馬自達創(chuàng)馳藍天X發(fā)動機SPCCI技術(shù)與M-HYBRID輕混動力系統(tǒng)解析(一)

2024年3月22日發(fā)(作者：平面的投影)

新車新技術(shù)

New Car Tech

?OOOOOOOOOOOOOCOOOOCOOOOOOOOOOOO^OOOOOOOOOOOOOOOOOOO^OOOOO

?欄目編輯：劉璽 lx@

高惠民(本刊編委會委員）

曾任江蘇省常州外汽豐田汽車銷售服務(wù)有限公司技術(shù)總監(jiān)，江蘇技術(shù)師范學(xué)

院、常州機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程運用系專家委員，高級技師。

馬自達創(chuàng)馳藍天

X

發(fā)動機

S

PCCI

技術(shù)與

M-HYBRID

$圣混動力系統(tǒng)解析(一）

?文/江蘇高惠民

一、

SKYACTIV

-

X

發(fā)動機的客戶價值

“

ZOOM

-

ZOOM

”原本是兒童模仿發(fā)動機轟鳴的聲音。而

以電能為例，如果電能來源是火電(燃煤)，那么在整個環(huán)節(jié)

中，二氧化碳排放總量是否真的比單獨內(nèi)燃機驅(qū)動要環(huán)保嗎？

為此馬自達調(diào)研結(jié)論是：以“從燃料開采到車輛駕駛(

we

丨

l

-

to

-

對于有一個汽車公司來說“

ZO

〇

M

-

ZO

〇

M

”

，

代表了企業(yè)的品牌

精髓，它

S

尤是馬自達汽車的品牌所在。馬自達在

Z

〇〇

M

-

Z

〇

OM

可持續(xù)發(fā)展宣言2030中，將實現(xiàn)美麗地球、人心豐盈的社會形態(tài)

為己任，通過持續(xù)汽車產(chǎn)品的本位價值，不斷追求能夠?qū)崿F(xiàn)用戶身

心愉悅的探索和努力，圖1所示為馬自達對“人、地球、社會”深刻

理解。

人

wheel

)’’的二氧化碳的環(huán)保視角，換算成綜合二氧化碳排放量，

電動車是128

g

/100

km

,而搭載創(chuàng)馳藍天發(fā)動機的馬自達車是

142

g

/

km

。馬自達只需實現(xiàn)10%左右的改善，即可到達與電動車

相媲美的環(huán)保標準。于是馬自達執(zhí)著地對內(nèi)燃機的潛力進行挖

掘，研發(fā)出了一款逆天的創(chuàng)馳藍天

X

發(fā)動機(

SKYACTIV

-

X

發(fā)動

機)，為全球范圍內(nèi)實現(xiàn)汽油發(fā)動機壓燃點火的量產(chǎn)應(yīng)用開創(chuàng)了先

河(現(xiàn)已應(yīng)用于

MAZDA

CX

-3和

MAZDA

3

CX

昂克賽拉兩款車

型中)。如果按照不同的發(fā)電方式來換算，電動汽車是通過煤炭或

石油發(fā)電來產(chǎn)生電力的話，而搭載馬自達

SKYACTIV

-

X

發(fā)動機

的環(huán)保性能已經(jīng)超越了電動汽車。

SKYACTIV

-

X

發(fā)動機與上一

代

SKYACTIV

發(fā)動機以及發(fā)電廠的二氧化碳排放量相比如圖3所

示。這就更加證實了內(nèi)燃機專家堅信的“在未來很多年里，內(nèi)燃

圖1馬自達“人、地球、社會”意義內(nèi)涵

式發(fā)動機仍將為全球大多數(shù)汽車提供動力，并且能夠為減少二氧

化碳排放做出最大貢獻，未來內(nèi)燃式發(fā)動機占轎車新車銷售量的

比例如圖4所示。

在電氣化進程不斷被各個汽車廠商宣揚的今天，馬自達不同

于其他汽車企業(yè)環(huán)境保護思想，即以“從油箱到車輛駕駛丨

tank

-

to

-

wheel

)”的二氧化碳排放評估體系，而是倡導(dǎo)通過“從燃料開

采到車輛駕駛(

well

-

to

-

wheel

)”的二氧化碳排放評估體系，綜合

性地削減燃油在開采、提煉、制造運輸環(huán)節(jié)的全過程中產(chǎn)生的二

氧化碳總量。圖2所示為車輛的兩種二氧化碳評估方法示意圖。

------------Tank-t

〇

-Wheel ---------3

⑷峰內(nèi)腳

?e/Whe?l

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^

油輜/

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anmnwami ------■>.

