太平洋汽车网|竟然比F1赛车的压缩比还高 马自达这款压燃发动机有什么亮点
【太平洋汽车网 技术频道】马自达对内燃机有一份特殊的执着 ， 在各路厂商都主打涡轮增压发动机的大环境下 ， 马自达还是坚持沿用自然吸气发动机；其它车企在新能源市场开始发力 ， 马自达还是将主要的精力投放在内燃机的研发上 。这次马自达在内燃机技术有进一步的突破 ， 全新研发的e-SKYACTIV X创驰蓝天汽油压燃发动机拥有比F1赛车更高的15：1的超高压缩比、首创SPCCI燃烧技术和24V轻度混合技术 ， 并且将会搭载在马自达3 昂克赛拉（询底价|查参配）和马自达CX-30身上 。
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要点速读
1
压燃发动机能实现稀薄燃烧 ， 使得发动机工作效率更高 。
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HCCI（均质燃烧）能在汽油机上实现稀薄燃烧 ， 但很难控制点火模式 。
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马自达独创SPCCI火花塞辅助控制压燃技术 ， 能提高HCCI的提火能力 。
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马自达首次搭载24V轻混系统 。
什么是压燃发动机
压燃技术相信读过汽车工程学的朋友都知道 ， 燃油混合气的燃烧不需要靠火花塞来点火 ， 而是靠气缸活塞运动将其压缩至燃烧 ， 而以前压燃技术主要出现在柴油发动机上 ， 直到马自达将这项技术搬到燃油发动机上 。
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不过好好一个汽油发动机 ， 为什么要加入柴油机的技术？因为压燃能实现较高的压缩比和比热比 ， 还能完全快速地燃烧稀薄混合气 ， 实现多点大面积同时压缩着火 ， 由于没有传统火花塞点燃的火焰传播过程 ， 所以压缩点火可以在极短的时间内完成燃烧放热 ， 以此提高发动机效率 。
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（汽油机点燃方式）
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（柴油机点燃方式）
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上面那段话提到了一个名词叫稀薄燃烧 ， 那为什么要稀薄燃烧呢？少量燃料的混合气体燃烧的目的是为了省油并改善尾气排放 。所谓稀薄燃烧 ， 就是在更少燃料状态下实现相同扭力输出的更省油的燃烧方法 。
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稀薄燃烧的空燃比要比理论空燃比14.7：1要大很多 ， 也就是说混合气中含有的空气量更多 ， 这可以让发动机的燃烧温度降低 ， 有效减少氮氧化合物的生成 。同时采用稀薄燃烧还可以减少冷却损失和泵气损失 ， 提高燃烧效率 。
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HCCI除了能实现较高的压缩比和比热比 ， 还能完全和快速地燃烧稀薄混合气 ， 实现多点大面积同时压缩着火 ， 没有传统火花塞点燃的火焰传播过程 ， 所以压缩点火可以在极短的时间内完成燃烧放热 ， 以提高发动机效率 。而火花塞点火式发动机有火焰传播的明显时间延迟 。
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这么看的话HCCI是一种理想的燃烧模式 ， 但是HCCI（预混合压燃点火：均质压燃）燃烧方式 ， 没有通常的汽油发动机火花塞点火的时间控制因素 ， 所以点火时间难以预测 ， 这是阻止其实用化的最大障碍 。从下图可以看到 ， HCCI燃烧的转速和负载区间较窄 ， 只在中等低转速下HCCI工作效果最佳 。在上图蓝色范围之外 ， 燃烧不稳定且难以控制 。由此我们可以知道：在HCCI可工作范围以外的转速和负荷下需要采用火花塞点火 ， 以保证发动机正常工作 。
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因为传统的火花塞点火和HCCI点火对缸内温度、空燃比、EGR的要求均不一样 ， 需要发动机在不同工况下、来回切换点火模式非常困难 。因此无缝衔接这两种点火方式成为马自达工程师要克服的关键点 。
