app下载地址

马自达Skyactiv-X:都压燃了,还要火花塞干嘛?

时间:2018-06-01   作者: XCP彭煜曦 

马自达第二代创持蓝天Skyactiv-X目前已经进入开发的最后阶段,这意味着用不了多久(马自达官方说是2019年),其代表性技术——压燃式汽油引擎就会正式进入民用车市场,量产往复式汽油内燃机的热效率也将提升到一个全新的高度,说这是划时代的产品也绝不夸张。

但为什么说起来这么牛呢?其实什么叫压燃?汽油机用压燃就很稀罕吗?

在往复式内燃机的根目录之下,我们可以粗略分开汽油机和柴油机两个分支。而这两种引擎类型除了燃料不一样外,结构上也会有比较大的区别,其中最典型的就是燃料的点火方式了——汽油机是用火花塞点燃,而柴油机则是直接压燃。

简单地解析下两种点火方式:汽油机会在压缩冲程末端/做功冲程初始,以高压电脉冲来让火花塞电极上产生尖端放电的电火花,从而点燃汽油与空气的混合气,使之燃烧膨胀放热并推动活塞下行做功;而柴油机则会在压缩冲程末端/做功冲程初始,由喷油嘴向缸内喷入雾化柴油,此时缸内高温高压的纯空气会让柴油直接自燃,然后也是燃烧膨胀放热推动活塞下行做功。

马自达Skyactiv-X:都压燃了,还要火花塞干嘛?

两者不同的工作方式其实是根据燃料的不同特性而设计的,汽油燃点高但是挥发性强对火花敏感,同时燃烧速度快抗爆性差,用火花塞点燃能做到更好的控制,避免不正常燃烧(爆震);而柴油燃点低但挥发性差,同时燃烧慢抗爆性强,一来是火花塞无法点燃,二来是容易让压缩空气达到其燃点,所以用压燃点火才能正常工作。

既然如此,Skyactiv-X为何还要“逆天而行”?

除了点火方式的不同外,两种燃料的特性也让汽油机与柴油机有着另外一些也是比较典型的差异。比如压缩比方面,因为要防止爆震的发生,所以汽油机哪怕自然吸气,压缩比也一般不高于12,像海外版第一代创持蓝天Skyactiv-G的14已经是奇葩了;然而柴油机的话,就目前技术水平来说哪怕是增压进气,压缩比也几乎不低于17。而我们都知道,更高的压缩比意味着更高的热效率。

又比如空燃比,汽油机基本要遵循14.7的理论空燃比来匹配进气与燃料供应的比例,虽说此前也有稀薄燃烧技术的发动机推出,但相比其能基本无视空燃比这个概念的柴油机(当然,也是要限制在一定范围内的,只是区间要比汽油机宽泛得多),效率自然是有比较明显的差别的。

说到这里大家都应该很清楚了,马自达走这条看似违背基本规律的创新道路,为的就是要达到提高内燃机效率这个听上去非常简单纯洁的目的。当然了,听起来简单不代表就真的简单,此前业界普遍认为汽油内燃机效率极限在40%以下,以至于丰田达成41%就可傲视群雄了。然而据马自达表示,采用Skyactiv-X技术的新一代汽油引擎,热效率可以达到48%之高!不说了,看图吧……

马自达Skyactiv-X:都压燃了,还要火花塞干嘛?

只是,汽油机搞压燃的好处既然连我都说得出来,肯定是每个厂家都知道的,事实上过去几十年来很多车厂都立项过这方面的研究,但为什么到最后就只有马自达将它做了出来呢?难道真的要用“马自达技术水平比较高”这种理由来总结吗?在我看来其实更像是马自达一贯以来的固执让他们在其他车厂都知难而退后,用足够的耐心等来了技术突破的曙光。

既然是压燃,那火花塞的存在有何意义与作用?

刚才我们已经说过柴油引擎压燃点火的实现过程,需要大家了解的是,马自达Skyactiv-X的压燃和柴油机压燃还是有本质上的不同的,马自达将之称谓SPCCI,Spark Controled Compression Ignition,火花控制压燃。顾名思义,火花塞也还是需要存在的,这也解答了文章标题中的问题。但火花塞在这当中担任的又是怎么样的角色呢?为什么需要它的存在来控制压燃呢?有它的存在那Skyactiv-X又和普通的SI(Spark Ignition)汽油机有何区别呢?

首先需要说明,SPCCI只是这台新发动机的其中一种工作模式,事实上它还是能实现SI循环的,基本上在高转速大负荷(较恶劣)的工况下,它还是会回归到和普通汽油机无异的SI循环,此时空燃比也是会比较接近14.7的理论值,目的是维持燃烧可控/稳定、保护机件、增强输出,油耗并非首要考虑因素。

但除了刚才提到的工况,全新Skyactiv-X汽油机几乎都能无缝切换到SPCCI模式之中,此时空燃比最高可以达到理论值14.7的两倍以上,一般来说混合气是无法用火花塞直接点燃的,但如果完全参照柴油机的工作方式,燃烧又无法实现精准控制,不但提高效率的目的未必能达到,更有可能损坏机件。

所以,马自达的工程师想出了一个天马行空的方法,就是在压缩冲程末端/做功冲程初始依然让火花塞正常打出电火花,虽说空燃比过稀火焰无法正常传播点燃所有混合气,但不要紧,因为只要能点燃火花塞周围小部分混合气就够了。这一部分气体燃烧时,会进一步向周围其他所有混合气施压放热,用马自达工程师们的话来说就像是一个“空气活塞”那样,与实体活塞协同作用之下,能让剩余混合气的温度与压力达到汽油自燃的条件,继而在一瞬间爆发,达成压燃的结果。

马自达Skyactiv-X:都压燃了,还要火花塞干嘛?

