自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)全解

　　隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)苛，為了避免交出巨額罰款，汽車(chē)制造商們都在爭(zhēng)先恐后地推出混合動(dòng)力車(chē)、電動(dòng)車(chē)，而對(duì)于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)來(lái)說(shuō)，也越來(lái)越傾向于小排量、渦輪增壓等發(fā)展方向了。在這樣的大環(huán)境下，自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)的身影已經(jīng)越來(lái)越少。如果說(shuō)有誰(shuí)還是自然吸氣的忠實(shí)擁躉的話，那么以轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)起家的馬自達(dá)絕對(duì)算得上一個(gè)。

　　2010年，馬自達(dá)提出了創(chuàng)馳藍(lán)天技術(shù)(Skyactiv Technology)。這項(xiàng)技術(shù)以自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)為主體，主攻方向?yàn)樘岣呷加托剩o以對(duì)變速箱、底盤(pán)和車(chē)身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，降低傳動(dòng)過(guò)程中的能量損耗。

　　一個(gè)中心：自然吸氣

　　對(duì)于自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)而言，如果想降低碳排放，提高燃油效率，只有兩個(gè)路子，一是提高發(fā)動(dòng)機(jī)本身的燃燒效率，能夠在等量的燃油上壓榨出更多的動(dòng)能輸出；另外一個(gè)就是降低各種不必要的能量消耗，比如對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，提高實(shí)際的能量轉(zhuǎn)換率，或者是車(chē)身結(jié)構(gòu)的輕量化等。

　　馬自達(dá)的創(chuàng)馳藍(lán)天技術(shù)就是從這兩個(gè)角度出發(fā)，于發(fā)動(dòng)機(jī)上提高燃燒效率，再在發(fā)動(dòng)機(jī)————變速箱————底盤(pán)這個(gè)傳動(dòng)系上降低能量在傳遞過(guò)程中的消耗，其他的還有諸如車(chē)身的輕量化設(shè)計(jì)等。最終的結(jié)果也是相當(dāng)驚人，比如去年國(guó)產(chǎn)化的CX-5兩驅(qū)版本和國(guó)內(nèi)第一款使用創(chuàng)馳藍(lán)天技術(shù)的2.0升自動(dòng)擋ATENZA，都達(dá)到了百公里綜合油耗6.6升，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了同級(jí)別的車(chē)。

　　一代創(chuàng)馳藍(lán)天技術(shù)

　　在《”動(dòng)力新王牌”系列之七：馬自達(dá)創(chuàng)馳藍(lán)天技術(shù)》一文中，車(chē)云菌詳細(xì)介紹了創(chuàng)馳藍(lán)天發(fā)動(dòng)機(jī)在不使用渦輪增壓的情況下達(dá)到如此高效的秘密。高達(dá)14的壓縮比，不走尋常路的4-2-1的排氣系統(tǒng)，雖然在性能上有所犧牲，但是配合著活塞、點(diǎn)火正時(shí)以及發(fā)動(dòng)機(jī)自身輕量化的設(shè)計(jì)，在經(jīng)濟(jì)性上的提升是相當(dāng)明顯的。

　　但是，即便是這樣，也難以滿足歐盟定下的新車(chē)平均碳排放目標(biāo)————2020年達(dá)到95克/公里、2025年達(dá)到65克/公里。所以，馬自達(dá)的工程師們也在醞釀著下幾代創(chuàng)馳藍(lán)天技術(shù)的發(fā)展方向。

　　兩個(gè)基本點(diǎn)：高壓縮比

　　2014年開(kāi)年不久，馬自達(dá)的動(dòng)力開(kāi)發(fā)總監(jiān)人見(jiàn)光夫揭露了下一代技術(shù)的研發(fā)計(jì)劃：”第二代創(chuàng)馳藍(lán)天發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)計(jì)在2020年問(wèn)世，與第一代相比，第二代發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性將至少提升30%?！?/p>

　　我們都知道，馬自達(dá)的工程師們讓第一代創(chuàng)馳藍(lán)天發(fā)動(dòng)機(jī)成為世界上壓縮比最高的汽油機(jī)————高達(dá)14。即便是因?yàn)橹袊?guó)的燃油品質(zhì)問(wèn)題，國(guó)產(chǎn)的ATENZA和CX-5上的壓縮比有所降低，僅為13，但是也要比SUV上12左右的壓縮比要高了，在一般的轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)上，根據(jù)排量大小，壓縮比也僅為8-10。

　　顯然，工程師們對(duì)于這一數(shù)據(jù)并不滿足。人見(jiàn)光夫表示，在第二代創(chuàng)馳藍(lán)天的發(fā)動(dòng)機(jī)上，壓縮比的目標(biāo)是18。

　　提高壓縮比，即代表汽油機(jī)的壓縮進(jìn)程結(jié)束之后，混合氣的溫度和壓力也就更高，在燃燒過(guò)程中，能夠釋放出的熱能也就更多，即是在消耗等量燃油的情況下，產(chǎn)生的能量更多。這樣，即便從熱能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換過(guò)程中的轉(zhuǎn)換比率不變，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力也會(huì)增多。因此，提高壓縮比，相當(dāng)于提高了能量的基數(shù)，從根本上增加了發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力，也就是提高了燃油的經(jīng)濟(jì)性。

