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

馬自達(dá)的創(chuàng)新 Skyactiv X 火花控制壓縮點火 (SpCCI) 燃燒系統(tǒng)預(yù)計將于2018年投產(chǎn)，這款發(fā)動機是數(shù)十年來內(nèi)燃發(fā)動機領(lǐng)域發(fā)展的最重要成果之一。SpCCI發(fā)動機可以延長汽油發(fā)動機的實際使用壽命，這在全球排放規(guī)定愈發(fā)嚴(yán)格，且電動汽車加速發(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)動機戰(zhàn)略的基礎(chǔ)。藤原告訴《汽車工程》，為了實現(xiàn)“零尾氣排放”的目標(biāo)，未來汽車的動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，可以支持更大排量的動力系統(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)動機的能效和扭矩輸出優(yōu)勢，以及雙凸輪汽油發(fā)動機的轉(zhuǎn)速優(yōu)勢，還能同時保證每公里不超過60 克的 CO2 排放水平。除此之外，SpCCI 發(fā)動機的生產(chǎn)無需對原材料表單進(jìn)行大規(guī)模變更，主要的改動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)動機的技術(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)動機（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)計劃。

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

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

柴油機般的強勁扭矩輸出

最近，在馬自達(dá)德國 Oberursel 歐洲技術(shù)中心舉辦的一次媒體活動中，筆者有幸試駕了兩款 2.0 L SpCCI Mazda 3 原型車（分別為手動擋和自動擋），完成了總長超過 30 英里（48 公里）的測試循環(huán)。真實體驗證明，火花點火模式(SI) 和壓縮點火模式 (CI) 之間難以順暢切換的長期挑戰(zhàn)，似乎已經(jīng)得到克服。工程師表示，SpCCI原型發(fā)動機在低轉(zhuǎn)速時的表現(xiàn)的確有些生硬，但現(xiàn)在距離發(fā)動機的最終校準(zhǔn)和生產(chǎn)仍有大約 1年時間，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。在整個測試循環(huán)中，這款全新SpCCI 發(fā)動機轉(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)不錯了。這款發(fā)動機有 6擋轉(zhuǎn)速，可輕松降至 1200 轉(zhuǎn)，充分展示了自身如柴油機般強勁的扭矩輸出能力。

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)濟性并降低排放。

馬自達(dá)集合其汽油機和柴油機設(shè)計之精華，打造了新款 Skyactiv-X 發(fā)動機。

遺憾的是，截止本文發(fā)表之時，馬自達(dá)尚未公布 SpCCI 發(fā)動機的孔沖程、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)動機相比，SpCCI 發(fā)動機的能效取得了 20% 到 30% 的提升。然而，從《汽車工程》得到的測試結(jié)果來看，情況可能并非如此喜人。在測試循環(huán)中，當(dāng) SpCCI 模式在整個循環(huán)測試中的運行時間超過95% 時，手動擋標(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)動機相比，全新 Skyactiv-X 發(fā)動機不僅燃耗明顯更低，而且性能也更加強大。

自動擋汽車的情況也很類似，當(dāng) SpCCI 模式在整個循環(huán)測試中的運行時間超過 95% 時，自動擋測試車也取得了 14.75% 的燃油效率提升，平均燃油經(jīng)濟性從此前的 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)相對極端的測試方式也有關(guān)系。具體來說，馬自達(dá)的循環(huán)測試主要是為了評估發(fā)動機的屬性，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)而增強發(fā)動機的有效壓縮比，并“促進(jìn)”壓縮點火過程。

壓縮比：從18:1 到15:1

從 2011 年啟動 Skyactiv 全面能效提升項目依以來，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)動機。此外，SpCCI 也是 Skyactiv 項目的主要成果之一。根據(jù)馬自達(dá)工程師的數(shù)據(jù)，全新 Skyactiv-X 發(fā)動機的壓縮比可達(dá) 15.0:1。

“我們之所以將壓縮比控制在 15:1 ，是因為這最接近正常環(huán)境溫度下的壓縮點火條件，”馬自達(dá)動力系統(tǒng)執(zhí)行官 Ichiro Hirose解釋說，“火花會形成一個膨脹的火球，而這個火球如同一個次級的‘空氣彈簧’，可以為發(fā)動機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；其次，發(fā)動機空燃比越低，相應(yīng)的熱比則越高。為了實現(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》此前的報道，在 Skyactiv-X 項目的 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 時的發(fā)動機壓縮比調(diào)整至 18:1，取得了 40% 的熱效率提升。

在 SpCCI 發(fā)動機中，火花塞產(chǎn)生的火球可提高發(fā)動機的有效壓縮比，優(yōu)化整個燃燒室內(nèi)的燃燒環(huán)境。

馬自達(dá) SpCCI 量產(chǎn)發(fā)動機取得的一大關(guān)鍵突破是對燃燒過程的精準(zhǔn)控制。SpCCI 發(fā)動機的每個氣缸均安裝了獨立壓力傳感器，可以對溫度、壓力等發(fā)動機參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測。發(fā)動機管理系統(tǒng)則會控制發(fā)動機的雙電動可變凸輪軸、空氣泵，以及將在500 bar (5252 psi) 時啟動的分離噴射系統(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)動機研制提供。

事實證明，對于處于 CI 模式下高負(fù)荷運轉(zhuǎn)的HCCI發(fā)動機，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，馬自達(dá)的目標(biāo)是在更多不同負(fù)荷級別的自然吸氣發(fā)動機中成功實現(xiàn)稀燃HCCI 技術(shù)。Sori 的工程師擔(dān)心，氣泵的使用會影響發(fā)動機在真實世界中的燃油經(jīng)濟性。

在與《汽車工程》記者的討論中，Sori表示非?？春肏CCI 汽油發(fā)動機與混合動力系統(tǒng)的結(jié)合，認(rèn)為在電機的協(xié)助下，可以擴大發(fā)動機的理想運行范圍。發(fā)動機完全可以通過小型化電機和電池的運用來降低成本。在此背景下，馬自達(dá)選擇與豐田的混動系統(tǒng)工程師展開合作也就不足為奇了。

SpCCI 發(fā)動機將分2 個步驟實現(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，燃燒室內(nèi)將形成一個強勁的漩渦，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）。

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

Hirose 同時提到，SpCCI 發(fā)動機的制造成本將介于柴油和汽油發(fā)動機之間。