爆發(fā)吧壓縮比！自然吸氣的涅槃重生

隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)苛，為了避免交出巨額罰款，汽車制造商們都在爭先恐后地推出混合動力車、電動車，而對于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車來說，也越來越傾向于小排量、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)動機(jī)的身影已經(jīng)越來越少。如果說有誰還是自然吸氣的忠實(shí)擁躉的話，那么以轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)起家的馬自達(dá)絕對算得上一個(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)動機(jī)為主體，主攻方向?yàn)樘岣呷加托?，輔以對變速箱、底盤和車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，降低傳動過程中的能量損耗。

一個(gè)中心：自然吸氣

對于自然吸氣發(fā)動機(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，比如對傳動系統(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)動機(jī)上提高燃燒效率，再在發(fā)動機(jī)——變速箱——底盤這個(gè)傳動系上降低能量在傳遞過程中的消耗，其他的還有諸如車身的輕量化設(shè)計(jì)等。最終的結(jié)果也是相當(dāng)驚人，比如去年國產(chǎn)化的CX-5兩驅(qū)版本和國內(nèi)第一款使用創(chuàng)馳藍(lán)天技術(shù)的2.0升自動擋ATENZA，都達(dá)到了百公里綜合油耗6.6升，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了同級別的車。

一代創(chuàng)馳藍(lán)天技術(shù)

在《“動力新王牌”系列之七：馬自達(dá)創(chuàng)馳藍(lán)天技術(shù)》一文中，車云菌詳細(xì)介紹了創(chuàng)馳藍(lán)天發(fā)動機(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年開年不久，馬自達(dá)的動力開發(fā)總監(jiān)人見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)動機(jī)預(yù)計(jì)在2020年問世，與第一代相比，第二代發(fā)動機(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娜加推焚|(zhì)問題，國產(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，在一般的轎車發(fā)動機(jī)上，根據(jù)排量大小，壓縮比也僅為8-10。

顯然，工程師們對于這一數(shù)據(jù)并不滿足。人見光夫表示，在第二代創(chuàng)馳藍(lán)天的發(fā)動機(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)換過程中的轉(zhuǎn)換比率不變，發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的動力也會增多。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)動機(jī)輸出的動力，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限增長。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，那么還不如選一臺小排量的渦輪增壓發(fā)動機(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。人見光夫在談到提高燃油經(jīng)濟(jì)性時(shí)說到：“如果我們想要大幅提升燃油效率，唯一途徑就是稀薄燃燒。”所謂稀薄燃燒，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，都離不開高的壓縮比。

只有氣缸內(nèi)的壓力足夠高，才能讓混合氣再噴入之后壓縮行程結(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HCCI技術(shù)進(jìn)行過研究。奔馳也在2007年推出過一款名叫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?！っ住１咎锖同F(xiàn)代，以及零部件供應(yīng)商博世都傳出過研究HCCI的消息，但是這項(xiàng)技術(shù)卻一直未被量產(chǎn)應(yīng)用過。

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要通過提高氣缸的壓力和溫度使混合氣自燃，那么對混合氣的噴射過程、氣缸內(nèi)的溫度和壓力都要進(jìn)行精確的檢測和控制，以保證在壓縮行程結(jié)束時(shí)才開始燃燒，提前則造成能量的浪費(fèi)，延遲則會造成動力的滯后，影響輸出平穩(wěn)性。因此，發(fā)動機(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)動機(jī)，排氣的溫度會相對較低，發(fā)動機(jī)的最大負(fù)荷會受到限制。當(dāng)發(fā)動機(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)動機(jī)的壓縮比就不能過高避免出現(xiàn)爆震，這就要求發(fā)動機(jī)的壓縮比可變。要在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)壓縮比可變，發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)會更加復(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，低排氣溫度對催化轉(zhuǎn)化器來說也是一個(gè)問題，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，氣缸和活塞會受到強(qiáng)大的瞬間壓力，這就對于發(fā)動機(jī)的強(qiáng)度和重量有了更高的要求。如果發(fā)動機(jī)的重量增加過多，也會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)。

小結(jié)：

看來，擺在馬自達(dá)工程師們面前的難題還不少。在2020年之前，工程師們需要做的不僅是解決這些難題，還要用較低成本的方法去解決。這樣，才有實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的可能。

在二代創(chuàng)馳藍(lán)天之后，馬自達(dá)的計(jì)劃是在2025年推出第三代創(chuàng)馳藍(lán)天發(fā)動機(jī)，三代技術(shù)將會把重點(diǎn)放在限制燃燒室因排氣和冷卻系統(tǒng)所導(dǎo)致的熱能變化與流失，最終的目標(biāo)是達(dá)到與混合動力車相仿的二氧化碳排放量。

一代創(chuàng)馳藍(lán)天發(fā)動機(jī)在引入國內(nèi)之后，就因?yàn)橛推返膯栴}打了個(gè)折扣?；蛟S對于渴望見到二代的國產(chǎn)產(chǎn)品的人們而言，工程師們能夠在六年內(nèi)找到一個(gè)物美價(jià)廉的技術(shù)手段，但是國內(nèi)的油品卻很難在六年內(nèi)得到質(zhì)的提升。