----------Tank-to-Wheel -------

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內(nèi)

,

#

/

油箱，Tank 車|￡/Wheel

油箱

?

/

4^1

??/Wheel

圖2二氧化碳排放評估方法示意圄

58

圖3

SKYACTIV

-

X

發(fā)動機二氧化碳排放量比較圖

Mmrm-CHiNA ■

May

欄目編輯：劉蜜lx@礓

圖4未來內(nèi)燃式發(fā)動機占轎車新車銷售量的比例圖

SKYACTIV

-

X

發(fā)動機是馬自達提出創(chuàng)馳藍天技的

第二代高熱效率汽油發(fā)動機（第一代是

SKYACT

丨

V-G

汽油發(fā)動機和

SKYACTIV

-

D

柴油發(fā)動機），核心技術(shù)是

汽油發(fā)動機實現(xiàn)火花塞點火控制壓燃點火技術(shù)

（Spark

ControlledCompressionlgnition

,

SPCCI

),有效地結(jié)合柴油發(fā)

動機與汽油發(fā)動機的特點(圖5),可使汽油燃燒更加充分、熱效率

更高、動力性能更加強。

優(yōu)點 汽油發(fā)動機 （理想的發(fā)動機） 柴油發(fā)動機

i

l

圖5火花塞點火控制壓燃點火技術(shù)(

SPCCI

)特點

1.輸出性能得到了顯著提升

出色的初始響應(yīng)能力(高扭矩)以及高轉(zhuǎn)速下的延展性(出色的

加速性能)。很多車輛尤其是小排量渦輪增壓發(fā)動機，油門-速度

往往有時滯，油門踩下去要停頓個0.5~1

s

車才有加速度，這個就

是渦輪遲滯效應(yīng)。

SKYACTIV

-

X

發(fā)動機有先天優(yōu)勢，其動力調(diào)節(jié)

和柴油機類似,節(jié)氣門保持全開狀態(tài)，空氣吸入沒有阻力，動力大

小由燃油噴射量決定，油門踏板深踩后，燃油噴射量即可瞬間增

加，就可以極大提高加速響應(yīng)性(圖6：)。

圖6

SKYACTIV

-

X

發(fā)動機加速響應(yīng)性示意圖

New Car Tech

新車新技術(shù)

