压燃“黑科技”

王一鸣

在全世界范围内，排放法规愈发严格，所以大部分厂家为了降低整个产品序列的平均油耗纷纷推出了小排量的涡轮增压发动机，2.5L、3.0L以上的大排量自然发动机目前在市面上屈指可数。不过一向素有‘技术宅之称的马自达绝对是这其中的叛逆者，坚持在自然吸气的路上寻求突破。国内消费者在昂科赛拉、阿特兹等车型上已经领略到马自达第一代创驰蓝天技术（SkyActive-G）序列下出色的动力和操控性能，而如今它已经进化到了第二代——SkyActive-X。这套动力系统在海外版的马自达3和CX-30上率先搭载，很快也将引入国内市场，我们今天就来介绍下马自达这套动力总成的黑科技。

说到SkyActive-X发动机，它的最大特色是采用了一种名为“SPCCI”（Spark Controlled Compssion Ignition火花点火控制压燃点火）的发动机点火技术。单从结构上看，SPCCI和采用传统火花塞点燃技术（SI）的发动机并没有结构性的区别，但是借助更高的压缩比和精准的点火控制，可以实现均质压燃（HCCI）和火花塞点燃（SI）之间的无缝切换。传统汽油机通过火花塞点火，并向整个燃烧室逐步传递;而传统柴油机则通过活塞压缩混合气体并突破燃点，同时快速着火。马自达SkyActive-X发动机结合了汽油机和柴油机的优点，大部分中高转速情况下，汽油空气和废气的混合气在燃烧室内均匀燃烧，物质和热量均匀分布，混合更为充分，燃烧更为彻底，不依靠火焰传播燃烧速度更加迅速，而且理论上不会发生扩散。在发动机低转速和低负载情况下，SPCCI可以分别利用CI（压燃）和SI（点燃）的方式驱动，在复杂多变的环境下精确控制每个燃烧循环中混合气体的温度和浓度，这两种方式可以取长补短，以达到更快的点火时间和更均匀的燃烧。

在自然状态下，燃烧1kg汽油需要消耗14.7kg空气，也就是14.7：1的理论值，而马自达SkyActive-X发动机搭载了一个“高响应空气供给”模块，在发动机高负载工况下能够吸入更多的空气和废气进入气缸，提高缸压达成压燃，所以最大空燃比竟然达到了36.8：1，能够实现高出理论空燃比2倍以上的超级稀薄燃烧，而且因为空气和废气降低了燃烧温度，热传导损失减少，所以极大地降低了尾气中的主要污染物——氮氧化物的含量，甚至比普通汽油发动机经过三元催化器净化过后的含量还要低。但是引燃如此稀薄程度的混合气难度不小，在常规设计的发动机中会引起失火、爆震甚至顶缸等严重情况。而马自达SKYACTIVE-X发动机的活塞经过特殊设计和强化，尽可能缩小了燃烧室面积，更小的燃烧室意味着更快的点燃速度。当活塞行进到上止点时，火花塞开始点火，混合气被快速点燃后急剧膨胀，形成一个虚拟活塞，极大提高了压缩比，剩余混合气体受到的压力陡增，最终带动全部混合气体被同时压燃。所以，马自达SkyActive-X发动机并不是没有火花塞，而是起到了辅助点火的作用。

从上图可以看出，火花点火控制压燃工况（SPCCI）的比例超过了95%，尤其是在500～2500rpm这一常用转速区间内，压燃的占比均高于火花塞点燃（SI），这说明马自达SkyActive-X发动机的燃油经济性和采用了压燃技术密不可分，据了解，这套发动机的热效率已经达到了50%，要知道目前自然吸氣发动机中热效率最高的是丰田TNGA架构下的2.5L自吸发动机，通过匹配混动系统，也只能达到41%的热效率。而且每提升1%都可以被称作是技术的巨大进步，所以说在这一领域，马自达另辟蹊径，取得了突破性的革命成果。

另外，當遇到高负荷状态时，由于压燃点火无法满足发动机运行工况时，ECU行车电脑会切换成传统汽油发动机的火花塞点燃模式，此时混合气体浓度变高能够有效被点燃，以此保证全工况下的均衡性，动力损失也不明显。通过国外对于第一代创驰蓝天（SkyActive-G）和第二代创驰蓝天（SkyActive-X）发动机的对比测试可以看出（如上图），无论是综合还是城市工况下，马自达SkyActive-X发动机的燃油经济性相比第一代发动机都有显著提升，分别提升了14.3%和15.4%。

另外，SkyActive-X发动机还搭载了最高增压值达0.5Bar的机械增压器，与传统机械增压器为了增强动力不同，SkyActive-X发动机的机械增压器是为了在高转速下提供更多进气，以确保足够的空燃比和燃烧效率，而在低转速下由离合器控制，使得机械增压器可以及时断开，不会从发动机分走动力，也确保了进气效率，提升了各个转速区间内的燃油经济性。

如右图所示，借助火花点火控制压燃（SPCCI）和机械增压，马自达SkyActive-X发动机除了燃油经济性和动力响应得到提升以外，出力也更好，转矩要比现有的SkyActive-G发动机增大10%～30%。而且燃烧效率提升20%～30%，甚至表现将超越现行SkyActive-D柴油发动机。

不过，由于火花点火控制压燃技术对于点火系统、活塞和缸体的要求更高，而且对气温非常敏感，必须使用精确的闭环燃烧控制和压力传感器，另外机械增压器的采用也对进气系统提出了更高要求，同时电脑ECU的规格也更为先进，因此采用这套技术的总成本将会比现行汽油发动机要高出不少，不过在大规模投产并普及之后，马自达SkyActive-X发动机的成本将会降低到一个相对可以接受的范围之内。

第二代创驰蓝天SkyActive-X系列发动机也是全球首部实现商业化的均质压燃式汽油机，结合了超高空燃比、SPCCI技术和宽域压燃控制、压燃点燃无缝切换这一系列黑科技的发动机，在热效率和油耗方面已经处于汽油发动机的最高水平。