是天才也是疯子 马自达SKYACTIV-X解析
【太平洋汽车网 技术频道】在大家都上涡轮增压的时候,马自达一直坚持着自然吸气;在大家都在发展新能源车的时代,又是马自达显得略不合群,还在坚持继续将大部分精力放在了研发内燃机技术。这个“不合群”的品牌有着执着的坚持和信仰,而历史总在告诉我们,坚持着信念的人总会获得令人骄傲的成功,而这部分人也往往会被人称作“疯子”。
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创驰蓝天第二代发动机 SKYACTIV-X(创世蓝天-X发动机下文简称:SKYACTIV-X)引入了HCCI,这也是世界上第一款搭载了HCCI点火的量产发动机,马自达决定在2019年正式量产SKYACTIV-X。
HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition)的全称翻译过来是“均质充量压燃”。
下面我们将会聊到一些比较复杂的技术知识,但是这些技术总的来说都是围绕着动力性提升和燃油经济性提升这两方面来展开的,所以我们先不去看复杂的技术知识,先来看看这个大家把它夸上天的技术到底实现了什么了不起的成就?
1.燃油经济性的显着改善
在发动机排量为2.0L的车辆中,与SKYACTIV-G(创驰蓝天-G发动机下文简称:SKYACTIV-G)相比,SKYACTIV-X的燃油经济性提高了20%。同时,在频繁使用低车速的区域,由于使用超级稀薄燃烧,燃油经济性可提高多达30%。 在途中我们不难发现了,SKYACTIV-X的燃油效率甚至等于或超过最新的SKYACTIV-D柴油发动机。
2.显着提高了输出性能和响应能力。
SKYACTIV-X的发动机排量为2.0L,它比目前的SKYACTIV-G至少提升了10%的扭矩,在某些转速下可提高30%。
怎么做到的呢?这很大程度上要归功于上文我们所提到的HCCI,也就是均质压燃技术。
我们正在面临着的环境问题和能源问题,让我们不得不去认真思考:如何降低汽车的排放和减少燃油后消耗。
无论出于一个企业的社会责任心还是政策原因,这个问题都成了每个汽车企业都需要急需考虑的。所以有的企业选择了油电混合驱动、有的企业选择了纯电驱动、有的企业采用了新的燃料作为汽油柴油的替代燃料等等,而马自达选择的HCCI(均质充量压燃)也是其中一种节能减排的解决方案。
HCCI除了能实现较高的压缩比和比热比,还能完全和快速地燃烧稀薄混合气,实现多点大面积同时压缩着火,没有传统火花塞点燃的火焰传播过程,所以压缩点火可以在极短的时间内完成燃烧放热,以提高发动机效率。而火花塞点火式发动机有火焰传播的明显时间延迟。
可以说,HCCI是一种非常理想燃烧模式。
要知道HCCI在汽油发动机上很难实现稳定燃烧。因为燃烧的氧化反应过程比较复杂,从氧化反应开始到点燃混合气会有一段从冷焰到热焰的着火延迟,这个着火延时取决于温度、压力和浓度,因为不同的驾驶条件下,压缩冲程中存在的温度和压力的变化,所以HCCI的着火时刻不易控制。
从图片上可以看到,HCCI燃烧的转速和负载区间较窄,只在中等低转速下HCCI工作效果最佳。在在上图蓝色范围之外,燃烧不稳定且难以控制。所以由此我们可以知道:在HCCI可工作范围以外的转速和负荷下需要采用火花塞点火,以保证发动机正常工作。于是问题来了:如何无缝衔接这两种点火方式?
