有很多原因能解釋為什么不是所有人都愿意開電動汽車。你可能已經(jīng)想到了兩三個原因，但讓我加一個，我相信你肯定沒有想到。它是電動車的一個大障礙，但很少被提及。

這就是內(nèi)燃機，它絕沒有停滯不前。它在發(fā)展，而且發(fā)展得很快。

馬自達的火花塞點火控制壓燃點火（SPCCI）系統(tǒng)是最能詮釋這種靈活不懈、努力進取的例子，該系統(tǒng)計劃在2019年末以新型內(nèi)燃機的形式與購車的公眾見面。馬自達借用了柴油發(fā)動機的技術(shù)，將燃料-空氣混合物壓縮到自燃點，而不是像汽油發(fā)動機那樣用火花塞點火。這是繼20世紀70年代開始快速發(fā)展的電控燃油噴射之后，內(nèi)燃機取得的最大進展。

這款新型發(fā)動機在某些條件下以壓燃方式運行，就像柴油發(fā)動機一樣，在另一些情況下以火花塞點火方式運行，就像標準的汽油發(fā)動機一樣。它將以創(chuàng)馳藍天-X（Skyactiv-X）的名稱銷售，采用馬自達當(dāng)前的發(fā)動機設(shè)計創(chuàng)馳藍天-G（G代表汽油）?！拔覀兎Q之為創(chuàng)馳藍天-X，因為它融合了汽油和柴油技術(shù)?！瘪R自達動力總成工程師陳杰（Jay Chen，音）在新聞發(fā)布會上表示。

馬自達宣稱，2.0升四缸創(chuàng)馳藍天-X的扭矩比創(chuàng)馳藍天-G大10%到30%，燃料功率高20%到30%。因此，使用2.0升創(chuàng)馳藍天-G作為參考，創(chuàng)馳藍天-X的扭矩介于224到264牛米之間。如果將其用在緊湊車型馬自達3中，并假設(shè)它只有最低限度的混合動力設(shè)計，那么它油耗將為百公里6.36到5.88升之間（合每加侖37到40英里）。但馬自達尚未宣布創(chuàng)馳藍天-X將搭載哪款車型首次亮相。

確實，純電動汽車的數(shù)據(jù)表現(xiàn)更好。美國環(huán)境保護署認定雪佛蘭Bolt EV的電動汽車當(dāng)量為 119每加侖英里數(shù)（mpg，即1.98升/100千米）。另一方面，Bolt充電一次只能行駛383千米，而搭載創(chuàng)馳藍天-G發(fā)動機的馬自達3，加一箱汽油可行駛785公里。

“創(chuàng)馳藍天-X最重要的一點是證明了內(nèi)燃機并沒有死去，電動汽車也不是穩(wěn)操勝券。”行業(yè)咨詢公司太平洋汽車的總裁喬治?彼得森（George Peterson）說道，“在電動車的成本和行程問題得到解決之前，內(nèi)燃機動力系統(tǒng)還是富有活力的?！?/p>

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要想理解SPCCI的工作原理，要從3種內(nèi)燃機——柴油發(fā)動機，標準汽油發(fā)動機以及SPCCI的先驅(qū)、名為均質(zhì)壓燃（HCCI）的發(fā)動機——的基本點火原理開始。

在理想的燃燒中，每個烴分子和一個氧分子配對，生成水和二氧化碳。分子間存在化學(xué)上的理想比率，工程師稱之為λ=1。如果有更多氧氣，在稀薄燃料條件下燃燒，λ就大于1。這對降低燃料消耗來講是好的。并且，因為稀薄燃燒比λ=1的燃燒溫度低，產(chǎn)生的氮氧化物污染也較低。

然而，讓稀薄混合燃料燃燒并沒有那么容易?！盎旌衔镏械娜剂显缴?，點燃就越難，”陳杰解釋道，“就像要點燃點火液不足的烤肉爐一樣?！?/p>

HCCI和SPCCI發(fā)動機中使用的解決方案是：壓縮空氣-燃料混合物，直到它的溫度足夠高、壓力足夠大，最后自發(fā)點燃為止。柴油發(fā)動機也使用這種壓縮點火，但它們首先將純凈空氣壓縮進燃燒倉中，然后噴入柴油燃料。只有這樣燃料才能燃燒起來。

這個順序很重要，因為火焰是由燃料噴入點擴散到燃燒室的其余部分的。前面擴散火焰的高溫導(dǎo)致柴油排放出特有的煙灰顆粒和氮氧化物。

在HCCI燃燒中，在壓縮沖程，空氣和燃料在汽缸內(nèi)混合，并均勻擴散到整個燃燒倉，就像在直噴型汽油發(fā)動機中一樣。只有在擴散和混合之后，它們才被壓縮到自動點火點，就像在柴油發(fā)動機中一樣。

