◆文/江蘇 高惠民

一、SKYACTIV-X發(fā)動(dòng)機(jī)的客戶價(jià)值

“ZOOM-ZOOM”原本是兒童模仿發(fā)動(dòng)機(jī)轟鳴的聲音。而對(duì)于有一個(gè)汽車公司來(lái)說(shuō)“ZOOM-ZOOM”，代表了企業(yè)的品牌精髓，它就是馬自達(dá)汽車的品牌所在。馬自達(dá)在ZOOM-ZOOM可持續(xù)發(fā)展宣言2030中，將實(shí)現(xiàn)美麗地球、人心豐盈的社會(huì)形態(tài)為己任,通過(guò)持續(xù)汽車產(chǎn)品的本位價(jià)值，不斷追求能夠?qū)崿F(xiàn)用戶身心愉悅的探索和努力，圖1所示為馬自達(dá)對(duì)“人、地球、社會(huì)”深刻理解。

圖1 馬自達(dá)“人、地球、社會(huì)”意義內(nèi)涵

在電氣化進(jìn)程不斷被各個(gè)汽車廠商宣揚(yáng)的今天，馬自達(dá)不同于其他汽車企業(yè)環(huán)境保護(hù)思想，即以“從油箱到車輛駕駛(tankto-wheel)”的二氧化碳排放評(píng)估體系，而是倡導(dǎo)通過(guò)“從燃料開(kāi)采到車輛駕駛(well-to-wheel)”的二氧化碳排放評(píng)估體系，綜合性地削減燃油在開(kāi)采、提煉、制造運(yùn)輸環(huán)節(jié)的全過(guò)程中產(chǎn)生的二氧化碳總量。圖2所示為車輛的兩種二氧化碳評(píng)估方法示意圖。

圖2 二氧化碳排放評(píng)估方法示意圖

以電能為例，如果電能來(lái)源是火電(燃煤)，那么在整個(gè)環(huán)節(jié)中，二氧化碳排放總量是否真的比單獨(dú)內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)要環(huán)保嗎?為此馬自達(dá)調(diào)研結(jié)論是：以“從燃料開(kāi)采到車輛駕駛(well-towheel)”的二氧化碳的環(huán)保視角，換算成綜合二氧化碳排放量，電動(dòng)車是128g/100km，而搭載創(chuàng)馳藍(lán)天發(fā)動(dòng)機(jī)的馬自達(dá)車是142g/km。馬自達(dá)只需實(shí)現(xiàn)10%左右的改善，即可到達(dá)與電動(dòng)車相媲美的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。于是馬自達(dá)執(zhí)著地對(duì)內(nèi)燃機(jī)的潛力進(jìn)行挖掘，研發(fā)出了一款逆天的創(chuàng)馳藍(lán)天X發(fā)動(dòng)機(jī)(SKYACTIV-X發(fā)動(dòng)機(jī))，為全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)壓燃點(diǎn)火的量產(chǎn)應(yīng)用開(kāi)創(chuàng)了先河(現(xiàn)已應(yīng)用于MAZDA CX-3和MAZDA3 CX昂克賽拉兩款車型中)。如果按照不同的發(fā)電方式來(lái)?yè)Q算，電動(dòng)汽車是通過(guò)煤炭或石油發(fā)電來(lái)產(chǎn)生電力的話，而搭載馬自達(dá)SKYACTIV-X發(fā)動(dòng)機(jī)的環(huán)保性能已經(jīng)超越了電動(dòng)汽車。SKYACTIV-X發(fā)動(dòng)機(jī)與上一代SKYACTIV發(fā)動(dòng)機(jī)以及發(fā)電廠的二氧化碳排放量相比如圖3所示。這就更加證實(shí)了內(nèi)燃機(jī)專家堅(jiān)信的“在未來(lái)很多年里，內(nèi)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)仍將為全球大多數(shù)汽車提供動(dòng)力，并且能夠?yàn)闇p少二氧化碳排放做出最大貢獻(xiàn)，未來(lái)內(nèi)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)占轎車新車銷售量的比例如圖4所示。

