伴隨環境保護的迫切性與油耗法規的壓迫性,大家愈發意識到傳統內燃機技術已見頂,新能源汽車時代將快速到來。然而并非如此,眾多國際大廠依然用實際行動證明傳統內燃機驅動系統還有很大上升空間。
內燃機領域的變化主要是排量越來越小和一系列新技術的開發,目前小排量渦輪增壓發動機已成為共同選擇,還有諸如沃爾沃雙渦輪增壓、馬自達超高壓縮比發動機與博格華納ebooster電控渦輪增壓等新技術也在幫助降低油耗。變速箱領域的變化主要是多檔變速箱有很大突破,在愛信和ZF兩大變速箱品牌的共同發力下,8AT變速箱大為普及,已經被裝配到20萬左右的量產車上。另外,本田、豐田、大眾與福特已經設立8速以上變速箱推進計劃,其中本田的10AT已經量產。
雖然近年來新能源有風靡全球之勢,但這些依然表明內燃機驅動技術還有極大發掘潛力。
許多主機廠對這個觀點堅信不疑,尤其是馬自達,它認為:極致地追求更理想的內燃機技術仍是全世界在相當一段時間內的未來趨勢所在,同時也將成為汽車行業的主流選擇。當然,輕混合動力等電動化技術的發展也是不可或缺的重要部分。馬自達將毫不動搖地堅持以內燃機技術研發為主,配合電動化技術同步發展的基本戰略。
正是基于這種深刻認知,2010年馬自達推出創馳藍天系列發動機,這是繼轉子發動機之后,馬自達在發動機領域又一力作。這些發動機的特點是具備超高壓縮比,性能強大的同時還能保持超低油耗。在增壓發動機滿天飛的年代,創馳藍天為自吸發動機作出有力回應。
SKYACTIV-X,理工男的執著
如果把汽車品牌定性為學生,那馬自達是執著的理工男。
創馳藍天發動機已經足夠優秀,但對于追求極致技術的馬自達而言還不夠,為此,他們已經開發并批量生產新一代發動機技術。據悉,這是使用全新燃燒方法的發動機“新物種”,它有效地結合了柴油發動機與汽油發動機的各自優勢。馬自達將它視為柴油發動機和汽油發動機之間的交叉產品,命名為“SKYACTIV-X”。
一般發動機有兩種點火方式,火花塞點火和壓燃點火,其中壓燃點火是直接靠氣缸活塞運動將混合氣體壓縮至燃燒,柴油機用的正是這種點火方式。汽油燃點比柴油高,正常情況下汽油機無法使用壓燃點火,只能借助活塞點火。SKYACTIV-X則融合這兩種點火方式,將汽油如同柴油發動機一般進行壓燃點火。
按照定義,采用壓燃點火的汽油發動機,被稱為均質充氣壓燃技術(HCCI)。這種燃燒方式以汽油和空氣的混合氣體為燃料,通過控制壓縮溫度和壓力實現點火。在火花點火都難以點燃的稀薄狀態混合氣體,這種燃燒方式可以在壓燃點火狀態下迅速且清潔地進行燃燒,好處是提高熱效率,降低油耗,還能有效減少氮氧化物(NOx)的排放。
SPCCI,轉子精神的延續
HCCI,即使全世界都在質疑“你”,馬自達卻依然堅信。
HCCI未能大規模推廣,是因為這項技術有兩個世界性難題遲遲無法突破。一個是有效轉速范圍比較狹窄,導致壓燃只能在一段區域內進行。因為汽油壓燃引入了火花點火來助攻,所以火花點火和壓燃點火的靈活控制尤為關鍵。
對此,馬自達開發了系列技術,它能擴大壓燃點火轉速范圍的同時,實現點火方式的靈活切換。馬自達將這個技術稱之為SPCCI,即火花控制壓燃技術。SPCCI的工作分為兩個部分,在冷啟動、中低轉速與發動機中低負載情況下,采用壓燃點火;中高速工況與發動機高負載,采用傳統火花點火。