因此，在傳統(tǒng)的汽油發(fā)動機中，燃燒開始于火花塞；在柴油發(fā)動機中，燃燒開始于燃油噴射器；在HCCI發(fā)動機中，燃燒立即發(fā)生在整個燃燒室。這會導(dǎo)致強烈的燃燒反應(yīng)，與其他兩種類型的發(fā)動機相比，HCCI發(fā)動機在發(fā)動機動力沖程期間向下對活塞施加更大的力。在壓縮沖程中，汽油發(fā)動機和柴油發(fā)電機都必須在活塞仍在向上移動時點燃燃料，當(dāng)活塞在接近其沖程頂端時，使氣缸壓力達到峰值。

“這意味著活塞仍在向上移動時，已經(jīng)形成壓力，”陳杰說，“活塞不得不對抗當(dāng)前的壓力?！?/p>

“如果我們進行壓縮點火，它可以在非常短的時間內(nèi)發(fā)生，我們實際上可以把活塞上止點的壓力峰值作為目標?！标惱^續(xù)說，上止點是一個行業(yè)術(shù)語，在這一點，汽缸容量處于絕對最小值?！斑@樣一來，所有能量都立即得到釋放，然后砰的一聲！以最大的力量向下推動活塞。燃燒相同數(shù)量的燃料，壓縮點火可以比傳統(tǒng)的火花塞點火得到高得多的壓力。”

要實現(xiàn)這一點，HCCI發(fā)動機需要以非常高的壓縮比運行，就像柴油發(fā)動機一樣。美國桑迪亞國家實驗室（提供數(shù)據(jù)的外部資源單位之一）的數(shù)據(jù)顯示，HCCI發(fā)動機通常以高達14:1的壓縮比運行。傳統(tǒng)渦輪增壓汽油發(fā)動機的壓縮比通常為10:1左右，而柴油發(fā)動機，例如公羊皮卡上常見的康明斯5.9升渦輪增壓柴油發(fā)動機，其運行壓縮比是17.2:1。

然而，HCCI發(fā)動機并不總能控制好自發(fā)燃燒的時間，使自發(fā)燃燒剛好發(fā)生在活塞通過壓縮沖程的上止點，并向下移動開始做功沖程。因為它們所處的環(huán)境變化迅速，需要駕馭混亂的極高溫放熱化學(xué)反應(yīng)，根本無法實現(xiàn)精確控制 。

正如陳杰所說：“只要汽缸內(nèi)的空氣和燃料達到臨界溫度和壓力，就會發(fā)生燃燒?！?/p>

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因為HCCI燃燒只能在適當(dāng)?shù)呢撦d條件和發(fā)動機速度下進行，所以HCCI發(fā)動機需要火花塞以傳統(tǒng)的點火模式運行。這時挑戰(zhàn)就開始了。在HCCI發(fā)動機中，壓縮點火是自發(fā)的，因此很難確切知道汽缸的空氣和燃料混合物何時會被點燃。如果我們青睞的這種迅速而強力的燃燒在做功沖程中過早發(fā)生，而活塞還處于壓縮沖程的上升過程中，則發(fā)動機可能發(fā)生災(zāi)難性損壞。但發(fā)動機負載、節(jié)流閥位置以及溫度是在不斷波動的，如果在某一個瞬間它們突然產(chǎn)生高于壓燃所需的壓縮比，那么這種過早的點火就很難被阻止。

馬自達巧妙地解決了這個問題，最初讓發(fā)動機只噴射很少一部分燃料。這個方案能確保混合燃料很稀薄，無論條件如何都不會提前點燃?！叭缓笤趬嚎s沖程中，在更高壓力下噴射大量的燃料。燃料會霧化，但沒有同樣足夠的時間來加熱，這樣也就沒有足夠的時間達到自動點火的溫度閾值?！标惤芙忉尩?。

那么，如何把握這種稀薄混合燃料在循環(huán)中最合適的時機點火呢？馬自達針對該問題提出了一個創(chuàng)造性解決方案，即使SPCCI發(fā)動機的壓縮比為大約16:1，剛好低于該發(fā)動機中壓縮點火的閾值。

早些時候，在溫度、發(fā)動機負載、節(jié)氣閥位置和轉(zhuǎn)速不適于壓縮點火的情況下，HCCI發(fā)動機需要火花塞來執(zhí)行傳統(tǒng)的操作。但馬自達的工程師們意識到，通過操縱壓縮艙的條件，可以在艙內(nèi)用火花塞進行局部點火。擴散的火焰前緣增加了整個燃燒倉的壓力，有效地提高壓縮比，使整個燃燒倉立刻觸發(fā)燃燒。