圖3 SKYACTIV-X發(fā)動(dòng)機(jī)二氧化碳排放量比較圖

圖4 未來(lái)內(nèi)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)占轎車新車銷售量的比例圖

SKYACTIV-X發(fā)動(dòng)機(jī)是馬自達(dá)提出創(chuàng)馳藍(lán)天技的第二代高熱效率汽油發(fā)動(dòng)機(jī)(第一代是SKYACTIV-G汽油發(fā)動(dòng)機(jī)和SKYACTIV-D 柴油發(fā)動(dòng)機(jī))，核心技術(shù)是汽油發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)火花塞點(diǎn)火控制壓燃點(diǎn)火技術(shù)(Spark ControlledCompressionIgnition，SPCCI)，有效地結(jié)合柴油發(fā)動(dòng)機(jī)與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)(圖5)，可使汽油燃燒更加充分、熱效率更高、動(dòng)力性能更加強(qiáng)。

圖5 火花塞點(diǎn)火控制壓燃點(diǎn)火技術(shù)(SPCCI)特點(diǎn)

1.輸出性能得到了顯著提升

出色的初始響應(yīng)能力(高扭矩)以及高轉(zhuǎn)速下的延展性(出色的加速性能)。很多車輛尤其是小排量渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，油門-速度往往有時(shí)滯，油門踩下去要停頓個(gè)0.5～1s車才有加速度，這個(gè)就是渦輪遲滯效應(yīng)。SKYACTIV-X發(fā)動(dòng)機(jī)有先天優(yōu)勢(shì)，其動(dòng)力調(diào)節(jié)和柴油機(jī)類似，節(jié)氣門保持全開(kāi)狀態(tài)，空氣吸入沒(méi)有阻力，動(dòng)力大小由燃油噴射量決定，油門踏板深踩后，燃油噴射量即可瞬間增加，就可以極大提高加速響應(yīng)性(圖6)。

圖6 SKYACTIV-X發(fā)動(dòng)機(jī)加速響應(yīng)性示意圖

2.燃油經(jīng)濟(jì)性得到了顯著提升

由于提高了熱效率(15∶1幾何壓縮比，36∶1的超稀薄空燃比，壓燃點(diǎn)火,)，在所有路況下駕駛(從城市道路到高速公路)，都可以保持良好的燃油經(jīng)濟(jì)性。發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工況是很復(fù)雜的，不能只看某一點(diǎn)的極限熱效率，更要關(guān)注低油耗區(qū)域的范圍大小，目前市面上的發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)對(duì)排放和油耗的對(duì)策為減小發(fā)動(dòng)機(jī)排量+渦輪，以提高在NEDC工況下的燃油經(jīng)濟(jì)性，由于此對(duì)策的油耗最佳區(qū)域較為狹窄，在該區(qū)域之外燃油經(jīng)濟(jì)性迅速下降，尤其在實(shí)際行駛工況或者最新的WLTP工況下油耗表現(xiàn)一般。

廣域的燃油經(jīng)濟(jì)性區(qū)域意味著變速器匹配時(shí)不再局限于升擋降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)保證高效的燃油經(jīng)濟(jì)性。如圖7所示，正常發(fā)動(dòng)機(jī)巡航在A點(diǎn)2200r/min，變速器在最高擋位，對(duì)于SKYACTIV-X發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，可以把巡航工況設(shè)計(jì)到B點(diǎn)3000r/min，變速器不在最高擋位，在油門急加速時(shí)，SKYACTIV-X發(fā)動(dòng)機(jī)不需要降擋直接提高扭矩，從而獲得更快速更直接的響應(yīng)，極大的提高了駕駛性。體現(xiàn)了車輛出色的速度動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和排放環(huán)保性。如圖8所示，馬自達(dá)SKYACTIV-G和SKYACTIV-D與SKYACTIV-X在扭矩、功率和油耗對(duì)比。以2.0L排量為例，“SKYACTIV-X”發(fā)動(dòng)機(jī)與“SKYACTIV-G”發(fā)動(dòng)機(jī)相比，燃油經(jīng)濟(jì)性實(shí)現(xiàn)20%～30%的明顯提升，與2008年非搭載SKYACTIV技術(shù)的MZR發(fā)動(dòng)機(jī)相比，燃油消耗率改善幅度達(dá)35%～45%，SKYACTIV-X發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到與“SKYACTIV-D”柴油發(fā)動(dòng)機(jī)同等或以上的燃油經(jīng)濟(jì)性。

