馬自達(dá)“SKYACTIV-X”發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)分析

徐凱 高惠東 呂金賀 褚亞旭

（北華大學(xué)，吉林 132013）

主題詞：發(fā)動(dòng)機(jī) SKYACTIV-X SPCCI 燃油經(jīng)濟(jì)性 技術(shù)分析

前言

“SKYACTIV-X”發(fā)動(dòng)機(jī)是日本馬自達(dá)公司提出馬自達(dá)“SKYACTIV”技術(shù)的組成部分之一[1]，核心技術(shù)是發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)火花塞點(diǎn)火控制壓燃點(diǎn)火技術(shù)（Spark Controlled Compression Ignition，SPCCI），有效地結(jié)合柴油發(fā)動(dòng)機(jī)與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，可使汽油燃燒更加充分，動(dòng)力性能更加強(qiáng)[2-3]，是馬自達(dá)獨(dú)立研發(fā)的全新內(nèi)燃機(jī)，存在多項(xiàng)技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)。

1 “SKYACTIV-X”發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)

1.1 超高壓縮比

“SKYACTIV-X”發(fā)動(dòng)機(jī)采用超高壓縮比對(duì)低負(fù)載域?qū)崿F(xiàn)稀薄混合氣的燃燒起重要作用。增大燃燒室內(nèi)壓力，從而提高燃燒溫度，由此可增大混合氣的熱能，在不易點(diǎn)燃的低負(fù)載域使汽油燃料更易被壓燃。提高壓縮比的另一重要作用是可提高理論循環(huán)熱效率值。由于“SKYACTIV-X”發(fā)動(dòng)機(jī)可在火花塞點(diǎn)火（Spark Ignition，SI）和壓燃點(diǎn)火（Compression Ignition，CI）間無(wú)縫切換，理論上點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)近似為等容加熱循環(huán)，發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)熱效率和壓縮比之間的關(guān)系如式（1）所示：

式中，ηt為發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)熱效率；εc為發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比；k為等熵指數(shù)。

壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)近似為混合加熱循環(huán)，其燃燒過(guò)程視為等容、等壓加熱的組合，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率和壓縮比之間的關(guān)系如式（2）所示：

式中，ηt為發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)熱效率；εc為發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比；λp為初始膨脹比；ρ0為壓力升高比；k為等熵指數(shù)。

從式（1）和式（2）中可看出成正相關(guān)關(guān)系，即隨發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比增大，發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)熱效率也相應(yīng)升高，進(jìn)氣條件相同時(shí)，相同燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量可更多轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，提升發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性[4]。普通汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比通常為10:1左右，理論上如果將汽油發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比從10:1增加到15:1，熱效率可提升約9%[5]。

馬自達(dá)現(xiàn)款的“SKYACTIV-G”汽油發(fā)動(dòng)機(jī)是量產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)14:1的世界最高壓縮比汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。而新一代“SKYACTIV-X”發(fā)動(dòng)機(jī)則達(dá)到18:1，其與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)基本相同。

1.2 稀薄燃燒

在早期超稀薄混合氣研究中，火花塞向混合氣發(fā)射火花基本不會(huì)被點(diǎn)燃。原因是空燃比過(guò)高導(dǎo)致火花塞點(diǎn)燃混合氣后的燃燒效率不足，甚至火花塞無(wú)法點(diǎn)燃混合氣。標(biāo)準(zhǔn)條件下完全燃燒1 L汽油需要14.7 L空氣，目前大部分發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比在不斷接近14.7:1，以達(dá)到理論混合比的燃燒。而稀薄燃燒一般指空燃比在25:1以上，這種燃燒方式的燃燒效率更高，同時(shí)更經(jīng)濟(jì)環(huán)保。

