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爆發(fā)吧壓縮比!自然吸氣的涅槃重生

作者: 時間:2014-01-22 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

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。

2010年,馬自達(dá)提出了創(chuàng)馳藍(lán)天技術(shù)(Skyactiv Technology)。這項技術(shù)以自然吸氣發(fā)動機(jī)為主體,主攻方向為提高燃油效率,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、點火正時以及發(fā)動機(jī)自身輕量化的設(shè)計,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。

兩個基本點: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)計劃:“第二代創(chuàng)馳藍(lán)天發(fā)動機(jī)預(yù)計在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。即便是因為中國的燃油品質(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,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現(xiàn)這個魔法呢?

兩個基本點:HCCI

答案就是HCCI。人見光夫在談到提高燃油經(jīng)濟(jì)性時說到:“如果我們想要大幅提升燃油效率,唯一途徑就是稀薄燃燒?!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,有足夠的時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候,才能在不使用火花塞的情況下達(dá)到汽油的燃點,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牛·米。本田和現(xiàn)代,以及零部件供應(yīng)商博世都傳出過研究HCCI的消息,但是這項技術(shù)卻一直未被量產(chǎn)應(yīng)用過。

這是因為要實現(xiàn)HCCI,必須解決一些關(guān)鍵技術(shù)上的難點:

一是燃燒時刻的控制。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)束時才開始燃燒,提前則造成能量的浪費,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)荷高速運轉(zhuǎn)時,就可能還必須依靠火花塞進(jìn)行點火。而如果用火花塞進(jìn)行點火,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)化器來說也是一個問題,因為需要相當(dāng)高的溫度才能進(jìn)行氧化/還原反應(yīng)。

三是HCCI是同時進(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平衡點,也是一個挑戰(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,就因為油品的問題打了個折扣?;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)找到一個物美價廉的技術(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。



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