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拯救汽油机计划

时间:2018-10-01 分类:汽车与运动 来源: 汽车与运动2018年7期

我想马自达一定会对自己每一分开销都精敲细打:一年160万的产销量在这个巨无霸横行的世界上显得实在微小,因而每一份收获都来之不易。不过相比大众、丰田、现代或是通用集团,马自达又拥有出色的独立性,一个确实存在但容易忽略的优势。

正因为如此,它可以充分控制自己的技术路线。比如,没有哪一家汽车公司曾比这家来自广岛的日本公司更执着于转子发动机,虽然这种机型被认为缺乏开发潜力、无法落实环保指标,也从没有成为主流,但毫无疑问马自达是一个执着于为问题制造解决方案的公司。再比如,正当所有主机厂都高举“小型化-增压化”的技术旗帜时,马自达提出了“正确化”的概念。在马自达工程师的眼里,基于技术进行更新、发挥设计潜质比一股脑地告别从前更加重要。

Skyactiv-X系列發动机便是马自达对于“技术更新”、“设计潜质”的进阶表达。它将那个很多主机厂曾经尝试但悉数失败的汽油机技术带进了现实——汽油机压燃燃烧方式。其实这个概念最早并非由马自达提出,我们熟知的柴油机就是采用了这种燃烧方式,实现了比汽油机更高的热效率。曾有几个主机厂成功地将这种燃烧方式引入了汽油机,并制造了原型测试机,但还没有人像马自达一样进入了量产阶段。唯一一个擦边球还是日产集团的VC-Turbo(VariableCompression Ratio)涡轮增压发动机,这一量产机型并没有直接采用压燃技术,但可变压缩比设计的确是迈向压燃汽油机的一大步。

马自达最终找到了自己的技术路线,且没有如日产般复杂的机械结构。想要读懂Skyactiv-X的工作方式,我们首先要明确一个关于汽油机压燃方式的概念——均质燃烧(HCCI-Homogenous Charge Compression Ignition)。它与当下汽油机采用的点燃式燃烧过程最大的差别为发火方式。以四冲程机型为例,HCCI发动机在压缩冲程终了时不再通过火花塞引燃缸内燃烧室的做功工质,而是通过压缩冲程产生的压力和温度使工质自行点燃,因此HCCI发动机需要比普通机型更高的压缩比。微观来看,HCCI发动机的做功工质在达到点燃临界条件时发生了一个“整体性”的燃烧过程,即所有的工质几乎在同一时间发火燃烧;而普通发动机则需要火花塞在恰当的时刻通电打火,通过一部分工质燃烧传播燃烧点燃剩余部分。这样一来,均质燃烧过程的燃烧更加充分,进而发出更大的功率;而正因为燃烧是瞬态过程,更大的功率意味着HCCI发动机可以使用更高的空燃比,工质中的燃料组分更少,因此更加节能。

但是,HCCI发动机对控制系统的要求极高,而且在低转速、低负荷时的燃烧状况非常不理想。为此马自达提出将点燃式燃烧方式引入Skyactiv-X机型中,使HCCI发动机可以按照不同工况下选择不同的燃烧方式,虽然这样一来Skyactiv-X发动机会变得颇为复杂,至少,它需要实现不同模式之间的平稳切换。

马自达将带有火花塞的均质燃烧方式称为“SPCCI”(Spark Controlled Compression Ignition,火花塞控制式均质燃烧),即在必要时它可以完全实现点燃式燃烧过程,意味着它不再每时每刻都需要HCCI发动机的高压缩比,进而避免了如同日产VCTurbo发动机的复杂结构,降低了成本。

那么SPCCI的工作原理是什么?在稳定工况下,Skyactiv-X发动机的压缩比为16:1,高于一般缸内直喷发动机大约11:1的比值,但是这一设定并不能实现汽油工质的压燃式燃烧。另外,为了实现更高效的进气过程,进气冲程中由皮带带动的机械式进气压缩机将大量空气以高速压入气缸中,与此同时缸内的喷油嘴开启喷油,由活塞顶形成的燃烧室形状使缸内气体产生绕流,以实现燃油和空气的充分混合,形成均质工质。

随后在压缩冲程活塞接近上止点时喷油嘴再次开启,围绕火花塞的周围形成较浓的工质。紧接着火花塞在做功冲程点火,首先被点燃的便是这部分较浓工质,形成马自达所说的“冲击活塞”,实质是能够快速传播的火焰前锋面,同时提升了均质工质的压力,起到了类似活塞的作用。在高压力作用下,均质工质发生压燃式燃烧。

听起来不难吧?但很难对压燃式燃烧过程进行控制,还要实现稳定的燃烧过程,避免爆震或者敲缸(即部分极稀工质在整体压燃之前就进行燃烧),因此对控制系统提出了极高的要求。理想的状态是均质燃烧过程恰好于做功冲程开始,因此需要缸内直喷系统有着非常准确的喷射点。

为了控制燃烧过程,马自达在每一缸中都装配了压力传感器,根据发动机的负载和转速实时对控制点火和喷油时间进行闭环控制。在某些工况,比如高负载或者高转速时,发动机将自动切换为传统的点燃式燃烧方式,此时,喷油嘴将两次喷油过程压缩成为一次。正相反的另一种工况,低负载或者低转速时,Skyactiv-X发动机就采用之前所述的均质燃烧过程,以避免不正常燃烧的出现。

