馬自達(dá)將在 2018 年推出 Skyactiv-X發(fā)動(dòng)機(jī)，打造世界首款壓燃汽油機(jī)。這款發(fā)動(dòng)機(jī)采用了伊頓專為馬自達(dá)設(shè)計(jì)的增壓系統(tǒng)，具體請(qǐng)見圖片中央位置。

馬自達(dá)的創(chuàng)新 Skyactiv X 火花控制壓縮點(diǎn)火 (SpCCI) 燃燒系統(tǒng)預(yù)計(jì)將于2018年投產(chǎn)，這款發(fā)動(dòng)機(jī)是數(shù)十年來內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域發(fā)展的最重要成果之一。SpCCI發(fā)動(dòng)機(jī)可以延長(zhǎng)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際使用壽命，這在全球排放規(guī)定愈發(fā)嚴(yán)格，且電動(dòng)汽車加速發(fā)展壯大的大背景之下尤為重要。

馬自達(dá)公司董事、高級(jí)管理執(zhí)行官藤原清志表示，未來幾十年內(nèi)，SpCCI 技術(shù)將成為公司汽油發(fā)動(dòng)機(jī)戰(zhàn)略的基礎(chǔ)。藤原告訴《汽車工程》，為了實(shí)現(xiàn)“零尾氣排放”的目標(biāo)，未來汽車的動(dòng)力單元將最終采用以微藻類為基礎(chǔ)的生物燃料，而 SpCCI 經(jīng)過專門設(shè)計(jì)，可以支持更大排量的動(dòng)力系統(tǒng)。

作為一種新興的燃料原材料，藻類將逐漸展現(xiàn)更大的潛力。

經(jīng)過超過 8 年的集中研發(fā)工作，馬自達(dá)的SpCCI 系統(tǒng)終于成型。該系統(tǒng)結(jié)合了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的能效和扭矩輸出優(yōu)勢(shì)，以及雙凸輪汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速優(yōu)勢(shì)，還能同時(shí)保證每公里不超過60 克的 CO2 排放水平。除此之外，SpCCI 發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)無需對(duì)原材料表單進(jìn)行大規(guī)模變更，主要的改動(dòng)僅集中在電子控制和氣缸頭部分。

目前，SAE 已經(jīng)收到了大量有關(guān)奧托循環(huán) (Otto) 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)論文，各家汽車廠商也進(jìn)行了大量相關(guān)工作，比如：梅賽德斯-奔馳一直在大力研發(fā)奧托循環(huán)柴油機(jī)DiesOtto（見http://papers.sae.org/2009-01-2701/）；通用汽車在開發(fā)均質(zhì)壓燃 (HCCI) 發(fā)動(dòng)機(jī)（見http://articles.sae.org/6635/）；本田和現(xiàn)代等廠商也在進(jìn)行類似的研發(fā)（見http://books.sae.org/b-hon-016/）。然而，盡管這些資金充裕的大型汽車廠商一直在關(guān)注 HCCI 技術(shù)的研發(fā)，但截至目前尚沒有公司公布任何有關(guān)這些新興燃燒技術(shù)的量產(chǎn)計(jì)劃。

據(jù)悉，馬自達(dá)的最新技術(shù)合作伙伴豐田也對(duì) SpCCI 系統(tǒng)興趣滿滿，并考慮在公司的主力混合動(dòng)力電動(dòng)車產(chǎn)品中應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)。

與現(xiàn)行發(fā)動(dòng)機(jī)架構(gòu)相比，SpCCI 發(fā)動(dòng)機(jī)的主要變化體現(xiàn)在汽缸頭、電子控制系統(tǒng)和氣泵增壓器方面。

柴油機(jī)般的強(qiáng)勁扭矩輸出

最近，在馬自達(dá)德國(guó) Oberursel 歐洲技術(shù)中心舉辦的一次媒體活動(dòng)中，筆者有幸試駕了兩款 2.0 L SpCCI Mazda 3 原型車（分別為手動(dòng)擋和自動(dòng)擋），完成了總長(zhǎng)超過 30 英里（48 公里）的測(cè)試循環(huán)。真實(shí)體驗(yàn)證明，火花點(diǎn)火模式(SI) 和壓縮點(diǎn)火模式 (CI) 之間難以順暢切換的長(zhǎng)期挑戰(zhàn)，似乎已經(jīng)得到克服。工程師表示，SpCCI原型發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)的表現(xiàn)的確有些生硬，但現(xiàn)在距離發(fā)動(dòng)機(jī)的最終校準(zhǔn)和生產(chǎn)仍有大約 1年時(shí)間，還可以進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