2.燃油經(jīng)濟性得到了顯著提升

由于提高了熱效率(15:1幾何壓縮比，36:1的超稀薄空燃

比，壓燃點火，：)，在所有路況下駕駛(從城市道路到高速公路)，都

可以保持良好的燃油經(jīng)濟性。發(fā)動機實際工況是很復(fù)雜的，不能

只看某一點的極限熱效率，更要關(guān)注低油耗區(qū)域的范圍大小，目

前市面上的發(fā)動機應(yīng)對排放和油耗的對策為減小發(fā)動機排量+渦

輪，以提高在

NEDC

工況下的燃油經(jīng)濟性，由于此對策的油耗最

佳區(qū)域較為狹窄，在該區(qū)域之外燃油經(jīng)濟性迅速下降，尤其在實

際行駛工況或者最新的

WLTP

工況下油耗表現(xiàn)一般。

廣域的燃油經(jīng)濟性區(qū)域意味著變速器匹配時不再局限于升擋

降低發(fā)動機轉(zhuǎn)速來保證高效的燃油經(jīng)濟性。如圖7所示，正常發(fā)動

機巡航在

A

點2 200「/

min

,變速器在最高擋位，對于

SKYACTIV-X

發(fā)動機來說，可以把巡航工況設(shè)計到

B

點3 000「/

min

,變速器不

在最高擋位，在油門急加速時，

SKYACTIV

-

X

發(fā)動機不需要降

擋直接提高扭矩，從而獲得更快速更直接的響應(yīng)，極大的提高

了駕駛性。體現(xiàn)了車輛出色的速度動力性、燃油經(jīng)濟性和排放

環(huán)保性。如圖8所示，馬自達

SKYACTIV

-

G

和

SKYACTIV-D

與

SKYACTIV

-

X

在扭矩、功率和油耗對比。以2.0

L

排量為例，

“

SKYACTIV

-

X

”發(fā)動機與“

SKYACTIV

-

G

”發(fā)動機相比，

燃油經(jīng)濟性實現(xiàn)20%-30%的明顯提升，與2008年非搭載

SKYACTIV

技術(shù)的

MZR

發(fā)動機相比，燃油消耗率改善幅度達

35%~45%,

SKYACTIV

-

X

發(fā)動機達到與 “

SKYACTIV

-

D

"柴

油發(fā)動機同等或以上的燃油經(jīng)濟性。

當前G燃油經(jīng)濟性

SKY-X

燃油經(jīng)濟性

E

.

N

2

S

0

> M?0 4000 SO00

r/min

r/min

圖7

SKYACTIV

-

X

發(fā)動機更大的燃油效率范圍圖

燃'臟濟性得到了

a

著提升

95RON

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膽顧

>

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;

發(fā)

*?

機連度

r/mm

友動機負霣

(BMEP)

丨

kPal

圖8

SKYACTIV-X

發(fā)動機在扭矩、功率和油耗對比圖

3.實現(xiàn)了車內(nèi)的靜謐性

SPCCI

火花塞點火控制壓燃點火技術(shù)燃燒功率大，振動大，

發(fā)動機噪聲大，帶來駕駛座艙噪聲大。為了減少這些噪聲，采用

2021/05

? 59

New

Car

Tech

OOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOCOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOdOOOOOOOOOOOOeOOOOOOOCOOOOOOOOOOOO&OOOOOOOOOOOOOOOOOOOWSOOXXJOOOOOOSOOOOOOOOOOOOOOOOOOSOOOOOOSOOOOC"

新車新技術(shù)

M

-

HYBRID

(輕混合動力系統(tǒng))的

ISG

(集成啟動/發(fā)電一體機)安靜

的發(fā)動機啟停(

IR

)操作以及膠囊型結(jié)構(gòu)的發(fā)動機艙

NVH

設(shè)計(雙

層發(fā)動機倉蓋)，可以吸收壓燃發(fā)動機的噪音和振動，如圖9所示。

圖9

SKYACTIV

-

X

發(fā)動機艙降低

NVH

的設(shè)計

二、

HCCI

汽油機燃燒的基本理論

一百多年以來，點燃式丨

si

)汽油機經(jīng)歷了從化油器到缸內(nèi)直

噴和分層燃燒不斷地改進，最好軟噴射型分層燃燒缸內(nèi)直噴點

燃式汽油機在部分負荷工況的有效熱效率已可達到同排量柴油

的機的水平，但其指示熱效率仍低于柴油機。汽油機指示熱效率

低于柴油機是由于它的燃燒方式所造成的。為了使混合汽能夠

被點燃，火焰能夠傳播，混合汽的空燃比必須限制在一定范圍；

同時，為了避免火焰前鋒面前面的未燃混合汽突然發(fā)生大范圍自

燃，產(chǎn)生爆燃，汽油機的壓縮比受到限制。這兩個限制都影響了汽

油機的熱效率。從21世紀開始，一種全新的燃燒方式，均質(zhì)壓燃

(

HCCI

，

Homogene

，

ous

-

Cha「ge

Compression

-

Ignition

)被提

出，并受到世界上幾乎所有主要汽車公司和發(fā)動機研究機構(gòu)的注

意，并先后開始進行研發(fā)。從表面上看，

HCCI

發(fā)動機是

SI

汽油機

和

CI

柴油機的結(jié)合，它像汽油機一樣采用預(yù)混合的均勻混合汽，

又像柴油機一樣利用壓縮過程產(chǎn)生的熱使混合汽自燃，不需要使

用火花塞來點燃。而實際上

HCCI

的燃燒過程與點燃式汽油機以

及柴油機的燃燒過程都不同。汽油機和柴油機的燃燒都是擴散燃

燒過程。如圖10所示，汽油機主要依靠熱擴散來實現(xiàn)火焰?zhèn)鞑ィ?

