马自达创驰蓝天X发动机SPCCI技术与M-HYBRID 轻混动力系统解析(一)

◆文/江苏 高惠民

一、SKYACTIV-X发动机的客户价值

“ZOOM-ZOOM”原本是儿童模仿发动机轰鸣的声音。而对于有一个汽车公司来说“ZOOM-ZOOM”，代表了企业的品牌精髓，它就是马自达汽车的品牌所在。马自达在ZOOM-ZOOM可持续发展宣言2030中，将实现美丽地球、人心丰盈的社会形态为己任,通过持续汽车产品的本位价值，不断追求能够实现用户身心愉悦的探索和努力，图1所示为马自达对“人、地球、社会”深刻理解。

图1 马自达“人、地球、社会”意义内涵

在电气化进程不断被各个汽车厂商宣扬的今天，马自达不同于其他汽车企业环境保护思想，即以“从油箱到车辆驾驶(tankto-wheel)”的二氧化碳排放评估体系，而是倡导通过“从燃料开采到车辆驾驶(well-to-wheel)”的二氧化碳排放评估体系，综合性地削减燃油在开采、提炼、制造运输环节的全过程中产生的二氧化碳总量。图2所示为车辆的两种二氧化碳评估方法示意图。

图2 二氧化碳排放评估方法示意图

以电能为例，如果电能来源是火电(燃煤)，那么在整个环节中，二氧化碳排放总量是否真的比单独内燃机驱动要环保吗?为此马自达调研结论是：以“从燃料开采到车辆驾驶(well-towheel)”的二氧化碳的环保视角，换算成综合二氧化碳排放量，电动车是128g/100km，而搭载创驰蓝天发动机的马自达车是142g/km。马自达只需实现10%左右的改善，即可到达与电动车相媲美的环保标准。于是马自达执着地对内燃机的潜力进行挖掘，研发出了一款逆天的创驰蓝天X发动机(SKYACTIV-X发动机)，为全球范围内实现汽油发动机压燃点火的量产应用开创了先河(现已应用于MAZDA CX-3和MAZDA3 CX昂克赛拉两款车型中)。如果按照不同的发电方式来换算，电动汽车是通过煤炭或石油发电来产生电力的话，而搭载马自达SKYACTIV-X发动机的环保性能已经超越了电动汽车。SKYACTIV-X发动机与上一代SKYACTIV发动机以及发电厂的二氧化碳排放量相比如图3所示。这就更加证实了内燃机专家坚信的“在未来很多年里，内燃式发动机仍将为全球大多数汽车提供动力，并且能够为减少二氧化碳排放做出最大贡献，未来内燃式发动机占轿车新车销售量的比例如图4所示。

图3 SKYACTIV-X发动机二氧化碳排放量比较图

图4 未来内燃式发动机占轿车新车销售量的比例图

SKYACTIV-X发动机是马自达提出创驰蓝天技的第二代高热效率汽油发动机(第一代是SKYACTIV-G汽油发动机和SKYACTIV-D 柴油发动机)，核心技术是汽油发动机实现火花塞点火控制压燃点火技术(Spark ControlledCompressionIgnition，SPCCI)，有效地结合柴油发动机与汽油发动机的特点(图5)，可使汽油燃烧更加充分、热效率更高、动力性能更加强。

图5 火花塞点火控制压燃点火技术(SPCCI)特点

1.输出性能得到了显著提升

出色的初始响应能力(高扭矩)以及高转速下的延展性(出色的加速性能)。很多车辆尤其是小排量涡轮增压发动机，油门-速度往往有时滞，油门踩下去要停顿个0.5～1s车才有加速度，这个就是涡轮迟滞效应。SKYACTIV-X发动机有先天优势，其动力调节和柴油机类似，节气门保持全开状态，空气吸入没有阻力，动力大小由燃油喷射量决定，油门踏板深踩后，燃油喷射量即可瞬间增加，就可以极大提高加速响应性(图6)。

图6 SKYACTIV-X发动机加速响应性示意图

2.燃油经济性得到了显著提升

由于提高了热效率(15∶1几何压缩比，36∶1的超稀薄空燃比，压燃点火,)，在所有路况下驾驶(从城市道路到高速公路)，都可以保持良好的燃油经济性。发动机实际工况是很复杂的，不能只看某一点的极限热效率，更要关注低油耗区域的范围大小，目前市面上的发动机应对排放和油耗的对策为减小发动机排量+涡轮，以提高在NEDC工况下的燃油经济性，由于此对策的油耗最佳区域较为狭窄，在该区域之外燃油经济性迅速下降，尤其在实际行驶工况或者最新的WLTP工况下油耗表现一般。