SKYACTIV-X發(fā)動(dòng)機(jī)采用壓燃點(diǎn)火技術(shù)，通過(guò)膨脹火焰球，再配合活塞上行壓縮混合氣，可穩(wěn)定產(chǎn)生自燃狀態(tài)。來(lái)彌補(bǔ)火花塞在稀薄燃燒中的不足，其發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比達(dá)到36.8:1發(fā)動(dòng)機(jī)部分負(fù)荷條件下，稀薄燃燒同廢氣再循環(huán)(Exhaust Gas Recirculation，EGR)協(xié)同工作，發(fā)動(dòng)機(jī)有效燃油消耗率從353 g/kW?h減少到320 g/kW?h，提升效果約8%以上。

1.3 SPCCI技術(shù)

馬自達(dá)利用SPCCI控制火花塞輔助點(diǎn)火的時(shí)機(jī)在噴射燃料后、活塞到達(dá)上止點(diǎn)之前。首先，機(jī)械活塞將缸內(nèi)混合氣進(jìn)行壓縮，其次火花塞點(diǎn)火生成一個(gè)微小膨脹火球，對(duì)混合氣進(jìn)行追加壓縮直至被壓燃。以空氣活塞的形式實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)可變壓縮比的功能，對(duì)缸內(nèi)溫度和壓力進(jìn)行精準(zhǔn)控制，促進(jìn)混合氣進(jìn)行急速的即時(shí)多點(diǎn)型均質(zhì)燃燒。在高轉(zhuǎn)速域增加火花塞的點(diǎn)火次數(shù)，讓壓燃狀態(tài)盡快出現(xiàn)。通過(guò)采用壓燃點(diǎn)火方式，實(shí)現(xiàn)更為理想的高效燃燒，實(shí)現(xiàn)環(huán)保性和動(dòng)力性的高度融合。

火花塞點(diǎn)火輔助還能促進(jìn)低溫燃燒的出現(xiàn)，有利于在低負(fù)載的高轉(zhuǎn)速區(qū)域盡早出現(xiàn)自燃狀態(tài)。即發(fā)射火花讓混合氣提高溫度，使汽油燃料分子快速擴(kuò)散，出現(xiàn)低溫氧化反應(yīng)和隨后出現(xiàn)的低溫藍(lán)火焰反應(yīng)。氣缸內(nèi)溫度被快速提高，便可快速出現(xiàn)自點(diǎn)火的火焰反應(yīng)。

“SKYACTIV-X”發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)保留SI和CI兩種點(diǎn)火方式，將壓燃點(diǎn)火的區(qū)域擴(kuò)展到全開(kāi)區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)SPCCI和SI兩種點(diǎn)火方式間無(wú)縫隙切換，使壓燃技術(shù)完全可控。

1.3.1 分流噴射

SPCCI技術(shù)在進(jìn)氣沖程和壓縮沖程期間，采用分流噴射的方式，防止高濃度混合氣長(zhǎng)時(shí)間壓縮而發(fā)生異常燃燒。首先，制造低濃度的混合氣，在進(jìn)氣沖程中噴射進(jìn)行稀薄燃燒。同時(shí)壓縮沖程中，在火花塞周?chē)M(jìn)行噴射，制造出用于點(diǎn)燃的混合氣。對(duì)燃油混合氣進(jìn)行不均勻分配，使SPCCI正常工作，同時(shí)將混合氣被壓燃所需的時(shí)間控制到最少，有效抑制異常燃燒。

1.3.2 搭載可控機(jī)械增壓器

理論空燃比SPCCI技術(shù)大量使用EGR技術(shù)，以減少實(shí)際燃燒時(shí)燃料和氧氣的用量。具體是按照負(fù)載調(diào)整EGR的流量，負(fù)載越少，EGR流量越大，從理論空燃比SPCCI切換到增加空氣量的稀薄燃燒SPCCI時(shí)需要高響應(yīng)空氣供給的吸氣元件，即可控機(jī)械增壓器。當(dāng)大負(fù)荷工況，需要增加進(jìn)氣量時(shí)，機(jī)械增壓器接入工作以輔助發(fā)動(dòng)機(jī)獲取更多的空氣。當(dāng)部分負(fù)荷工況，進(jìn)氣量足夠時(shí)，機(jī)械增壓器不接入工作，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)為自然吸氣形式。