柴油機的主燃燒過程是依靠燃油蒸氣和氧氣的擴散現(xiàn)象使油氣

相遇產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。

在上述的這兩種燃燒過程中，燃燒室內(nèi)工質(zhì)物理量在空間

的分布是不均勻的，因而發(fā)生熱擴散或物質(zhì)擴散現(xiàn)象。而理想的

HCCI

是在整個燃燒室內(nèi)同時發(fā)生的燃燒過程，在燃燒過程中工

質(zhì)物理量在空間的分布是均勻的，僅隨時間變化。因此，

HCCI

在

60 irnTTOR-CHiNA

? May

f 目編輯：劉蜜 lx@

理論上不存在擴散現(xiàn)象，是屬于非擴散的燃燒過程。圖11生動描

繪了

HCCI

燃燒過程和

SI

燃燒過程的大致特點。

圖11

HCCI

燃燒過程和

SI

燃燒過程特點的比喻示意圄

如果將燃燒放熱過程比喻成收獲的場景，那么在火花點火燃

燒模式下，火焰?zhèn)鞑ミ^程就像人們協(xié)調(diào)有序地排成一行進行收割，

將田地劃分為已收割(已燃丨區(qū)域和未收割(未燃)區(qū)域。與之不同，

HCCI

的放熱就好比人們散布于整片田地而不是排成一行,這樣莊

稼(能量)收割更迅速。因此

，

HCCI

燃燒的放熱過程大大快于傳統(tǒng)

SI

燃燒。這種放熱更接近等容放熱過程，如圖12所示均質(zhì)壓燃汽

油機與傳統(tǒng)汽油機的缸內(nèi)壓力變化曲線比較。

50

-

40

-

30

-

20

-

10

-

壓

力

/bar

0

0 ICO 200 300 400 500

體積

/cm3

圖12均質(zhì)壓燃汽油機與傳統(tǒng)汽油機的缸內(nèi)壓力變化曲線比較

HCCI

燃燒放熱特性與

SI

燃燒放熱特性對比如圖13所示

(1

ba

「=100

kPa

)。在

SI

燃燒模式下，有一條狹窄的反應(yīng)區(qū)域，或者

稱為火焰前鋒面，將缸內(nèi)工質(zhì)分為已燃和未燃兩個區(qū)域，放熱僅

在這個狹窄的反應(yīng)區(qū)內(nèi)進行。因此，

SI

燃燒的累枳放熱量就是反

應(yīng)區(qū)域內(nèi)一定質(zhì)量工質(zhì)

dmi

的放熱總和。

理想

HCCI

燃燒過程中，燃燒在整個汽缸內(nèi)同時發(fā)生,在燃燒

進行的某一瞬時缸內(nèi)所有混合汽體都將參與放熱。因此

，

HCCI

燃燒的累積放熱量則應(yīng)該是混合汽總量

m

在各個燃燒反應(yīng)

dqi

中

所釋放熱量的累加。但是，由于實際發(fā)動機中混合汽成分分布和

溫度分布達不到絕對的均勻，放熱也不能在整個混合汽中均勻進

欄目編輯：劉蠻

lx@motorch

n

;， ?

未燃

1

I

燃油

圓

.燃油

(a) SI (b)HCCI

圖13

HCCI

燃燒放熱特性與

SI

燃燒放熱特性對圖

行。缺乏稀釋和/或溫度較高的區(qū)域放熱較快，導(dǎo)致放熱不均勻.其

放熱曲線如圖中虛線所示。

HCCI

過程和汽油機的爆燃過程有很多相似之處。也可以說,

HCCI

就是一種爆燃。但是，由于單位質(zhì)量未燃混合汽所含化學(xué)能

的數(shù)量不同，這兩種燃燒對發(fā)動機的影響不同。點燃式汽油機的

混合汽接近當量空燃比，其過量空氣系數(shù)受到火焰?zhèn)鞑サ南拗疲?