圖7 SKYACTIV-X發(fā)動(dòng)機(jī)更大的燃油效率范圍圖

圖8 SKYACTIV-X發(fā)動(dòng)機(jī)在扭矩、功率和油耗對(duì)比圖

3.實(shí)現(xiàn)了車內(nèi)的靜謐性

SPCCI火花塞點(diǎn)火控制壓燃點(diǎn)火技術(shù)燃燒功率大，振動(dòng)大，發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲大，帶來(lái)駕駛座艙噪聲大。為了減少這些噪聲，采用M-HYBRID(輕混合動(dòng)力系統(tǒng))的ISG(集成啟動(dòng)/發(fā)電一體機(jī))安靜的發(fā)動(dòng)機(jī)啟停(IR)操作以及膠囊型結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)艙NVH設(shè)計(jì)(雙層發(fā)動(dòng)機(jī)倉(cāng)蓋)，可以吸收壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)的噪音和振動(dòng)，如圖9所示。

圖9 SKYACTIV-X發(fā)動(dòng)機(jī)艙降低NVH的設(shè)計(jì)

二、HCCI汽油機(jī)燃燒的基本理論

一百多年以來(lái)，點(diǎn)燃式(SI)汽油機(jī)經(jīng)歷了從化油器到缸內(nèi)直噴和分層燃燒不斷地改進(jìn)，最好軟噴射型分層燃燒缸內(nèi)直噴點(diǎn)燃式汽油機(jī)在部分負(fù)荷工況的有效熱效率已可達(dá)到同排量柴油的機(jī)的水平，但其指示熱效率仍低于柴油機(jī)。汽油機(jī)指示熱效率低于柴油機(jī)是由于它的燃燒方式所造成的。為了使混合汽能夠被點(diǎn)燃，火焰能夠傳播，混合汽的空燃比必須限制在一定范圍；同時(shí)，為了避免火焰前鋒面前面的未燃混合汽突然發(fā)生大范圍自燃，產(chǎn)生爆燃，汽油機(jī)的壓縮比受到限制。這兩個(gè)限制都影響了汽油機(jī)的熱效率。從21世紀(jì)開(kāi)始，一種全新的燃燒方式，均質(zhì)壓燃(HCCI,Homogene?ous-Charge Compression-Ignition)被提出，并受到世界上幾乎所有主要汽車公司和發(fā)動(dòng)機(jī)研究機(jī)構(gòu)的注意，并先后開(kāi)始進(jìn)行研發(fā)。從表面上看，HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)是SI汽油機(jī)和CI柴油機(jī)的結(jié)合，它像汽油機(jī)一樣采用預(yù)混合的均勻混合汽，又像柴油機(jī)一樣利用壓縮過(guò)程產(chǎn)生的熱使混合汽自燃，不需要使用火花塞來(lái)點(diǎn)燃。而實(shí)際上HCCI的燃燒過(guò)程與點(diǎn)燃式汽油機(jī)以及柴油機(jī)的燃燒過(guò)程都不同。汽油機(jī)和柴油機(jī)的燃燒都是擴(kuò)散燃燒過(guò)程。如圖10所示，汽油機(jī)主要依靠熱擴(kuò)散來(lái)實(shí)現(xiàn)火焰?zhèn)鞑ィ裼蜋C(jī)的主燃燒過(guò)程是依靠燃油蒸氣和氧氣的擴(kuò)散現(xiàn)象使油氣相遇產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。