可控機(jī)械增壓器可針對(duì)不同工況選擇接入狀態(tài)，其萬(wàn)有特性曲線的經(jīng)濟(jì)油耗區(qū)域更靠下、更寬泛，大負(fù)荷工況下扭矩也相應(yīng)提高，故可更好滿足部分負(fù)荷經(jīng)濟(jì)性和大負(fù)荷動(dòng)力性。

1.3.3 ERG冷卻器

在高壓縮比的基礎(chǔ)上，通過(guò)內(nèi)部EGR的負(fù)氣門(mén)重疊角（Negative Valve Overlap，NVO）即存在進(jìn)氣門(mén)和排氣門(mén)同時(shí)關(guān)閉的狀態(tài)，來(lái)實(shí)現(xiàn)低負(fù)載、低轉(zhuǎn)速域的壓燃點(diǎn)火。具體為排氣行程活塞到達(dá)上止點(diǎn)之前提前關(guān)閉排氣門(mén)，保留部分殘余廢氣；當(dāng)活塞向下運(yùn)動(dòng)，壓力開(kāi)始下降時(shí)，進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟。NVO致使高溫氣體封閉在氣缸內(nèi)，可提高氣缸內(nèi)溫度。此時(shí)向氣缸內(nèi)噴射燃料，混合氣的高溫可使燃料自燃。

NVO是均質(zhì)充量壓燃（Homogeneous Charge Compression Ignition，HCCI）[6]中的常見(jiàn)方法。HCCI能夠更好的提升壓縮比和比熱比，使動(dòng)力更強(qiáng)，熱效率更高。使用可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)調(diào)整NVO出現(xiàn)的時(shí)刻，把HCCI擴(kuò)展到高負(fù)載領(lǐng)域主要在于外部冷卻EGR環(huán)節(jié)。在冷卻EGR環(huán)節(jié)將燃燒后冷卻過(guò)的廢氣導(dǎo)入氣缸，可以抑制過(guò)于激烈的自燃，失活的殘余廢氣對(duì)抑制壓燃過(guò)程中的噪音效果明顯[7-11]，如圖1所示。

1.4 改善燃燒

通過(guò)縮短燃燒時(shí)間，未燃混合氣處在高溫狀態(tài)的時(shí)間也會(huì)縮短，可在發(fā)生爆震前完成正常燃燒，達(dá)到避免爆震的效果[12]。

圖1 汽油機(jī)EGR冷卻系統(tǒng)原理圖[7]

采用超高壓燃油噴射系統(tǒng)，噴油油壓達(dá)到1 000 bar，瞬間對(duì)燃油進(jìn)行汽化、霧化處理，同時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的湍流，大幅提升點(diǎn)火穩(wěn)定性和燃燒速度。采用6孔缸內(nèi)直噴技術(shù)，如圖2所示，加強(qiáng)空氣流動(dòng)、配合高的噴射壓力，改善噴油霧化特性，從而生成均質(zhì)、流動(dòng)強(qiáng)的混合氣。采用凹孔活塞，即活塞中心凹陷呈圓臺(tái)狀，上開(kāi)口半徑近活塞頂部半徑的四分之一，如圖3所示。增加燃燒室的容積和混合氣量，在壓縮過(guò)程中形成環(huán)流[6]，避免在燃料初期火焰接觸活塞頭，使燃燒更加均勻。

圖2 六孔缸內(nèi)直噴[13]

圖3 凹孔活塞[6]