這又造成了點火液的問題：如何在燃料混合物過于稀薄而無法點燃的情況下，點燃這個高壓火球？馬自達的解決方案是，靠近火花塞創(chuàng)建一個不那么稀薄的區(qū)域，僅憑壓縮即可比較容易地點火。這樣火花塞即可點燃火球，火球膨脹會增加整個汽缸的壓力，引發(fā)壓力點火。換句話說，火花塞的作用不是點火，而是助燃。

創(chuàng)建這樣一個局部的“不那么稀薄的區(qū)域”并不容易?！拔覀儾荒苤皇前讶剂戏胚M去，然后讓它的濃度略微增加，因為它會（和艙內(nèi)其他的一切物質(zhì)）相混合?！标惤芙忉尩溃盀榱烁綦x這個‘不那么稀薄的區(qū)域’，使該區(qū)之外仍然非常稀薄，我們引入了汽缸渦流。”

就像咖啡師創(chuàng)造藝術(shù)拉花一樣，也可以讓引入汽缸中的空氣-燃料混合物按照精心設(shè)計的圖形旋轉(zhuǎn)。但馬自達工程師們沒有畫出異想天開的心形，而是引導(dǎo)氣流以火花塞為平靜的颶風(fēng)眼，像颶風(fēng)一樣旋轉(zhuǎn)。

“我們通過汽缸蓋上的端口設(shè)計在汽缸中產(chǎn)生這種旋渦，同時我們還有精益增壓器幫助傳送大量的氣流?！标惤苷f，“氣流越多，或是流動得越劇烈，我們就能得到越多的湍流和渦流。”創(chuàng)馳藍天-X發(fā)動機將額外的一些燃料注入到這個被隔絕開的湍流中，注入量剛好足夠讓火花塞點燃火球，在精準的瞬間引發(fā)整個汽缸內(nèi)的自發(fā)壓縮點火。

研究HCCI發(fā)動機的其他汽車制造商（特別是通用汽車和奔馳公司）在發(fā)動機從HCCI模式平穩(wěn)切換為傳統(tǒng)火花點火模式時遇到了一些問題。主要是當(dāng)轉(zhuǎn)換發(fā)生時，車輛會有大約1秒鐘失去一部分動力。如果某些駕駛條件組合在一起，要求發(fā)動機頻繁地反復(fù)切換模式，這個問題就會很明顯。

通用汽車公司堅持認為，這些問題并不重要。“我們在2007—2008年間所展示的通用汽車HCCI開發(fā)車輛就已表明，駕駛性能和模式轉(zhuǎn)換并不是商業(yè)化生產(chǎn)的主要障礙?！蓖ㄓ闷嚢l(fā)動機系統(tǒng)集團經(jīng)理保羅?納吉（Paul Najt）說。在他看來，商業(yè)化的主要挑戰(zhàn)是如何將HCCI和其他技術(shù)（例如選擇性汽缸暫停）經(jīng)濟地組合在一起，實現(xiàn)更好的燃料經(jīng)濟性。

陳杰解釋，SPCCI從HCCI切換到傳統(tǒng)火花點火沒有任何問題，因為它不會將火花塞打開又關(guān)閉。它只是改變火花塞的使用方式——點燃燃料混合物或提升壓力使其自燃。

“因為無論是壓縮點火模式還是火花塞點火模式，火花塞都一直在運行，這就可以將壓縮點火的范圍擴大到遍及大多數(shù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速和發(fā)動機負載情況，”陳杰說，“只有在發(fā)動機速度非常高的情況下，我們才切換回火花點火模式。”

這就是SPCCI與HCCI的不同之處?！霸趥鹘y(tǒng)的HCCI發(fā)動機中，每次模式切換都會有瞬間的停頓，”陳杰說，“而這種停頓會導(dǎo)致駕駛性能的降低。你每次踩油門時，都可能出現(xiàn)卡頓，然后在模式轉(zhuǎn)換時又會出現(xiàn)卡頓。這樣駕駛性能就有問題，這就是傳統(tǒng)的HCCI發(fā)動機從未進入市場的原因。它在實驗室表現(xiàn)很好，或許它作為概念很好，但客戶不會接受它?！?/p>

對于SPCCI，馬自達通過為發(fā)動機配備快速電子氣門正時致動器，設(shè)法克服這些問題。馬自達還增加了傳感器，可以在每次點火時直接測量每個汽缸的燃燒壓力。這種高速監(jiān)控讓管理發(fā)動機的計算機對緊鄰點火區(qū)的汽缸沖程進行調(diào)整，確保其以最佳狀態(tài)運行。

