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马自达全新一代创驰蓝天发动机从柴油机上学到了什么?

来源:采集侠  发表时间:2018-02-23 10:14  点击次数:


日前,马自达公布了自己未来动力总成发展规划,并宣布全新一代创驰蓝天发动机将会在2019年量产。这台发动机最大的亮点在于使用了类似柴油机的压燃技术,可以说是又一次和主流背道而驰,也让包括我在内的无数人产生了好奇心。那么,满怀兴趣,我们就来解读一下这台来自未来的压燃汽油机。

首先提一个问题:

为什么柴油发动机皮实耐用、省油、低速动力更好甚至碳排放更低(对,你没听错),却在家用车领域的份额大大落后于汽油机?

没错,柴油机更省油、排放更低,这正是马自达新一代发动机采用HCCI均质压燃技术想要达到的效果。但是,你为啥不直接用柴油机呢?

答:因为柴油机噪音、振动大、冷启动相对困难且高转速下动力表现差,这不仅是柴油机的缺点,其实也是压燃技术的缺点,而这些是马自达不想要的。

为什么汽油很难压燃?

懂一点机械和化学的人都知道,柴油因为自燃点低,可以被压缩产生的热量点燃,且能够采用稀薄燃烧。何为稀薄燃烧,就是用远超过14.7倍(黄金空燃比)质量的空气去和雾化柴油混合,用过剩的空气榨干每一克燃料的能量。这也就是为什么柴油发动机能更省油。

但汽油不行,如果想要压燃,它需要更高的压缩比,但压缩比越高,就越容易产生爆震,所以必须借助外力点燃(火花塞)。

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左侧汽油机,进气冲程吸入油气混合物;右侧柴油机,进气冲程吸入空气,压缩后喷入雾化柴油

那么马自达需要解决的两个问题就清楚了,其一,如何把汽油压燃;其二,如何避免压燃产生的振动大、高转速下动力表现差等问题。下面我们来一一解读。

关键点一:均质燃烧

HCCI均质燃烧技术的关键点就在于“均质”,即希望发动机在做功冲程时缸内各处的油气混合物浓度一致。

HCCI有什么好处?

简单来说,就是为了在提高压缩比(保证汽油能被压燃)的同时避免爆震。而之所以会产生爆震,是因为在做工冲程开始后,正常情况下火焰应该从起爆点开始一直向外蔓延,自上而下依次点燃燃料,以达到最高的效率。

但现实往往不尽如人意,缸内某些靠近缸壁或活塞的位置由于混合气浓度过高或压力不均等原因,有可能先自燃了,这可就麻烦了,这些混合气爆炸产生的冲击波就会和按正常顺序燃烧产生的力量较劲(做负功),此时就会产生爆震,导致发动机抖动、动力下降、油耗增加等问题。

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那么了解了爆震,也就很好解释了,即便压燃汽油需要使用更高的压缩比,如果能让缸内各处的混合气浓度一致,也能很大程度上减少异常燃烧,从而避免爆震。

如何实现“均质”?

从已知的信息看,马自达将会在新一代创驰蓝天发动机上采用更高压力的燃油泵和高压喷油嘴。通过更大的压力使汽油雾化更充分,并加速和空气的混合,力求让缸内混合气浓度均匀。原理看似很简单,但想要真正实现,却需要成百上千次反复的实验。

关键点二:更多的空气供给

想要达到稀薄燃烧就需要更多的空气,这些空气从哪来?在新一代的创驰蓝天发动机上,马自达将会使用高速响应的空气供给单元。从图上显示的结构看,发动机端很可能采用了电动增压装置,配合对节气门阻力的优化,以达到充足的进气量以及更好的加速响应。而如果真是如此,严格来说,这已经不是一台自然吸气发动机了。

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官方公布的HCCI发动机模型

关键点三:并不是没有火花塞

前文也说了,压燃虽好,但也有它的弊病,柴油机上振动大、高转速动力表现差的问题如何解决呢?

其实也好办,工况不合适用压燃的时候,我们还换回传统火花塞点燃的方式。这种做法套用了这一代创驰蓝天发动机的做法,在适合阿特金森循环工作的工况下,利用膨胀比大于压缩比,使燃料燃烧更充分,降低油耗。而当我需要更强劲的动力时,还用回奥拓循环,两个循环各司其职,只做自己擅长的事。

而到了新一代创驰蓝天发动机,马自达提出了SPCCI火花控制压燃技术,通过对可变气门正时、喷油系统和点火系统等综合电控策略,实现了火花塞点火与压燃点火之间的无缝切换。可以在部分工况下,采用HCCI均质压燃技术,而在冷启动和高转速等不合适采用压燃的工况下限制压缩比,转而采用传统火花塞点燃的模式。使在发动机能在不同工况下选择最优工作模式,在保证动力的同时,最大程度减少油耗和排放。

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至于振动、噪声大的问题,目前比较好的柴油机早已能够通过结构优化来达到和汽油机相近的噪声/振动水平了,只要舍得成本,解决不是问题。

我从不相信汽车动力的未来只有电动机一条路可走,这个所谓的“夕阳行业”还存在着太多变数。在电动车产业一片阳关大道的景象,引无数英雄争相入局的同时,我想,这世界也需要马自达这种爱走小路的偏执狂。我期待新一代创驰蓝天发动机实装后的表现,这一次,看你能否“改变世界”。

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