圖10 汽油機(jī)和柴油機(jī)擴(kuò)散燃燒示意圖

在上述的這兩種燃燒過(guò)程中，燃燒室內(nèi)工質(zhì)物理量在空間的分布是不均勻的，因而發(fā)生熱擴(kuò)散或物質(zhì)擴(kuò)散現(xiàn)象。而理想的HCCI是在整個(gè)燃燒室內(nèi)同時(shí)發(fā)生的燃燒過(guò)程，在燃燒過(guò)程中工質(zhì)物理量在空間的分布是均勻的，僅隨時(shí)間變化。因此，HCCI在理論上不存在擴(kuò)散現(xiàn)象，是屬于非擴(kuò)散的燃燒過(guò)程。圖11生動(dòng)描繪了HCCI燃燒過(guò)程和SI燃燒過(guò)程的大致特點(diǎn)。

圖11 HCCI燃燒過(guò)程和SI燃燒過(guò)程特點(diǎn)的比喻示意圖

如果將燃燒放熱過(guò)程比喻成收獲的場(chǎng)景，那么在火花點(diǎn)火燃燒模式下,火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程就像人們協(xié)調(diào)有序地排成一行進(jìn)行收割，將田地劃分為已收割(已燃)區(qū)域和未收割(未燃)區(qū)域。與之不同，HCCI的放熱就好比人們散布于整片田地而不是排成一行,這樣莊稼(能量)收割更迅速。因此，HCCI燃燒的放熱過(guò)程大大快于傳統(tǒng)SI燃燒。這種放熱更接近等容放熱過(guò)程,如圖12所示均質(zhì)壓燃汽油機(jī)與傳統(tǒng)汽油機(jī)的缸內(nèi)壓力變化曲線比較。

圖12 均質(zhì)壓燃汽油機(jī)與傳統(tǒng)汽油機(jī)的缸內(nèi)壓力變化曲線比較

HCCI燃燒放熱特性與SI燃燒放熱特性對(duì)比如圖13所示(1bar=100kPa)。在SI燃燒模式下，有一條狹窄的反應(yīng)區(qū)域，或者稱為火焰前鋒面，將缸內(nèi)工質(zhì)分為已燃和未燃兩個(gè)區(qū)域，放熱僅在這個(gè)狹窄的反應(yīng)區(qū)內(nèi)進(jìn)行。因此，SI燃燒的累積放熱量就是反應(yīng)區(qū)域內(nèi)一定質(zhì)量工質(zhì)dmi的放熱總和。

圖13 HCCI燃燒放熱特性與SI燃燒放熱特性對(duì)圖

理想HCCI燃燒過(guò)程中，燃燒在整個(gè)汽缸內(nèi)同時(shí)發(fā)生,在燃燒進(jìn)行的某一瞬時(shí)缸內(nèi)所有混合汽體都將參與放熱。因此，HCCI燃燒的累積放熱量則應(yīng)該是混合汽總量m在各個(gè)燃燒反應(yīng)dqi中所釋放熱量的累加。但是，由于實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)中混合汽成分分布和溫度分布達(dá)不到絕對(duì)的均勻，放熱也不能在整個(gè)混合汽中均勻進(jìn)行。缺乏稀釋和/或溫度較高的區(qū)域放熱較快，導(dǎo)致放熱不均勻.其放熱曲線如圖中虛線所示。