1.5 降低機(jī)械阻力及發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化

針對(duì)內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部有關(guān)轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)如活塞、連桿、曲軸等進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)輕量化，減輕摩擦，降低機(jī)械阻力，可有效優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)響應(yīng)速度及運(yùn)行效率[13]。“SKYACTIV-X”發(fā)動(dòng)機(jī)針對(duì)氣門(mén)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)做相應(yīng)改進(jìn)，采用滾動(dòng)從動(dòng)件使節(jié)氣門(mén)摩擦力減少50%以上，適當(dāng)降低活塞環(huán)張力使得摩擦力減少38%，使內(nèi)燃機(jī)總的機(jī)械阻力減少29%。而對(duì)活塞、連桿曲軸等運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行輕量化，如圖4所示，以降低其在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)慣量，其中活塞與活塞銷(xiāo)輕量化減重20%，連桿輕量化減重15%，連桿曲軸主軸頸小型化直徑減少6%，寬度減少8%，最終發(fā)動(dòng)機(jī)減重10%[13]。

圖4 SKYACTIVE-X發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化的運(yùn)動(dòng)件[15]

2 “SKYACTIV-X”發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)

“SKYACTIV-X”發(fā)動(dòng)機(jī)兼具汽油發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)特征，其對(duì)比如表1所示。

表1 “SKYACTIV-X”發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)比常規(guī)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)及柴油發(fā)動(dòng)機(jī)

2.1 輸出性能大幅提升

以2.0 L排量為準(zhǔn)，“SKYACTIV-X”發(fā)動(dòng)機(jī)與“SKYACTIV-G”發(fā)動(dòng)機(jī)相比，在全轉(zhuǎn)速區(qū)域?qū)崿F(xiàn)最低10%、最高達(dá)30%以上的扭矩提升（2017年8月開(kāi)發(fā)過(guò)程中的數(shù)據(jù)）[13]，最大扭矩由202 N?m/4000r/min提升至242.4 N?m/4000r/min，最大功率由116 kW/6400r/min提升至140 kW/6400r/min。

為滿足發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速低泵氣損失和低機(jī)械阻力，升級(jí)進(jìn)排氣機(jī)構(gòu)，更好地保證中、低轉(zhuǎn)速區(qū)域的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩，并達(dá)到穩(wěn)定加速至最高轉(zhuǎn)速，如圖5所示。

2.2 出色的加速響應(yīng)

通過(guò)減小系統(tǒng)零部件的運(yùn)動(dòng)慣量，以達(dá)到優(yōu)秀的加速響應(yīng)性。通過(guò)采用全新設(shè)計(jì)的整體飛輪，經(jīng)過(guò)重新評(píng)價(jià)整套動(dòng)力系統(tǒng)的振動(dòng)衰減設(shè)計(jì)。飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小18%，質(zhì)量減少10%，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)轉(zhuǎn)速上升率增加150 r/s，從開(kāi)始加速至產(chǎn)生0.1 g（重力加速度）的時(shí)間減少10 ms，如圖6所示，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)的加速響應(yīng)性更加輕快靈敏[14-15]。

圖5 節(jié)氣門(mén)全開(kāi)（WOT）時(shí)的性能曲線[15]

圖6 響應(yīng)性改善[15]

“SKYACTIV-X”發(fā)動(dòng)機(jī)起步時(shí)幾乎無(wú)延遲,得益于其極速燃燒，確保車(chē)輛快速響應(yīng)，加速時(shí)又能發(fā)揮汽油發(fā)動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速下的提速性能。同時(shí)，由于節(jié)氣門(mén)打開(kāi)的區(qū)域?qū)拸V，可發(fā)揮出達(dá)到無(wú)節(jié)氣門(mén)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)所具備的初始響應(yīng)靈敏的加速性能。

2.3 燃油經(jīng)濟(jì)性大幅提高

以2.0 L排量為準(zhǔn)，“SKYACTIV-X”發(fā)動(dòng)機(jī)與“SKYACTIV-G”發(fā)動(dòng)機(jī)相比，通過(guò)超高壓縮比實(shí)現(xiàn)高效燃燒，燃油經(jīng)濟(jì)性實(shí)現(xiàn)20%～30%的明顯提升，綜合工況油耗由6.40 L/100km降至4.58 L/100km，如圖7所示?！癝KYACTIV-X”發(fā)動(dòng)機(jī)與2008年非搭載SKYACTIV技術(shù)的MZR發(fā)動(dòng)機(jī)相比，燃油消耗率改善幅度達(dá)35%～45%，達(dá)到與“SKYACTIV-D”柴油發(fā)動(dòng)機(jī)同等或以上的燃油經(jīng)濟(jì)性。此外，其燃燒效率也大幅提升，在低速行駛頻率較高的地區(qū)，通過(guò)超稀薄燃燒提升30%左右的燃燒效率。從1 000 r/min～5 000 r/min都屬于發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速區(qū)間，適應(yīng)范圍更廣[16-17]。