广域的燃油经济性区域意味着变速器匹配时不再局限于升挡降低发动机转速来保证高效的燃油经济性。如图7所示，正常发动机巡航在A点2200r/min，变速器在最高挡位，对于SKYACTIV-X发动机来说，可以把巡航工况设计到B点3000r/min，变速器不在最高挡位，在油门急加速时，SKYACTIV-X发动机不需要降挡直接提高扭矩，从而获得更快速更直接的响应，极大的提高了驾驶性。体现了车辆出色的速度动力性、燃油经济性和排放环保性。如图8所示，马自达SKYACTIV-G和SKYACTIV-D与SKYACTIV-X在扭矩、功率和油耗对比。以2.0L排量为例，“SKYACTIV-X”发动机与“SKYACTIV-G”发动机相比，燃油经济性实现20%～30%的明显提升，与2008年非搭载SKYACTIV技术的MZR发动机相比，燃油消耗率改善幅度达35%～45%，SKYACTIV-X发动机达到与“SKYACTIV-D”柴油发动机同等或以上的燃油经济性。

图7 SKYACTIV-X发动机更大的燃油效率范围图

图8 SKYACTIV-X发动机在扭矩、功率和油耗对比图

3.实现了车内的静谧性

SPCCI火花塞点火控制压燃点火技术燃烧功率大，振动大，发动机噪声大，带来驾驶座舱噪声大。为了减少这些噪声，采用M-HYBRID(轻混合动力系统)的ISG(集成启动/发电一体机)安静的发动机启停(IR)操作以及胶囊型结构的发动机舱NVH设计(双层发动机仓盖)，可以吸收压燃发动机的噪音和振动，如图9所示。

图9 SKYACTIV-X发动机舱降低NVH的设计

二、HCCI汽油机燃烧的基本理论

一百多年以来，点燃式(SI)汽油机经历了从化油器到缸内直喷和分层燃烧不断地改进，最好软喷射型分层燃烧缸内直喷点燃式汽油机在部分负荷工况的有效热效率已可达到同排量柴油的机的水平，但其指示热效率仍低于柴油机。汽油机指示热效率低于柴油机是由于它的燃烧方式所造成的。为了使混合汽能够被点燃，火焰能够传播，混合汽的空燃比必须限制在一定范围；同时，为了避免火焰前锋面前面的未燃混合汽突然发生大范围自燃，产生爆燃，汽油机的压缩比受到限制。这两个限制都影响了汽油机的热效率。从21世纪开始，一种全新的燃烧方式，均质压燃(HCCI,Homogene¬ous-Charge Compression-Ignition)被提出，并受到世界上几乎所有主要汽车公司和发动机研究机构的注意，并先后开始进行研发。从表面上看，HCCI发动机是SI汽油机和CI柴油机的结合，它像汽油机一样采用预混合的均匀混合汽，又像柴油机一样利用压缩过程产生的热使混合汽自燃，不需要使用火花塞来点燃。而实际上HCCI的燃烧过程与点燃式汽油机以及柴油机的燃烧过程都不同。汽油机和柴油机的燃烧都是扩散燃烧过程。如图10所示，汽油机主要依靠热扩散来实现火焰传播，柴油机的主燃烧过程是依靠燃油蒸气和氧气的扩散现象使油气相遇产生化学反应。

图10 汽油机和柴油机扩散燃烧示意图

在上述的这两种燃烧过程中，燃烧室内工质物理量在空间的分布是不均匀的，因而发生热扩散或物质扩散现象。而理想的HCCI是在整个燃烧室内同时发生的燃烧过程，在燃烧过程中工质物理量在空间的分布是均匀的，仅随时间变化。因此，HCCI在理论上不存在扩散现象，是属于非扩散的燃烧过程。图11生动描绘了HCCI燃烧过程和SI燃烧过程的大致特点。

图11 HCCI燃烧过程和SI燃烧过程特点的比喻示意图

如果将燃烧放热过程比喻成收获的场景，那么在火花点火燃烧模式下,火焰传播过程就像人们协调有序地排成一行进行收割，将田地划分为已收割(已燃)区域和未收割(未燃)区域。与之不同，HCCI的放热就好比人们散布于整片田地而不是排成一行,这样庄稼(能量)收割更迅速。因此，HCCI燃烧的放热过程大大快于传统SI燃烧。这种放热更接近等容放热过程,如图12所示均质压燃汽油机与传统汽油机的缸内压力变化曲线比较。