在SPCCI切實投入生產(chǎn)的道路上，克服HCCI早期應(yīng)用中的駕駛性能問題可能是一項最重要的成就。但陳杰說，他最為自豪的事實是，馬自達完全依靠現(xiàn)成部件，促進了燃燒前沿技術(shù)的提升。

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馬自達在汽車界的排名并不靠前。其汽車年銷售量為156萬輛，與豐田的1000萬輛相比是小巫見大巫了。因此，馬自達似乎不太可能成為提高前沿內(nèi)燃技術(shù)水平的候選者。但該公司創(chuàng)造過這樣的歷史。20世紀70年代，它成為第一家也是唯一一家將Wankel轉(zhuǎn)子活塞發(fā)動機投入量產(chǎn)的制造商。20世紀90年代，它開發(fā)了增壓米勒循環(huán)發(fā)動機，這和創(chuàng)馳藍天-X密切相關(guān)，因為二者的發(fā)動機設(shè)計都運用發(fā)動機驅(qū)動的增壓器將大量空氣注入汽缸。典型的性能導(dǎo)向型增壓發(fā)動機，例如527千瓦（707馬力）的道奇挑戰(zhàn)者Hellcat Hemi V8，利用壓縮機將空氣填入汽缸，從而提高輸出功率。

和傳統(tǒng)的增壓器一樣，這種空氣補給方案采用中間冷卻器來幫助冷卻進氣量。進入的空氣大部分是經(jīng)過再循環(huán)的廢氣。在進行冷卻的同時又能提高空氣密度，從而將更多的氧氣置入燃燒倉中。

創(chuàng)馳藍天-X的一大特色是還配有一臺混合動力的輔助電機，具有經(jīng)濟型發(fā)動機的特征。該發(fā)動機采用“溫和”混合動力傳動系統(tǒng)，這意味著電機不能單獨推進汽車。發(fā)動機的皮帶帶動著汽車中一臺非常小的交流發(fā)電機，它比“強勁”混合交流發(fā)電機要小，但比傳統(tǒng)汽車中的普通12伏電池要大一點。馬自達汽車允許交流發(fā)電機汽車在減速過程中獲取能量，將其儲存到電池中，然后將其用于無縫關(guān)啟汽油發(fā)動機。（冷啟動由常規(guī)起動電機執(zhí)行。）

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數(shù)字技術(shù)的進步不僅推動電動汽車發(fā)展，同樣也延長了內(nèi)燃機的生存期。確實，諸如活塞、曲軸和閥門等基本的活動部件基本沒有大的變化，但由汽油燃燒獲取能量過程的所有細節(jié)都在不斷變化。

計算機提供的建模和分析能夠幫助人們以前所未有的深度理解燃燒過程。實際上，麻省理工學(xué)院的綠色研究小組已經(jīng)開發(fā)出一種可以在個人電腦上運行的燃燒模型。麻省理工學(xué)院發(fā)動機仿真軟件（MITES）跟蹤了4000個可在燃燒中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)；該項分析使其能夠描述HCCI發(fā)動機運行范圍的特征。除此之外還有其他發(fā)動機開發(fā)技巧，包括使用帶有透明石英汽缸的發(fā)動機，氣缸中配有激光傳感器，可以一覽燃燒艙內(nèi)部的反應(yīng)。當(dāng)然，像馬自達這樣的汽車制造商擁有足夠的計算資源，可以在建造測試發(fā)動機前，對復(fù)雜的燃燒事件進行建模，但若是擁有在個人電腦上運行的建模工具，那么也可以讓其他人以較低的成本研究這個正在發(fā)展的領(lǐng)域。

MITES的開發(fā)者們在一篇描述所用工具的論文中指出：“HCCI發(fā)動機對燃燒化學(xué)的細節(jié)比（火花塞點火）和柴油發(fā)動機更敏感，因此，如果對HCCI發(fā)動機內(nèi)發(fā)生的物理和化學(xué)過程沒有真正的理解，就很難開發(fā)出實用、高效、強勁的發(fā)動機?！?/p>

除了汽缸壓力傳感器之外，創(chuàng)馳藍天-X的所有部件和今天發(fā)動機中的基本相同。“在硬件方面，我們也沒有改造發(fā)動機，”陳杰說，“發(fā)動機中的所有部件都是創(chuàng)馳藍天-X問世前市場上就已存在的?！?/p>

這種與過去的延續(xù)性為馬自達喚醒的魔法做出了一點解釋。內(nèi)燃機不是焦枯的歷史遺跡，而是一項生機勃勃、不斷發(fā)展的技術(shù)。汽油動力裝置繼承了無數(shù)的投資和獨創(chuàng)，將繼續(xù)抵擋來自電力推進的挑戰(zhàn)。對下一代駕駛者來說，很多車型中依然會安裝汽油動力裝置，再下一代也將如此。