另外,為了解決低負荷下缸內壓力不足問題,馬自達配備了一套強力壓縮機,它能給氣缸提供更多的空氣,提高壓強,使混合氣體達到燃燒零界點。所以,嚴格來說,它已經不是自然吸氣發動機。
通過對發動機燃燒的深刻理解,結合火花點火和壓燃點火,馬自達開發出SPCCI這種綜合點火方式,再加上多年的臺架測試驗證與技術改良優化,HCCI難題終于被突破,這是馬自達“轉子精神”又一延續。
SKYACTIV-X的優缺點
任何技術都有優缺點,它能量產的唯一條件是,付出收益大于缺陷成本。
SKYACTIV-X的優點主要是高燃效,馬自達稱新發動機的燃效理論上能達到50%。動力提升的同時油耗下降,這也是技術進步的必要條件。
動力提升方面,與馬自達創馳藍天汽油機相比,SKYACTIV-X發動機扭矩提高10%,最高可以達到30%。另外,由于采用壓燃點火,再配置壓縮機,SKYACTIV-X發動機的進氣不會像普通的汽油發動機一樣“慢慢將空氣吸入氣缸”,所以它的發動機工作更加靈敏,油門響應更快,進而能夠為用戶帶來更直接的駕駛感受。比如,駕駛者先將加速踏板踩下10%行程,然后瞬間踩到50%,這時就能感受到發動機極強的動力響應,這與采用壓燃點火的柴油發動機類似。
壓燃帶來的直接好處是能夠實現超高的空燃比,實現稀薄燃燒,能夠噴入更少的燃油讓發動機正常,正如“既要牛干活,還能少喂草”的例子,馬自達表示SKYACTIV-X發動機相比現款發動機能減少50%燃油供給。另外,HCCI技術打破了曾經被認為金科玉律的“黃金空燃比”14.7:1,SKYACTIV-X發動機空燃比最高能夠達到36.8:1,可以縮減30%油耗。
SKYACTIV-X的缺點主要是系統更加復雜,可靠性需要驗證,而且保留了壓燃點火的部分缺陷。
由于結合火花和壓燃兩種點火方式,SKYACTIV-X的點火控制邏輯更加復雜,它會根據缸內溫度氣壓與活塞位置,掌握火花點火時機和壓縮機鼓風量,一個環節沒掌握好就會導致燃燒不充分,達不到省油的目的。而且,相比傳統汽油機,HCCI發動機顆粒物排放會增加,需要加裝專門的顆粒物捕捉器,廢氣再循環系統EGR也需要重新優化。
另外,壓燃的必要條件之一是需要更高的壓縮比,但隨之容易產生爆震。一般HCCI發動機超過3000轉后,發動機會出現抖動、動力下降、油耗增加等問題。
而馬自達為了克服這個問題,除了結合兩種點火方式,馬自達在新一代創馳藍天發動機上采用更高壓力的燃油泵和高壓噴油嘴,力求通過更大的壓力使汽油霧化更充分,加速和空氣混合的速度,讓缸內混合氣體濃度均勻燃燒。
總而言之,馬自達推出搭載HCCI技術的SKYACTIV-X汽油機的確是一件震驚全球的事情,因為它再次率先克服了其它車企滿懷質疑的內燃機黑科技,它肯定了馬自達作為一家小廠卻有著超強的研發實力。
據悉,SKYACTIV-X發動機將會在今年法蘭克福車展正式亮相,正式進入量產階段在2019年。對于未來,馬自達表示這套發動機短期會單獨裝車,并逐步代替現有發動機矩陣。后期為了滿足愈漸嚴格的油耗與排放法規,還會配套其它電氣化輔助技術,進一步提高燃油經濟性。除此以外,面對世界主要國家和地區對新能源的瘋狂支持力度,馬自達也會同時發展插混、純電動和燃料電池技術。
來源:第一電動網
作者:電動勢
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