一般不能大于15。在爆燃時由于單位質(zhì)量混合汽釋放出大量的熱

能會造成高溫燃氣強烈的壓力波動，除了產(chǎn)生噪聲和振動外還會

使缸壁間的傳熱增加，使汽油機過熱，造成拉缸等損害。而

HCCI

汽油機的混合汽需要用過量空氣或大量的殘余廢氣進行稀釋。如

果殘余廢氣系數(shù)不顯著增加，

HHCI

混合汽的過量空氣系數(shù)必須

大于2才能控制氮氧化物的生成及燃燒的粗暴性。因此在

HCCI

燃

燒過程中單位質(zhì)量混合汽所具有的化學(xué)能較少，并不一定造成缸

內(nèi)燃氣的壓力高頻波動。由于燃氣溫度較低，也不至造成汽油機

的過熱和拉缸等損害。因此，

HCCI

汽油機不再受到爆燃的限制，

可以提高壓縮比，混合汽的空燃比不再受到混合汽點燃和火焰?zhèn)?

播要求的限制。可以采用比

SI

燃燒稀薄得多的混合汽，混合汽濃

度與發(fā)動機著火如圖14所示。

因為釆用超稀薄混合汽或更充分的廢氣稀釋，降低了燃燒溫

度，提高了工質(zhì)的比熱比，混合汽濃度對比熱比的影響如圖15所

示，使汽油機的熱效率和燃油經(jīng)濟性得到極大的提高。氮氧化物

(

NOx

)的生成受到抑制，減輕了排氣后處理的困難。另外

，HCCI

燃燒可以在取消節(jié)氣門的情況下實現(xiàn)部分負荷運轉(zhuǎn)，消除了傳統(tǒng)

SI

燃燒中節(jié)氣門部分開啟造成節(jié)流的泵氣損失。綜上所述

，HCCI

燃燒能有效改善汽油機熱效率低的問題，即壓縮比低、比熱比低、

泵氣損失大、燃燒等容度低以及循環(huán)波動率高。但是，相比于

SI

汽

油機，

HCCI

汽油機燃燒也存在兩大限制區(qū)域如圖16所示。

高負荷下受爆震或劇烈燃燒現(xiàn)象限制，而低負荷下則受不完

全燃燒或失火的限制。比如在低轉(zhuǎn)速、低負荷下，汽缸內(nèi)溫度不

夠?qū)е挛茨軌喝迹辉诘拓摵筛咿D(zhuǎn)速下由于燃料太少，發(fā)生壓燃反

應(yīng)的時間不夠而失火；在高轉(zhuǎn)速高負荷下又難以穩(wěn)定的燃燒，容

易爆震。外界環(huán)境溫度從-35

T

：到90

T

：的變化，大氣壓從海平面

100

kPa

到海拔5 000

m

的0.6

kPa

的變化，都會讓

HCCI

的工作

范圍縮小。為了應(yīng)對時時刻刻的環(huán)境變化，控制汽油

HCCI

著火和

New Car Tech

新車新技術(shù)

壓燃式點火的優(yōu)勢

火花塞點火

空氣/燃料混合物=14.7

750r/min A/F=14.7

火花塞點火

空氣乃然料混合物=29.4

750r/mln A/F=29.4

點火

空氣料混合物=36.8

高溫局壓

750r/mln A/F=29.4

圖14混合汽濃度與發(fā)動機著火示意圖

1.40

1.35

1.30

1.25

1.20

600

77K

圖15混合汽濃度對比熱比的影響

K

-

切換

? .HCC丨壓縮著火?翟因反應(yīng)時間不夠而失火

發(fā)動機轉(zhuǎn)速r/min

圖16

HCC

丨汽油機燃燒存在兩大限制區(qū)域示意圖

燃燒的原則是混合汽溫度、濃度和組分協(xié)同控制。于是，馬自達另

辟途徑，獨自研發(fā)了具有專利技術(shù)的

SPCCI

(

Spa「k

Controlled

Compression

Ignition

:火花控制壓縮點火)燃燒的

SKYACTIV-X

型發(fā)動機。并投入量產(chǎn)與商品化。

(未完待續(xù)）

E

2021/05

?族組潤病

61