圖7 燃油消耗量[15]

3 結(jié)論

“SKYACTIV-X”發(fā)動(dòng)機(jī)將燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力響應(yīng)作為主要升級(jí)方向。通過(guò)借鑒柴油發(fā)動(dòng)機(jī)壓燃點(diǎn)火工作方式來(lái)提高空燃比，利用火花塞控制點(diǎn)火時(shí)刻。SPCCI技術(shù)是一套極為精密的綜合性燃燒控制系統(tǒng)，由超高壓燃油噴射系統(tǒng)、EGR冷卻器、可控機(jī)械增壓等構(gòu)成。能夠在SI和CI兩種點(diǎn)火方式間無(wú)縫切換，無(wú)需復(fù)雜的可變氣門(mén)及可變壓縮比結(jié)構(gòu)。繼承汽油發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力可擴(kuò)展性好，排氣凈化的優(yōu)點(diǎn)，又結(jié)合柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃效高，響應(yīng)快，扭矩大的特性?！癝KYACTIVE-X”發(fā)動(dòng)機(jī)較“SKYACTIV-G”發(fā)動(dòng)機(jī)相比其燃油經(jīng)濟(jì)性提升20%～30%，全速域扭矩提升10～30%。

針對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性，“SKYACTIV-X”發(fā)動(dòng)機(jī)取得多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)上的突破。為提高燃油經(jīng)濟(jì)性，采用稀薄燃燒；為實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒，采用壓燃點(diǎn)火；為壓燃點(diǎn)火可控且滿足不同工況需求，采用SPCCI技術(shù)。欲全面論證“SKYACTIV-X”發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性，尚需在以下幾個(gè)方面開(kāi)展深入研究：

（1）由于傳統(tǒng)柴油壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)的低溫啟動(dòng)性不如汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)于“SKYACTIV-X”發(fā)動(dòng)機(jī)，工作在壓燃狀態(tài)也需保持在一定溫度內(nèi)。例如在中國(guó)東北地區(qū)冬季氣溫寒冷的條件下，“SKYACTIV-X”發(fā)動(dòng)機(jī)的低溫啟動(dòng)問(wèn)題。

（2）由于“SKYACTIV-X”發(fā)動(dòng)機(jī)的SPCCI技術(shù)搭載可控機(jī)械增壓器。其主要目的是提高進(jìn)氣量，工作范圍不是全程介入，而是滿足進(jìn)氣量便停止工作。雖然和其它機(jī)械增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的目的及作用不同，但其仍屬于機(jī)械增壓發(fā)動(dòng)機(jī)。故“SKYACTIV-X”機(jī)械增壓發(fā)動(dòng)機(jī)相比其他增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在使用要求及維修成本上是否有較明顯的區(qū)別？以及采用機(jī)械增壓器對(duì)油耗方面產(chǎn)生的影響。

（3）由于“SKYACTIV-X”發(fā)動(dòng)機(jī)采用了高壓縮比，且由火花塞先點(diǎn)燃而后壓燃，易在氣缸內(nèi)引起的爆震，這款發(fā)動(dòng)機(jī)能否有良好的NVH表現(xiàn)或通過(guò)調(diào)整軟件的方式來(lái)降低噪音仍需做進(jìn)一步研究。

（4）采用超高壓縮比的“SKYACTIV-X”發(fā)動(dòng)機(jī)能否適應(yīng)中國(guó)油品質(zhì)量，仍需近一步研究。