氣缸壓力的變化，使 eSkyactivex-X也成為事實上的可變壓縮發動機。不過，與英菲尼迪可變壓縮渦輪增壓發動機機械地改變其壓縮比(基於最小和最大氣缸體積的計算)不同，X有一個固定的壓縮比，但改變每個氣缸的有效壓力。

所以，這到底要怎麼理解 ？

起初，馬自達在研發 SPCCI之前也嘗試製造一款純粹的HCCI 發動機。馬自達很快就遇到了和其他汽車製造商一樣的問題。如果沒有定時的火花或燃油噴射，就很難控制均質燃燒的時間點，(這個時間點相當於過去由火花塞準確控制的定時點火) ，這需要嚴格控制氣缸中的空氣、燃料、壓力和溫度。因此，HCCI 不能容忍較高的發動機轉速和極其敏感的大氣壓力的變化。這也就導致車輛可能不能良好適應海拔變化和四季輪換。

理想狀況下，HCCI 可以運行良好，在溫和的駕駛條件下，幾乎不會發生太多問題。不過，緊接著馬自達就需要解決HCCI發動機過於狹窄的運行條件(發動機低轉速和輕負荷)這個問題。點火提前容易爆震，點火延遲經濟性很差。

最終馬自達不得不通過使用火花來控制整個過程，也順便解決了大多數問題，並將壓縮點火的運行範圍擴展到更高的發動機轉速甚至中等負荷，例如加速。現在SPCCI中仍然有利用自燃的模式，馬自達工程師認為，在動力衝程期間引發或發生的點火是「良好的」，相比之下，「糟糕的」是在壓縮衝程期間提前點火，引擎爆震。

另一個更經常運行 CI 的關鍵是一個帶驅動的小型增壓器，可以推動最大大約7.0 psi 的提升，也就是說這款發動機其實是機械增壓的發動機。這款增壓器不主要增加動力，主要在給定的燃料量下向發動機增加更多的空氣，即使在較高的發動機轉速下也能保持足夠的稀薄的混合氣點火。當不需要增壓時，刻意斷開離合器，避免對發動機經濟性產生拖累。

這款X發動機借鑑了CX-9引擎上的冷卻系統和電子管理的廢氣再循環(EGR)系統，以便更好的控制燃燒溫度，而 Skyactiv-G 四缸發動機在進氣和排氣兩側有可變氣門正時，SPCCI 系統用 G引擎的液壓排氣驅動換成更快的電控。這種情形下，引擎很難對燃燒後的混合氣體進行充分過濾，而且SPCCI的第二次燃油噴射幾乎立即點燃，就像柴油機燃油噴射一樣，會產生比較多的顆粒。馬自達需要一種方法來減少煙塵的產生，因此採用了700bar的高壓燃油噴射系統，幫助第二次噴射燃油霧化更快，燃燒更清潔。

SPCCI最終讓這款2.0L發動機可輸出最大功率180馬力，峰值扭矩224牛·米，相比之下，現款在售的馬自達3 昂克賽拉搭載1.5L/2.0L發動機，最大功率分別為117馬力和158馬力，峰值扭矩分別為148牛·米和202牛·米。

對比 Skyactiv-G 和新 Skyactivex-X 在不同發動機轉速和負荷下的燃油消耗的數據，G 模式的高效區看起來像是發動機負荷較大和轉速較高的區間工作， X模式則在更有效率，在更廣泛的速度和負載範圍內工作。

馬自達一直強調駕駛樂趣。馬自達工程師說，變速箱對X發動機效率的影響遠小於對 G發動機，它允許更短的齒輪比，增強響應，同時期望發動機保持在高效 CI 模式與較低的負載中。

不過，發動機轉速提高不是對燃油經濟性不利嗎？常規如此，但馬自達通過增壓器強制更多的空氣進入氣缸，保持足夠稀薄的空氣/燃料混合物。即便是火花點火模式，X發動機也會利用阿特金森循環使用非常少的燃油混合氣，以最大限度地提高膨脹行程的效率。

不過，這款發動機還是有一些問題需要解決，比如在火花和壓縮點火之間的轉換過程中，爆震產生的噪音以及耐久性測試。這些問題的答案在馬自達3 X發動機上市之後，會逐步揭曉。

圖 | 來源於網絡

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