Skyactiv-X发动机的循环方式叫做“米勒循环”,本质上是目前 “阿特金森”循环的机械增压版本。阿特金森循环的实质是在压缩冲程开始后才关闭进气门,通过进气门晚关减少当次燃烧过程的工质量,降低压缩比。这同样意味着做功冲程中活塞的行程要大于压缩冲程,实现了工质做功的最大化,取得了更高的经济性。但不同于阿特金森循环,米勒循环强制进气的方式提高进气压力,减少了低压缩比带来的做功损失。

再次回到燃烧过程中。均质燃烧方式其实有一个巨大的缺陷,就是燃烧时压力和温度过高,外加过剩的氧气,产生了大量的氮化物NOx。氮氧化物对于环境有害,因此排放标准中对于这一尾气的成分有着非常严格的限制,为此HCCI发动机需要加装类似柴油机的氮氧化物选择还原装置。但由于Skyactiv-X发动机采用的是SPCCI燃烧方式,大大降低了尾气中这种成分的含量,便也意味着不再需要这种复杂的尾气处理装置。

HCCI发动机另外一个缺陷便是噪音和震动。高压缩比下的压燃式燃烧非常剧烈,因此柴油机才会发出比汽油机更恼人的嗒嗒声。但这在Skyactiv-X发动机上不是什么问题,16:1的压缩比比一般的柴油机要低,引起噪声的燃烧过程也更加温和。事实上,这一压缩比只比现有的马自达发动机高一点,在一番隔音材料和缓震隔层的作用下,大有可能无法察觉Skyactiv-X发动机有什么不同。

Skyactiv-X发动机采用了气门正时调节机构,以实现均质燃烧和普通点燃燃烧的切换;但没有采用气门升程调节机构,这一功能由进气压气机和高精度喷射装置进行补偿。最初开始马自达曾尝试过用現有的ECU控制单元控制Skyactiv-X发动机,但发现如此多的控制变量让ECU完全过载。另外一个尝试则是时下时髦的48伏起动机系统,但随后被证明并无实质性的贡献。

那么Skyactiv-X发动机的特性到底如何?首先,避免了小排量增压化,Skyactiv-X发动机与手动变速器的搭配更加顺畅,看来短时间内马自达还不会放弃它出色的手动变速器;其次,Skyactiv-X发动机的高转速经济性非常出色,比如它在5000转/分钟的燃油消耗量与3000转/分钟时几乎没有什么不同,因此它可以采用更大的减速齿比,意味着同一变速器速比下扭矩更大,加速感受更加强烈。

第三,Skyactiv-X发动机的扭矩只比目前的2升机提高了20%到30%,注意,这一数值并非来自实验室或者测试台架,而是实机装车的测量结果。至于油耗,马自达称Skyactiv-X发动机的油耗好过Skyactiv-D柴油发动机。

Skyactiv-X发动机预计将随新一代马自达3在2019年正式亮相。新一代马自达3采用了最新的“魂动”设计语言,具体外形元素可以参考2017年东京车展发布的Kai Concept“魁”概念车。马自达也承认Skyactiv-X概念不只是全新一代机型,更是全新的车型架构。比如刚度更高的车身、全新设计的悬架系统、新轮胎配方、改进后的NVH特性还有更舒服的座椅,这一切都为了让新一代车型在不丢掉马自达所强调的“运动感”的同时提高车辆的舒适性。

从实际体验来看,Skyactiv-X概念确实达到了它的效果。在短暂的打火声响之后, SPCCI发动机很快回归了平静的怠速。仔细体会,由于怠速时发动机由火花塞点燃,怠速的震动和声响确实有针对性的处理方案,至少目前还是有一些柴油机的感受,另外新增的机械式进气压气机也需要隔音处理。不过马自达表示新一代机型最终将会被各种隔音材料包裹,静音性甚至会好过目前的Skyactiv-G汽油机。

Skyactiv-X动力系统开起来非常自然,与现款车型相比,前者的离合器踏板相对更轻,换挡过程也更加顺滑,相似点是非常线性的操控感。低负载时深踩油门,Skyactiv-X发动机的响应比目前自然进气发动机稍有延迟,但差异真的不太明显。发动机的动力对于油门踏板的收放有着积极的反应,即便高转速时也没有太多的拉拽感,高扭矩平台意味着Skyactiv-X发动机在某种程度上与涡轮增压柴油发动机非常相似,但没有涡轮机的迟滞效应。

为了显示发动机的运转模式,马自达的工程师在新一代马自达3测试车的中控台上加装了显示发动机工况的显示器。如果对之前的介绍还有印象,便不难理解Skyactiv-X发动机主要在SPCCI燃烧方式中运转,在低转速、低负载时则切换为火花塞点火燃烧,其实如果没有这个显示器,我很难分辨发动机到底处于什么燃烧方式。相比量产发动机,用于试驾的早期实验机型产生的震动和噪音更大,而且音色也很难称得上好听。不过现如今声音工程神乎其神,做出一些“运动”排气声响似乎只是分分钟的事情,为此我毫不担心。

由于整个白车身的刚性得到了提高,因此新一代马自达3显得更加精致,车内的噪声水平更低,之前在一些路面上产生的车厢共振已经消失不见。搭配Skyactiv-X概念中座椅的新设计,整个乘坐感受提升了一个档次,产生了坐在MX5甚至是RX8后续车型的感觉。

在整个行业为小排量、涡轮增压、电动化而转身的时候,这家来自广岛的小众汽车品牌挺身而出,为人类工程的百年沉淀——内燃机站台。也许有朝一日,带着发动机汽车已经不是主流,但我们依然要佩服马自达的勇气,要感谢它做出的付出。

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