这种点火方式,除了刚才已经提到的,能大幅提升空燃比以直接节省燃油外,因为整个燃烧过程是全部混合气被瞬间点火的,相比起靠火焰传播来点火的传统汽油机,更高的燃烧速度会让爆炸力更加强劲,从而达成提升输出的结果。原理上是可以完全兼顾省油和增强动力两个方面的,并不像我们常规思维里的那样,两者存在矛盾必须二选一。

马自达靠什么手段造就了如此强悍的引擎?

综上所述,Skyactiv-X不仅仅是“逆天而行”,就效果来说也是能称得上“逆天”了。而要达成这样的表现,马自达在这款新引擎上作出的优化可不少,当中包含了很多超出我们想象的技术手段,下面我们来简单讲讲:

首先是压缩比,刚才我们提到,一般情况下汽油机鲜有压缩比超过12的,而上代Skyactiv-G做到了14(海外版),但这次的Skyactiv-X足足提升到了18!已经是和绝大部分柴油机一致甚至更高的水平了!而从其工作模式反推,我们可以判断这是一个临界值,可以保证SI模式下能实现无爆震正常燃烧,在SPCCI模式下也需要火花塞来引爆整个压燃的进程,总的来说就是维持发动机在可控的状态。与此同时我们也能看出SI和SPCCI两种模式的切换主要是靠控制缸内温度来实现的,而结合目前已经公开的关于Skyactiv-X的一些数据和内燃机标定的常识来推断,马自达主要通过两大手段来实现缸内温度的控制。

第一种手段就是最基本的空燃比控制,因为汽油蒸发能吸热的缘故,其实一直以来这都是汽油机燃烧控制的有效方法,只是说一般而言调节范围比较小,不会偏离理论值14.7太多。而刚才我们也提到了,Skyactiv-X汽油引擎的空燃比可以从14.7一路横跨到理论值的两倍以上,带来的调节效果当然也是更大的,能兼顾SI和SPCCI也不足为奇了。不过也正正因为是跨度巨大,考虑到其对喷油精确度的需求有增无减,与此同时汽油也必须要保证良好雾化才能实现精确控温以及与空气完全混合,所以Skyactiv-X的油轨是专门设计的,不仅仅能达到最高1000bar的压力以确保雾化效果,而且管路如大家所见也作了加长回路的等长设计,一来是为内部压力波动提供缓冲空间,二来是保证各缸喷油压力的一致。

马自达Skyactiv-X:都压燃了,还要火花塞干嘛?

第二种手段自然就是进排气控制了,虽说马自达一直以来都不怎么热衷于增压(但不热衷不代表不擅长),但全新Skyactiv-X引擎却用上了特别设计的机械增压单元来确保各种工况下缸内气体填充效率的一致性(不用涡轮的原因一来是无法实现全转速区间的精准控制,二来是它会影响排气流畅度,所以哪怕机械增压会消耗部分动力也在所不惜),配合冷却单元独此一家的EGR(废气再循环),可以理解成这是为上面提到的空燃比调控提供一个稳定的基准值。说到底,一切都是为了精准精准和精准,否则根本不可能实现可控的汽油压燃。

对了,最后需要提到,Skyactiv-X取消了第一代创持蓝天上标志性的、体积巨大的4-2-1排气歧管。这一组歧管当年之所以被采用,主要目的在于减低各汽缸之间的排气干涉,甚至是利用上各缸排气激波的脉冲作用来实现更强的废气排空效率,从而降低缸内热量累积以达成提升压缩比的目的。但这样的设计也是有短板的,就是无可避免地让三元催化与汽缸的距离更远了,因此催化器无法在冷车时快速加温(初代Skyactiv-G冷车怠速奇高就是因为得靠这样来更快加热三元),甚至连正常行驶中的工作温度也不能得到很好的保证。如今在技术换代的时候取消这一设计,可以理解成是在排放指标越来越严格的今天,这短板已经到了不可容忍的程度,再加上空燃比大幅升高后废气污染物含量也会爆发性地增加,本身就需要更好的处理效果,所以相比起那本身就属于锦上添花的独特“头蕉”设计,摆在马自达面前更重要的问题是排放能不能达标,毕竟这决定了Skyactiv-X能否走进市场。

总结

其实和第一代创持蓝天技术一样,换代后的Skyactiv-X也不仅仅只体现在动力系统上,它本身是一种工程学上的指导思想,有点像丰田的TNGA那样,是一种整体的解决方案,在车架悬挂甚至设计等方面都能得到体现,只是说和上代一样,技术体系里最吸睛的“黑科技”还是要看动力系统而已。

但无论如何,这始终是值得我们期待的飞跃式技术进步,而到2019年Skyactiv-X就会全面上市,需要等待的时间已经不长了。

返回 收藏 分享

下载APP领新人专属福利

新车评-汽车资讯 车友论坛

打开