因为传统的火花塞点火和HCCI点火对缸内温度、空燃比、EGR的要求均不一样,需要发动机在不同工况下、来回切换点火模式非常困难。
是的我们上面提到,传统火花塞点火与HCCI点火之间对温度、空燃比、EGR等的要求互相矛盾,这两者切换之间所处的状态难以实现任何一种点火,于是马自达便想到了应用人为手段去为压燃创造条件,也就是通过火花塞辅助点火来提高气缸内的压力和温度。
为了让火花塞点火和HCCI点火之间能更好地过渡,马自达引入了火花塞辅助点燃的模式,利用火花塞点火辅助可以提高HCCI的点火能力,更好地控制混合气着火时刻,同时也让气缸内着火有很好的稳定性。这个利用火花塞点火辅助的压燃方式被马自达命名为SPCCI。
SPCCI是通过在压缩行程的过程中,先使用火花点燃一小部分混合气,这部分混合气爆炸并膨胀,为缸内创造接下来压缩自燃所需的压力和温度(但在活塞未到达上止点时混合气仍保持在自燃程度以下,如何控制这一举动下文我们会解释),当活塞继续向上运行,直到到上止点时,缸内其余的混合气通过压缩同时被点燃。
所以本质上SPCCI虽然有火花塞的介入,但是火花塞点火仅仅作为为压燃创造条件的辅助手段,而且我觉得不需要纠结这是不是存在了火焰传播,你需要知道的是,SKYACTIV-X发动机最终在SPCCI点火模式下,大部分的混合气还是通过多点大面积点燃,同时还保持了整体放热速率较高的水平。而SKYACTIV-X则可以在大部分时候使用到的是SPCCI点燃,小部分区域可以实现HCCI。所以我们可以认为,马自达确实不仅将HCCI点火这个技术实现了量产,还将压燃的范围扩大至了更大的区域。
为了实现SPCCI,马自达更新了发动机上一些硬件,包括新型活塞头设计和超高压燃油喷射系统,以帮助混合气以及旋涡形状的形成,以及采用了高响应的空气供给装置,可以引入大量空气,同时配合气缸压力传感器等来精确控制发动机,值得一提的是SKYACTIV-X还搭载了轻度混合动力系统,或许是用于发动机启停作用的。SKYACTIV-X控制逻辑看起来相当复杂,但与以前实现HCCI的那些概念来说,复杂性降低了很多。下面我就具体介绍一下SKYACTIV-X发动机的部分重要细节。
·控制空气燃料混合物以防止异常燃烧
因为SPCCI需要非常高的压缩比,高压缩比使压缩点火更容易实现,但它也增加了过早压缩点火的可能性,这可能会严重损害发动机,发动机需要在保持高压缩比的同时,防止在燃烧过程中发生压缩着火,所以马自达为SKYACTIV-X引入了分段燃油喷射、超高压燃油喷射系统和缸内压力传感器。
1.分段燃油喷射
为了防止在压缩稀薄的油气混合气中出现不正常的燃烧,SPCCI采用了分段式燃油喷射系统,其中一小部分燃油在进气过程中喷入,形成低密度稀薄混合气,而更多的另一部分在压缩过程中喷入。这不仅让SPCCI更好实现点火,还有效控制了混合气的异常燃烧。
2.超高压燃油喷射系统
为了尽可能地缩短压缩冲程的时间以及使压缩点火更加高效,燃料快速的雾化以及油气混合气更快地形成非常重要。于是马自达采用了超高压的喷油系统,喷油油压达到1000bar,这能够使得汽油瞬间雾化,同时产生强大的湍流,大大提升点火稳定性和燃烧速度。
3.采用缸内压力传感器
除了采用上文所说的防止不正常燃烧的技术外,SKYACTIV-X还采用了缸内传感器作为监测控制,将其与目标配置文件进行比较,通过不断观察喷射、点火等数据,发现喷油、点火等是否给预期结果带来了适当的燃烧,并对任何偏差进行实时补偿,确保持续优化燃烧。
·新型活塞头:
除了有良好的雾化效果,缸内气体流动形式也是决定混合气燃烧速度的要点之一,SKYACTIV-X采用了新型的活塞头,让气缸内的混合气形成漩涡状,使气体更好地被压缩燃烧。
·机械增压器:
这个小型的机械增压器可以施加最大约0.5bar的压力,这个增压器作用并不是为了给发动机增加多少的马力,而是为了提高效率用的。增压系统为气缸带来更多的空气,即使在较高的发动机转速下也能保持混合气足够稀薄。这个增压器是离合式的,在较低的发动机转速下可以解耦,避免空燃比变得过于稀薄。
对于马自达这样一个执着于车技研发和革新的“汽车匠人”来说,骨子里的“次世代基因”让它着力于创新汽车技术,以精益求精的精神和多年如一日的“深耕”与“探索”,寻求可以超越于时代、普惠于大众的先进技术。
从上个世纪的转子发动机,到如今的SKYACTIV-X(创驰蓝天-X发动机)技术,马自达一直在立足当下、着眼于未来,在“次世代”一直处于主动地位,代表未来的“次世代的技”也一直未曾缺位过。
在传承中坚守,在坚守中创新,在创新中进化,这便是马自达能够一直在次世代立于不败之地的原因所在吧。(图/文:太平洋汽车网 迟东宁)
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