F1賽車引擎是最強?壓縮比卻不如馬自達壓燃引擎

2020-09-14 18:24:21 作者:潘洪瀚

  【太平洋汽車網 技術頻道】馬自達對內燃機有一份特殊的執著,在各路廠商都主打渦輪增壓發動機的大環境下,馬自達還是堅持沿用自然吸氣發動機;其它車企在新能源市場開始發力,馬自達還是將主要的精力投放在內燃機的研發上。這次馬自達在內燃機技術有進一步的突破,全新研發的e-SKYACTIV X創馳藍天汽油壓燃發動機擁有比F1賽車更高的15:1的超高壓縮比、首創SPCCI燃燒技術和24V輕度混合技術,并且將會搭載在馬自達3 昂克賽拉詢底價|查參配)和馬自達CX-30身上。

壓燃技術用在汽油機上? 解讀馬自達e-SKYACTIV X

 
 
要點速讀
1
壓燃發動機能實現稀薄燃燒,使得發動機工作效率更高。
2
HCCI(均質燃燒)能在汽油機上實現稀薄燃燒,但很難控制點火模式。
3
馬自達獨創SPCCI火花塞輔助控制壓燃技術,能提高HCCI的提火能力。
4
馬自達首次搭載24V輕混系統。
 
什么是壓燃發動機

  壓燃技術相信讀過汽車工程學的朋友都知道,燃油混合氣的燃燒不需要靠火花塞來點火,而是靠氣缸活塞運動將其壓縮至燃燒,而以前壓燃技術主要出現在柴油發動機上,直到馬自達將這項技術搬到燃油發動機上。

壓燃技術用在汽油機上? 解讀馬自達e-SKYACTIV X

  不過好好一個汽油發動機,為什么要加入柴油機的技術?因為壓燃能實現較高的壓縮比和比熱比,還能完全快速地燃燒稀薄混合氣,實現多點大面積同時壓縮著火,由于沒有傳統火花塞點燃的火焰傳播過程,所以壓縮點火可以在極短的時間內完成燃燒放熱,以此提高發動機效率。

擁有15:1超高壓縮比 解讀馬自達e-SKYACTIV X

(汽油機點燃方式)

擁有15:1超高壓縮比 解讀馬自達e-SKYACTIV X

(柴油機點燃方式)

擁有15:1超高壓縮比 解讀馬自達e-SKYACTIV X  

  上面那段話提到了一個名詞叫稀薄燃燒,那為什么要稀薄燃燒呢?少量燃料的混合氣體燃燒的目的是為了省油并改善尾氣排放。 所謂稀薄燃燒,就是在更少燃料狀態下實現相同扭力輸出的更省油的燃燒方法。

擁有15:1超高壓縮比 解讀馬自達e-SKYACTIV X

  稀薄燃燒的空燃比要比理論空燃比14.7:1要大很多,也就是說混合氣中含有的空氣量更多,這可以讓發動機的燃燒溫度降低,有效減少氮氧化合物的生成。同時采用稀薄燃燒還可以減少冷卻損失和泵氣損失,提高燃燒效率。

擁有15:1超高壓縮比 解讀馬自達e-SKYACTIV X

擁有15:1超高壓縮比 解讀馬自達e-SKYACTIV X

擁有15:1超高壓縮比 解讀馬自達e-SKYACTIV X

  HCCI除了能實現較高的壓縮比和比熱比,還能完全和快速地燃燒稀薄混合氣,實現多點大面積同時壓縮著火,沒有傳統火花塞點燃的火焰傳播過程,所以壓縮點火可以在極短的時間內完成燃燒放熱,以提高發動機效率。而火花塞點火式發動機有火焰傳播的明顯時間延遲。

擁有15:1超高壓縮比 解讀馬自達e-SKYACTIV X

  這么看的話HCCI是一種理想的燃燒模式,但是HCCI(預混合壓燃點火:均質壓燃)燃燒方式,沒有通常的汽油發動機火花塞點火的時間控制因素,所以點火時間難以預測,這是阻止其實用化的最大障礙。從下圖可以看到,HCCI燃燒的轉速和負載區間較窄,只在中等低轉速下HCCI工作效果最佳。在上圖藍色范圍之外,燃燒不穩定且難以控制。由此我們可以知道:在HCCI可工作范圍以外的轉速和負荷下需要采用火花塞點火,以保證發動機正常工作。

擁有15:1超高壓縮比 解讀馬自達e-SKYACTIV X

  因為傳統的火花塞點火和HCCI點火對缸內溫度、空燃比、EGR的要求均不一樣,需要發動機在不同工況下、來回切換點火模式非常困難。因此無縫銜接這兩種點火方式成為馬自達工程師要克服的關鍵點。

擁有15:1超高壓縮比 解讀馬自達e-SKYACTIV X

擁有15:1超高壓縮比 解讀馬自達e-SKYACTIV X

 
馬自達獨創SPCCI火花塞輔助控制壓燃技術

  針對傳統火花塞點火與HCCI點火之間對溫度、空燃比、EGR等的要求互相矛盾所產生的兩者之間切換點火的問題,馬自達就想到從人為手段去為壓燃創造條件,也就是通過火花塞輔助點火來提高氣缸內的壓力和溫度。實際上為了讓火花塞點火和HCCI點火之間能更好地過渡,馬自達引入了火花塞輔助點燃的模式,利用火花塞點火輔助可以提高HCCI的點火能力,更好地控制混合氣著火時刻,同時也讓氣缸內著火有很好的穩定性。這個利用火花塞點火輔助的壓燃方式被馬自達命名為SPCCI。通俗點說就是在汽油發動機上使用柴油機才有的“壓燃點火”的方式,并且將“稀薄燃燒”的技術帶入量產。

擁有15:1超高壓縮比 解讀馬自達e-SKYACTIV X

  SPCCI是在控制稀薄燃燒最佳進氣量的同時,將氣體吸入氣缸,以世界最高的700氣壓的噴射壓向被壓縮后的高壓環境的氣缸內進行燃料霧狀噴射,然后進一步壓縮相較于現有汽油發動機燃料更加稀薄的混合氣體,使用火花塞跳火,形成膨脹火球。接下來膨脹火球會成為“空氣活塞”,進一步壓縮缸內混合氣體,在缸內形成稀薄混合氣體的急速“多點型均質燃燒”,最后通過壓燃點火解決了稀薄燃燒火焰擴散不良的問題。

(馬自達SPCCI火花控制壓燃點火技術)

擁有15:1超高壓縮比 解讀馬自達e-SKYACTIV X

擁有15:1超高壓縮比 解讀馬自達e-SKYACTIV X

  雖然SPCCI有火花塞參與工作,但是它的作用僅僅作為為壓燃創造條件的輔助手段。SKYACTIV-X發動機最終在SPCCI點火模式下,大部分的混合氣還是通過多點大面積點燃,同時還保持了整體放熱速率較高的水平。

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