可以確定的是：在日常駕駛工況中，SI 和CI 之間的切換已經(jīng)幾乎很難察覺了。本次測(cè)試循環(huán)的駕駛環(huán)境包括高速公路、鄉(xiāng)村和城市道路。在整個(gè)測(cè)試循環(huán)中，這款全新SpCCI 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速曾飆到接近6000 轉(zhuǎn)，整體排放水平即使說不上完美，也算是相當(dāng)不錯(cuò)了。這款發(fā)動(dòng)機(jī)有 6擋轉(zhuǎn)速，可輕松降至 1200 轉(zhuǎn)，充分展示了自身如柴油機(jī)般強(qiáng)勁的扭矩輸出能力。

由于扭矩輸出的范圍更加寬廣，馬自達(dá)得以更加高效地調(diào)整車輛的檔位分布，從而進(jìn)一步改善車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性并降低排放。

馬自達(dá)集合其汽油機(jī)和柴油機(jī)設(shè)計(jì)之精華，打造了新款 Skyactiv-X 發(fā)動(dòng)機(jī)。

遺憾的是，截止本文發(fā)表之時(shí)，馬自達(dá)尚未公布 SpCCI 發(fā)動(dòng)機(jī)的孔沖程、額定扭矩、功率等其他技術(shù)細(xì)節(jié)。馬自達(dá)稱，與現(xiàn)行 Skyactiv-G 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)相比，SpCCI 發(fā)動(dòng)機(jī)的能效取得了 20% 到 30% 的提升。然而，從《汽車工程》得到的測(cè)試結(jié)果來看，情況可能并非如此喜人。在測(cè)試循環(huán)中，當(dāng) SpCCI 模式在整個(gè)循環(huán)測(cè)試中的運(yùn)行時(shí)間超過95% 時(shí)，手動(dòng)擋標(biāo)配 Mazda 3SKY-G 取得了13.3% 的燃油效率提升，平均燃油經(jīng)濟(jì)性從此前的29.4 提升至 34.0 mpg （即 100 公里油耗從8.0 L 下降至6.9 L）。

馬自達(dá)的數(shù)據(jù)表明，與公司當(dāng)下的 2.0 L 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)相比，全新 Skyactiv-X 發(fā)動(dòng)機(jī)不僅燃耗明顯更低，而且性能也更加強(qiáng)大。

自動(dòng)擋汽車的情況也很類似，當(dāng) SpCCI 模式在整個(gè)循環(huán)測(cè)試中的運(yùn)行時(shí)間超過 95% 時(shí)，自動(dòng)擋測(cè)試車也取得了 14.75% 的燃油效率提升，平均燃油經(jīng)濟(jì)性從此前的 29.9 提升至 35.1 mpg（即 100 公里油耗從35.1 L 下降至29.9 L）。

然而，取得這樣的數(shù)據(jù)結(jié)果，與該循環(huán)相對(duì)極端的測(cè)試方式也有關(guān)系。具體來說，馬自達(dá)的循環(huán)測(cè)試主要是為了評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)的屬性，比如高檔位下的低速和正常加速*** CI 模式之間的切換等，而這種情況在“正常駕駛環(huán)境”中并不常見。

馬自達(dá) SpCCI 系統(tǒng)的燃燒策略圍繞火花塞展開，進(jìn)而增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)的有效壓縮比，并“促進(jìn)”壓縮點(diǎn)火過程。

壓縮比：從18:1 到15:1

從 2011 年啟動(dòng) Skyactiv 全面能效提升項(xiàng)目依以來，馬自達(dá)已經(jīng)陸續(xù)推出了大量壓縮比達(dá) 14:1 的發(fā)動(dòng)機(jī)。此外，SpCCI 也是 Skyactiv 項(xiàng)目的主要成果之一。根據(jù)馬自達(dá)工程師的數(shù)據(jù)，全新 Skyactiv-X 發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比可達(dá) 15.0:1。

“我們之所以將壓縮比控制在 15:1 ，是因?yàn)檫@最接近正常環(huán)境溫度下的壓縮點(diǎn)火條件，”馬自達(dá)動(dòng)力系統(tǒng)執(zhí)行官 Ichiro Hirose解釋說，“火花會(huì)形成一個(gè)膨脹的火球，而這個(gè)火球如同一個(gè)次級(jí)的‘空氣彈簧’，可以為發(fā)動(dòng)機(jī)提供額外的壓縮壓力。由于火球是火花塞產(chǎn)生的，因此可以有效控制SI 和 CI 之間的切換?！?/p>

