F1賽車引擎是最強？壓縮比卻不如馬自達壓燃引擎

　　【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。

　　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。

（汽油機點燃方式）

（柴油機點燃方式）

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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）

　　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。

　　為了實現SPCCI，馬自達更新了發動機上一些硬件，包括新型活塞頭設計和超高壓燃油噴射系統，以幫助混合氣以及旋渦形狀的形成，以及采用了高響應的空氣供給裝置，可以引入大量空氣，同時配合氣缸壓力傳感器等來精確控制發動機。

　　發動機進氣系統采用兩個通道進氣的模式，分別是自然吸氣的進氣通道和機械增壓的進氣通道。其中小型的機械增壓器可以施加最大約0.5bar的壓力，這個增壓器作用并不是為了給發動機增加多少的馬力，而是為了提高效率用的。增壓系統為氣缸帶來更多的空氣，即使在較高的發動機轉速下也能保持混合氣足夠稀薄。這個增壓器是離合式的，在較低的發動機轉速下可以解耦，避免空燃比變得過于稀薄。值得一提的是，這款發動機能達到15：1，最高能達到36.8：1，作為世界上擁有最高精尖技術的F1賽車也僅有14:1的壓縮比。

機械增壓器介入前后的空燃比對比

　　因為SPCCI需要非常高的壓縮比，高壓縮比使壓縮點火更容易實現，但它也增加了過早壓縮點火的可能性，這可能會嚴重損害發動機，發動機需要在保持高壓縮比的同時，防止在燃燒過程中發生壓縮著火，所以馬自達為Skyactiv-X引入了分段燃油噴射、超高壓燃油噴射系統和缸內壓力傳感器。

分段燃油噴射：

　　為了防止在壓縮稀薄的油氣混合氣中出現不正常的燃燒，SPCCI采用了分段式燃油噴射系統，其中一小部分燃油在進氣過程中噴入，形成低密度稀薄混合氣，而更多的另一部分在壓縮過程中噴入。這不僅讓SPCCI更好實現點火，還有效控制了混合氣的異常燃燒。

超高壓燃油噴系統：

　　為了盡可能地縮短壓縮沖程的時間以及使壓縮點火更加高效，燃料快速的霧化以及油氣混合氣更快地形成非常重要。于是馬自達最新開發的多點噴射裝置，實現了汽油發動機世界最高的噴射壓力大到70Mpa，傳統汽油機燃油壓力最高為30Mpa，并能在極短時間內反復細微噴射，實現高霧化性、高精度、高響應性。另外它還擁有10噴口的汽油噴油器，為世界首創，傳統噴射角度是左右70度，上下40度，全方位390度，并且使用多次噴射的方式，實現了更微細的噴霧和精確的燃燒控制。

采用缸內缸壓傳感器

　　由于擁有15：1的超高壓縮比，因此e-SKYACTIV X擁有91個傳感器和執行器，通過不斷觀察噴射、點火等數據，發現噴油、點火等是否給預期結果帶來了適當的燃燒，并對任何偏差進行實時補償，確保持續優化燃燒。

　　除了有良好的霧化效果，缸內氣體流動形式也是決定混合氣燃燒速度的要點之一，Skyactiv-X采用了新型的活塞頭，讓氣缸內的混合氣形成漩渦狀，使氣體更好地被壓縮燃燒。

　　官方宣稱新發動機相比SKYACTIV-G發動機在各個運轉條件下都實現10%以上的扭矩提升，在NEDC 模式下甚至實現了30%以上的油耗改善。 SKYACTIV-X油耗雖然降低了，但是燃油經濟性并不是對動力妥協換取而來的，反而在動力上還有了很大的進步，不管是最大功率還是最大扭矩，都有所上升。

　　為了和2019年4月上海車展上展出的SKYACTIV-X有所區別，等到國內的壓燃發動機車型正式上市以后，增加了一個代表“電動化”的“e”前綴。事實上e-SKYACTIV X是代表了這款發動機搭載了“M-HYBRID”24V輕度混合技術。另外M-HYBRID是繼怠速停止系統i-STOP、減速能量再生系統i- ELOOP之后，作為電動化技術打造的新系統。

（M-HYBRID 馬自達輕混動力系統的四個裝置）

　　24V輕混系統是采用再生協調制動系統，能將摩擦制動損失的 能量回收再生，回收再生能力更強。在Mazda3和CX-30級別的車型搭載的24V系統，能將摩擦制動損失能量的近80%回收再生。而被轉化的能量會存儲在鋰離子電池內，而存儲在鋰離子電池中的電能會被用于收音機、導航之類的電子用品上。最終目的是減少使用發動機發電，從而提高燃油經濟性。

　　另外和其它搭載輕混系統的車型相同，馬自達的ISG電機也能起到行駛助力，減輕發動機負擔降低油耗，官方還宣稱提升了駕駛質感，具體表現在啟停時整車動作安靜且迅速。升檔時，ISG集成啟動電機可以實現不同駕駛場景的平穩換擋。

（e-SKYACTIC 創馳藍天電氣化技術）

　　在2020年的成都車展里的長安馬自達的展臺上，搭載全新e-SKYACTIV X創馳藍天汽油壓燃發動機+24V輕混系統的馬自達CX-30（詢底價|查參配）和馬自達3 昂克賽拉就已經亮相了，同時預計會在9月份中下旬上市。

（壓燃版馬自達CX-30）

（壓燃版馬自達3 昂克賽拉）

　　不過由于e-SKYACTIV X汽油壓燃發動機使用了諸多馬自達獨創性的技術成果：高響應性供氣系統、高壓燃油噴射系統、4個缸壓傳感器、全新的散熱系統等，諸多全新的零部件需要投入巨資開發，因此新車型會比目前在售車型會稍微貴一點。參考目前日本市場的新車售價比G系列發動機車型加價70萬日幣，約合4.5萬元人民幣。其實如果技術能帶來實際性的燃油經濟性的表現和價格不要貴得太離譜的情況下，消費者還是能接受的。

　　全文總結：當其他廠家開始在新能源市場專心研發新產品時，馬自達在傳統內燃機的道路走得越來越深。在全球排氣大減排的大環境下，馬自達研發e-SKYACTIV X的目的就是通過壓燃實現超稀薄燃燒，用更少的能源，降低尾氣的排放。它以SKYACTIC-G創馳藍天汽油發動機和SKYACTIV-D創馳藍天柴油發動機為基礎，吸取了二者的技術特點，兼具汽油發動機在高轉速下的行駛舒適性、柴油發動機省油、扭矩強勁的優勢；而獨創的SPCCI點火技術和首次搭載M-HYBRID輕混系統則分別實現在汽油機上實行稀薄燃燒和提升行駛質感。（圖/文/攝：太平洋汽車網 潘洪瀚）