技术解读——马自达压燃技术SPCCI

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每当说到马自达，熟悉或者不熟悉的人都可以轻松地脱口而出创驰蓝天技术，脱口而出那款人见人爱的经典车型MX-5等等。不得不说，在如今全球各大厂商的不断涡轮化的趋势下，马自达依旧坚守着自然吸气最后的倔强。这次为大家谈谈马自达的压燃技术。

马自达对外宣称将会在2018年下半年推出第二代创驰蓝天汽油发动机，新发动机油耗表现将比第一代产品提升约30%。燃效提升的关键是新一代创驰蓝天汽油发动机上采用的HCCI（Homogeneous Charge Compression Ignition ，中文译为“均质压燃”）技术，该技术可压缩汽油混合气将其压燃，过去压燃一直是柴油发动机所采用的点火方式。

● 先看看动力输出效果吧！

第二代创驰蓝天汽油发动机将会与第一代一样，有1.5L、2.0L和2.5L等多种排量。外媒的报道公布了新发动机2.0L/2.5L排量的动力参数，2.0L发动机最大功率为170马力，峰值扭矩为215牛·米；2.5L发动机最大功率为210马力，峰值扭矩为275牛·米。

目前阿特兹上的2.0L发动机最大功率为158马力，峰值扭矩为202牛·米；2.5L发动机最大功率为192马力，峰值扭矩为252牛·米。第二代创驰蓝天汽油发动机在动力上相比上代产品有一定的提升。

动力增强，油耗降低是第二代创驰蓝天发动机的主旋律，正好迎合了日益严苛排放法规的步步紧逼。马自达又一次向世人证明了要降低汽油发动机的油耗，除了搭载涡轮增压器的排量小型化之路，还有其它的路可以走得通。

● 新发动机没有舍弃火花塞

第二代创驰蓝天汽油发动机采用了HCCI均质压燃技术，利用18:1的超高压缩比压燃（通过活塞压缩混合气使之温度升高至一定程度时自行燃烧）汽油混合气，实现了燃效的提高（压缩比越高，燃效就越高）。

“均质燃烧”中的“均质”，指的是混合气的状态，遍布气缸内的混合气的汽油浓度是均匀的。通过活塞对气缸内的均质汽油混合气施加压力导致混合气升温，当温度上升至一定程度，气缸各处的混合气会同时燃烧。均质压燃技术提升了汽油发动机在中低负载工况下的稀燃极限（过量空气系数λ更大），提升了发动机的燃油经济性。（注：过量空气系数λ=燃烧1kg燃料实际所供给的空气质量/完全燃烧1kg燃料所需的理论空气质量，该数值越大说明混合气中汽油越少，空气越多，混合气汽油浓度越低。）

同时，由于均质燃烧消除了火花塞点火式汽油发动机混合气燃烧时火焰扩散过程中的能量损失，故燃效更高。

冷车启动时，第二代创驰蓝天发动机会通过VVT可变气门正时机构，延迟进气门关闭时间，让逐步上行的活塞把部分进入气缸的空气推回进气道，降低发动机的实际压缩比，然后用火花塞点燃汽油混合气。通过利用传统的发动机工作循环（如奥托循环）及相关的控制方法（如推迟点火时间）来让三元催化器迅速升温以降低冷机排放水平。

HCCI技术的基本原理就是通过活塞压缩混合气使之温度升高至一定程度时自行燃烧，此处的混合气为均质混合气（也就是气缸内各处混合气的浓度趋于一致）。对于HCCI汽油发动机而言，如何把汽油和空气快速混合成为均匀的混合气非常关键，这极大地影响燃效。为了实现上述目标，第二代创驰蓝天汽油发动机将会采用喷射压力更高的燃油喷嘴。更高的压力可以使汽油雾化更充分，从而加速其与空气的混合，提升均质压燃的效率。

产品竞争力方面，2.0L第二代创驰蓝天汽油发动机的动力输出参数与目前主流1.4T发动机相比，最大功率更强，但峰值扭矩稍弱；而2.5L第二代创驰蓝天汽油发动机的动力输出参数介乎于1.6T和1.8T之间。第二代创驰蓝天发动机在动力性能上没有明显优势，我们期待其实际油耗表现能给予我们惊喜。

无论是目前应用的SKYACTIV-G，还是即将实装在量产车上的SKYACTIV-X，马自达的核心思路都是尽可能的压榨出内燃机在燃烧效率方面的极限。现在的阿特兹和昂克赛拉等车型的发动机，主要是通过提高压缩比来实现更好的燃油经济性，而未来的SKYACTIV-X则是力图提升比热比。

也就是让同等分量的燃料，混入更多空气，进行稀薄燃烧。但在空燃比超过30以后，常规火花塞点火的燃烧扩散效率不足。所以马自达从柴油机的压燃获得灵感，通过压燃汽油的方式来弥补火花塞点火的缺陷。一直以来这个思路有很多厂商都尝试过，但有一点难题，就是如何解决超高空燃比之下，汽油压燃稳定性问题，因为它对温度的波动极其敏感。

马自达最终的解决方案是，用火花塞来辅助控制压燃的技术，这也是SPCCI的全拼，既Spark Controlled Compression Ignition。他们在气缸内安装了燃烧压力传感器，在广域的转速区间内都可以实现可控的压燃。在压燃运作模式下，火花塞的点火动作主要是为了形成膨胀火球（也被称为空气活塞），进一步压缩缸内混合气体，从而实现压燃的条件。

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！

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。

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1000Mpa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。

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。

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，马自达只能以其他方法来提升废气排空率了。

总结：

马自达过于理工男的技术执着，确实是消费者的福音，但是想在中国市场做好销售，还是需要多汇总中国消费者的需求。

好了，本篇文章就到这里，我是六六科技人，让我们一起探索未来。