Hirose 補(bǔ)充說，“首先，取得超高壓縮比是使用稀薄空氣燃料混合燃燒的關(guān)鍵突破點(diǎn)；其次，發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比越低，相應(yīng)的熱比則越高。為了實(shí)現(xiàn)這一重大突破，我們至少需要將空燃比提高一倍，從 14.7:1 提高至 30.0:1?！?/p>

正如《汽車工程》此前的報(bào)道，在 Skyactiv-X 項(xiàng)目的 G1、G2和 G3 階段，工程師通過將均質(zhì)壓燃系統(tǒng)的壓力和溫度調(diào)整至理想狀態(tài)，進(jìn)而將 λ為 2.5 時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比調(diào)整至 18:1，取得了 40% 的熱效率提升。

在 SpCCI 發(fā)動(dòng)機(jī)中，火花塞產(chǎn)生的火球可提高發(fā)動(dòng)機(jī)的有效壓縮比，優(yōu)化整個(gè)燃燒室內(nèi)的燃燒環(huán)境。

馬自達(dá) SpCCI 量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)取得的一大關(guān)鍵突破是對(duì)燃燒過程的精準(zhǔn)控制。SpCCI 發(fā)動(dòng)機(jī)的每個(gè)氣缸均安裝了獨(dú)立壓力傳感器，可以對(duì)溫度、壓力等發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)則會(huì)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的雙電動(dòng)可變凸輪軸、空氣泵，以及將在500 bar (5252 psi) 時(shí)啟動(dòng)的分離噴射系統(tǒng)?！镀嚬こ獭妨私獾?，馬自達(dá)的空氣泵采用了羅茨(Roots) 循環(huán)原理，由伊頓公司(Eaton Corp.) 專為馬自達(dá)SpCCI 發(fā)動(dòng)機(jī)研制提供。

事實(shí)證明，對(duì)于處于 CI 模式下高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)，增壓系統(tǒng)和廢氣再循環(huán)系統(tǒng)的作用非常顯著。但馬自達(dá)研發(fā)管理執(zhí)行官Takahisa Sori 也表示，在2013 年時(shí)，馬自達(dá)的目標(biāo)是在更多不同負(fù)荷級(jí)別的自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)中成功實(shí)現(xiàn)稀燃HCCI 技術(shù)。Sori 的工程師擔(dān)心，氣泵的使用會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)在真實(shí)世界中的燃油經(jīng)濟(jì)性。

在與《汽車工程》記者的討論中，Sori表示非常看好HCCI 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)與混合動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)合，認(rèn)為在電機(jī)的協(xié)助下，可以擴(kuò)大發(fā)動(dòng)機(jī)的理想運(yùn)行范圍。發(fā)動(dòng)機(jī)完全可以通過小型化電機(jī)和電池的運(yùn)用來降低成本。在此背景下，馬自達(dá)選擇與豐田的混動(dòng)系統(tǒng)工程師展開合作也就不足為奇了。

SpCCI 發(fā)動(dòng)機(jī)將分2 個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)空氣和燃料的混合，分別在進(jìn)氣沖程和壓縮沖程中進(jìn)行燃油噴射。此時(shí)，燃燒室內(nèi)將形成一個(gè)強(qiáng)勁的漩渦，進(jìn)而產(chǎn)生燃料密度梯度，即CI 外圍的空燃混合物相對(duì)稀薄，而火花塞中心處的空燃混合物則較為豐富（有利于火球的形成）。

火花點(diǎn)火可以在高負(fù)荷條件下啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，但并不會(huì)在任何預(yù)設(shè)的點(diǎn)切換至壓燃模式。Hirose 解釋說，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)到達(dá)進(jìn)氣邊界條件時(shí)，燃燒室內(nèi)將產(chǎn)生一個(gè)不斷膨脹的火球。此時(shí)，由于點(diǎn)燃模式提供的額外壓縮力，發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際壓縮比會(huì)高于約15-16:1 的幾何壓縮比，進(jìn)而觸發(fā)CI 模式。

Hirose 同時(shí)提到，SpCCI 發(fā)動(dòng)機(jī)的制造成本將介于柴油和汽油發(fā)動(dòng)機(jī)之間。