HCCI過(guò)程和汽油機(jī)的爆燃過(guò)程有很多相似之處。也可以說(shuō),HCCI就是一種爆燃。但是，由于單位質(zhì)量未燃混合汽所含化學(xué)能的數(shù)量不同，這兩種燃燒對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響不同。點(diǎn)燃式汽油機(jī)的混合汽接近當(dāng)量空燃比，其過(guò)量空氣系數(shù)受到火焰?zhèn)鞑サ南拗?，一般不能大?.5。在爆燃時(shí)由于單位質(zhì)量混合汽釋放出大量的熱能會(huì)造成高溫燃?xì)鈴?qiáng)烈的壓力波動(dòng)，除了產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)外還會(huì)使缸壁間的傳熱增加，使汽油機(jī)過(guò)熱，造成拉缸等損害。而HCCI汽油機(jī)的混合汽需要用過(guò)量空氣或大量的殘余廢氣進(jìn)行稀釋。如果殘余廢氣系數(shù)不顯著增加，HHCI混合汽的過(guò)量空氣系數(shù)必須大于2才能控制氮氧化物的生成及燃燒的粗暴性。因此在HCCI燃燒過(guò)程中單位質(zhì)量混合汽所具有的化學(xué)能較少，并不一定造成缸內(nèi)燃?xì)獾膲毫Ω哳l波動(dòng)。由于燃?xì)鉁囟容^低，也不至造成汽油機(jī)的過(guò)熱和拉缸等損害。因此，HCCI汽油機(jī)不再受到爆燃的限制，可以提高壓縮比，混合汽的空燃比不再受到混合汽點(diǎn)燃和火焰?zhèn)鞑ヒ蟮南拗啤？梢圆捎帽萐I燃燒稀薄得多的混合汽，混合汽濃度與發(fā)動(dòng)機(jī)著火如圖14所示。

圖14 混合汽濃度與發(fā)動(dòng)機(jī)著火示意圖

因?yàn)獒娪贸”』旌掀蚋浞值膹U氣稀釋，降低了燃燒溫度，提高了工質(zhì)的比熱比，混合汽濃度對(duì)比熱比的影響如圖15所示，使汽油機(jī)的熱效率和燃油經(jīng)濟(jì)性得到極大的提高。氮氧化物(NOx)的生成受到抑制，減輕了排氣后處理的困難。另外，HCCI燃燒可以在取消節(jié)氣門的情況下實(shí)現(xiàn)部分負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，消除了傳統(tǒng)SI燃燒中節(jié)氣門部分開(kāi)啟造成節(jié)流的泵氣損失。綜上所述，HCCI燃燒能有效改善汽油機(jī)熱效率低的問(wèn)題，即壓縮比低、比熱比低、泵氣損失大、燃燒等容度低以及循環(huán)波動(dòng)率高。但是，相比于SI汽油機(jī)，HCCI汽油機(jī)燃燒也存在兩大限制區(qū)域如圖16所示。

圖15 混合汽濃度對(duì)比熱比的影響

圖16 HCCI汽油機(jī)燃燒存在兩大限制區(qū)域示意圖

高負(fù)荷下受爆震或劇烈燃燒現(xiàn)象限制，而低負(fù)荷下則受不完全燃燒或失火的限制。比如在低轉(zhuǎn)速、低負(fù)荷下，汽缸內(nèi)溫度不夠?qū)е挛茨軌喝迹辉诘拓?fù)荷高轉(zhuǎn)速下由于燃料太少，發(fā)生壓燃反應(yīng)的時(shí)間不夠而失火；在高轉(zhuǎn)速高負(fù)荷下又難以穩(wěn)定的燃燒，容易爆震。外界環(huán)境溫度從-35℃到90℃的變化，大氣壓從海平面100kPa到海拔5000m的0.6kPa的變化，都會(huì)讓HCCI的工作范圍縮小。為了應(yīng)對(duì)時(shí)時(shí)刻刻的環(huán)境變化，控制汽油HCCI著火和燃燒的原則是混合汽溫度、濃度和組分協(xié)同控制。于是，馬自達(dá)另辟途徑，獨(dú)自研發(fā)了具有專利技術(shù)的SPCCI(Spark Controlled Compression Ignition:火花控制壓縮點(diǎn)火)燃燒的SKYACTIV-X型發(fā)動(dòng)機(jī)。并投入量產(chǎn)與商品化。

(未完待續(xù))