图12 均质压燃汽油机与传统汽油机的缸内压力变化曲线比较

HCCI燃烧放热特性与SI燃烧放热特性对比如图13所示(1bar=100kPa)。在SI燃烧模式下，有一条狭窄的反应区域，或者称为火焰前锋面，将缸内工质分为已燃和未燃两个区域，放热仅在这个狭窄的反应区内进行。因此，SI燃烧的累积放热量就是反应区域内一定质量工质dmi的放热总和。

图13 HCCI燃烧放热特性与SI燃烧放热特性对图

理想HCCI燃烧过程中，燃烧在整个汽缸内同时发生,在燃烧进行的某一瞬时缸内所有混合汽体都将参与放热。因此，HCCI燃烧的累积放热量则应该是混合汽总量m在各个燃烧反应dqi中所释放热量的累加。但是，由于实际发动机中混合汽成分分布和温度分布达不到绝对的均匀，放热也不能在整个混合汽中均匀进行。缺乏稀释和/或温度较高的区域放热较快，导致放热不均匀.其放热曲线如图中虚线所示。

HCCI过程和汽油机的爆燃过程有很多相似之处。也可以说,HCCI就是一种爆燃。但是，由于单位质量未燃混合汽所含化学能的数量不同，这两种燃烧对发动机的影响不同。点燃式汽油机的混合汽接近当量空燃比，其过量空气系数受到火焰传播的限制，一般不能大于1.5。在爆燃时由于单位质量混合汽释放出大量的热能会造成高温燃气强烈的压力波动，除了产生噪声和振动外还会使缸壁间的传热增加，使汽油机过热，造成拉缸等损害。而HCCI汽油机的混合汽需要用过量空气或大量的残余废气进行稀释。如果残余废气系数不显著增加，HHCI混合汽的过量空气系数必须大于2才能控制氮氧化物的生成及燃烧的粗暴性。因此在HCCI燃烧过程中单位质量混合汽所具有的化学能较少，并不一定造成缸内燃气的压力高频波动。由于燃气温度较低，也不至造成汽油机的过热和拉缸等损害。因此，HCCI汽油机不再受到爆燃的限制，可以提高压缩比，混合汽的空燃比不再受到混合汽点燃和火焰传播要求的限制。可以采用比SI燃烧稀薄得多的混合汽，混合汽浓度与发动机着火如图14所示。

图14 混合汽浓度与发动机着火示意图

因为釆用超稀薄混合汽或更充分的废气稀释，降低了燃烧温度，提高了工质的比热比，混合汽浓度对比热比的影响如图15所示，使汽油机的热效率和燃油经济性得到极大的提高。氮氧化物(NOx)的生成受到抑制，减轻了排气后处理的困难。另外，HCCI燃烧可以在取消节气门的情况下实现部分负荷运转，消除了传统SI燃烧中节气门部分开启造成节流的泵气损失。综上所述，HCCI燃烧能有效改善汽油机热效率低的问题，即压缩比低、比热比低、泵气损失大、燃烧等容度低以及循环波动率高。但是，相比于SI汽油机，HCCI汽油机燃烧也存在两大限制区域如图16所示。

图15 混合汽浓度对比热比的影响

图16 HCCI汽油机燃烧存在两大限制区域示意图

高负荷下受爆震或剧烈燃烧现象限制，而低负荷下则受不完全燃烧或失火的限制。比如在低转速、低负荷下，汽缸内温度不够导致未能压燃；在低负荷高转速下由于燃料太少，发生压燃反应的时间不够而失火；在高转速高负荷下又难以稳定的燃烧，容易爆震。外界环境温度从-35℃到90℃的变化，大气压从海平面100kPa到海拔5000m的0.6kPa的变化，都会让HCCI的工作范围缩小。为了应对时时刻刻的环境变化，控制汽油HCCI着火和燃烧的原则是混合汽温度、浓度和组分协同控制。于是，马自达另辟途径，独自研发了具有专利技术的SPCCI(Spark Controlled Compression Ignition:火花控制压缩点火)燃烧的SKYACTIV-X型发动机。并投入量产与商品化。

(未完待续)