　　但是我們也知道，汽油的抗壓能力是有限的。高標(biāo)號(hào)的汽油抗壓能力高，在高溫下的燃燒傳播速度也較慢，能夠承受較高的溫度和壓力；缸內(nèi)直噴的加入，讓汽油能夠混合得更均勻，也降低了爆震發(fā)生的可能，但這都不允許壓縮比的無(wú)限增長(zhǎng)。第一代之所以能達(dá)到14的壓縮比，也是在犧牲了部分性能的前提下實(shí)現(xiàn)的。

　　而繼續(xù)將壓縮比提高到18，如果繼續(xù)走犧牲性能的路線的話，也是不現(xiàn)實(shí)的。如果大排量，比如2.5升的發(fā)動(dòng)機(jī)，除了碳排放再找不到其他特點(diǎn)，還特別肉的話，那么還不如選一臺(tái)小排量的渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)呢。

　　那么，馬自達(dá)的工程師們要如何實(shí)現(xiàn)這個(gè)魔法呢？

　　兩個(gè)基本點(diǎn)：HCCI

　　答案就是HCCI。人見(jiàn)光夫在談到提高燃油經(jīng)濟(jì)性時(shí)說(shuō)到：”如果我們想要大幅提升燃油效率，唯一途徑就是稀薄燃燒?！彼^稀薄燃燒，就是降低汽油與空氣的混合氣中汽油的組成比例，讓單位體積的汽油能夠產(chǎn)生更高的能量，提升燃油效率。

　　HCCI，Homogeneous chargecompression ignition，即是均質(zhì)混合氣的壓燃技術(shù)。使用了這項(xiàng)技術(shù)之后，汽油機(jī)的燃燒方式就變得與柴油機(jī)相同————壓燃。HCCI技術(shù)的核心是均質(zhì)混合氣和壓燃，而要想實(shí)現(xiàn)均質(zhì)混合氣和壓燃，都離不開(kāi)高的壓縮比。

　　只有氣缸內(nèi)的壓力足夠高，才能讓混合氣再?lài)娙胫髩嚎s行程結(jié)束時(shí)，有足夠的時(shí)間形成均勻分布的混合氣；當(dāng)然，也只有缸內(nèi)的壓力和溫度足夠高的時(shí)候，才能在不使用火花塞的情況下達(dá)到汽油的燃點(diǎn)，使其燃燒。

　　由于缸內(nèi)的是稀薄混合氣，相當(dāng)于變相地提升了汽油的抗壓能力，在高壓縮比的情況下也不會(huì)產(chǎn)生爆震。因此，HCCI技術(shù)與高壓縮比可謂是相輔相成。人見(jiàn)光夫也在宣告時(shí)表示，二代創(chuàng)馳藍(lán)天的主要技術(shù)就是HCCI，高壓縮比只不過(guò)是HCCI的隱性福利，順帶的。

　　三種不同的燃燒方式

　　通用曾在2007年到2009年對(duì)HCCI技術(shù)進(jìn)行過(guò)研究。奔馳也在2007年推出過(guò)一款名叫DiesOtto(柴油機(jī)與汽油機(jī)創(chuàng)造者名字的組合)的發(fā)動(dòng)機(jī)，同樣使用了HCCI技術(shù)，并配上了渦輪增壓系統(tǒng)，1.8升排量下最大輸出功率為238馬力，最大扭矩可達(dá)到400牛·米。本田和現(xiàn)代，以及零部件供應(yīng)商博世都傳出過(guò)研究HCCI的消息，但是這項(xiàng)技術(shù)卻一直未被量產(chǎn)應(yīng)用過(guò)。

　　這是因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)HCCI，必須解決一些關(guān)鍵技術(shù)上的難點(diǎn)：

　　一是燃燒時(shí)刻的控制。HCCI要通過(guò)提高氣缸的壓力和溫度使混合氣自燃，那么對(duì)混合氣的噴射過(guò)程、氣缸內(nèi)的溫度和壓力都要進(jìn)行精確的檢測(cè)和控制，以保證在壓縮行程結(jié)束時(shí)才開(kāi)始燃燒，提前則造成能量的浪費(fèi)，延遲則會(huì)造成動(dòng)力的滯后，影響輸出平穩(wěn)性。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)的ECU管理程序要縝密地進(jìn)行加強(qiáng)。

　　二是為了避免爆震，HCCI的混合氣都是稀薄混合氣，與常規(guī)的汽油機(jī)相比，采用HCCI技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)，排氣的溫度會(huì)相對(duì)較低，發(fā)動(dòng)機(jī)的最大負(fù)荷會(huì)受到限制。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在大負(fù)荷高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，就可能還必須依靠火花塞進(jìn)行點(diǎn)火。而如果用火花塞進(jìn)行點(diǎn)火，發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比就不能過(guò)高避免出現(xiàn)爆震，這就要求發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比可變。要在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)壓縮比可變，發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)會(huì)更加復(fù)雜，成本也隨之增加，而且在目前的技術(shù)下，并不能保證穩(wěn)定性。另外，低排氣溫度對(duì)催化轉(zhuǎn)化器來(lái)說(shuō)也是一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)樾枰喈?dāng)高的溫度才能進(jìn)行氧化/還原反應(yīng)。

　　三是HCCI是同時(shí)進(jìn)行壓燃和放熱，氣缸和活塞會(huì)受到強(qiáng)大的瞬間壓力，這就對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的強(qiáng)度和重量有了更高的要求。如果發(fā)動(dòng)機(jī)的重量增加過(guò)多，也會(huì)抵消掉一部分好不容易提升了的效率，因此，如何在這兩者之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)，也是一個(gè)挑戰(zhàn)。