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马自达独创SPCCI火花塞辅助控制压燃技术
针对传统火花塞点火与HCCI点火之间对温度、空燃比、EGR等的要求互相矛盾所产生的两者之间切换点火的问题 ， 马自达就想到从人为手段去为压燃创造条件 ， 也就是通过火花塞辅助点火来提高气缸内的压力和温度 。实际上为了让火花塞点火和HCCI点火之间能更好地过渡 ， 马自达引入了火花塞辅助点燃的模式 ， 利用火花塞点火辅助可以提高HCCI的点火能力 ， 更好地控制混合气着火时刻 ， 同时也让气缸内着火有很好的稳定性 。这个利用火花塞点火辅助的压燃方式被马自达命名为SPCCI 。通俗点说就是在汽油发动机上使用柴油机才有的“压燃点火”的方式 ， 并且将“稀薄燃烧”的技术带入量产 。
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SPCCI是在控制稀薄燃烧最佳进气量的同时 ， 将气体吸入气缸 ， 以世界最高的700气压的喷射压向被压缩后的高压环境的气缸内进行燃料雾状喷射 ， 然后进一步压缩相较于现有汽油发动机燃料更加稀薄的混合气体 ， 使用火花塞跳火 ， 形成膨胀火球 。接下来膨胀火球会成为“空气活塞” ， 进一步压缩缸内混合气体 ， 在缸内形成稀薄混合气体的急速“多点型均质燃烧” ， 最后通过压燃点火解决了稀薄燃烧火焰扩散不良的问题 。
（马自达SPCCI火花控制压燃点火技术）
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虽然SPCCI有火花塞参与工作 ， 但是它的作用仅仅作为为压燃创造条件的辅助手段 。SKYACTIV-X发动机最终在SPCCI点火模式下 ， 大部分的混合气还是通过多点大面积点燃 ， 同时还保持了整体放热速率较高的水平 。
马自达通过什么硬件来实现SPCCI
为了实现SPCCI ， 马自达更新了发动机上一些硬件 ， 包括新型活塞头设计和超高压燃油喷射系统 ， 以帮助混合气以及旋涡形状的形成 ， 以及采用了高响应的空气供给装置 ， 可以引入大量空气 ， 同时配合气缸压力传感器等来精确控制发动机 。
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发动机进气系统采用两个通道进气的模式 ， 分别是自然吸气的进气通道和机械增压的进气通道 。其中小型的机械增压器可以施加最大约0.5bar的压力 ， 这个增压器作用并不是为了给发动机增加多少的马力 ， 而是为了提高效率用的 。增压系统为气缸带来更多的空气 ， 即使在较高的发动机转速下也能保持混合气足够稀薄 。这个增压器是离合式的 ， 在较低的发动机转速下可以解耦 ， 避免空燃比变得过于稀薄 。值得一提的是 ， 这款发动机能达到15：1 ， 最高能达到36.8：1 ， 作为世界上拥有最高精尖技术的F1赛车也仅有14:1的压缩比 。
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机械增压器介入前后的空燃比对比
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因为SPCCI需要非常高的压缩比 ， 高压缩比使压缩点火更容易实现 ， 但它也增加了过早压缩点火的可能性 ， 这可能会严重损害发动机 ， 发动机需要在保持高压缩比的同时 ， 防止在燃烧过程中发生压缩着火 ， 所以马自达为Skyactiv-X引入了分段燃油喷射、超高压燃油喷射系统和缸内压力传感器 。
分段燃油喷射：
为了防止在压缩稀薄的油气混合气中出现不正常的燃烧 ， SPCCI采用了分段式燃油喷射系统 ， 其中一小部分燃油在进气过程中喷入 ， 形成低密度稀薄混合气 ， 而更多的另一部分在压缩过程中喷入 。这不仅让SPCCI更好实现点火 ， 还有效控制了混合气的异常燃烧 。
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超高压燃油喷系统：
为了尽可能地缩短压缩冲程的时间以及使压缩点火更加高效 ， 燃料快速的雾化以及油气混合气更快地形成非常重要 。于是马自达最新开发的多点喷射装置 ， 实现了汽油发动机世界最高的喷射压力大到70Mpa ， 传统汽油机燃油压力最高为30Mpa ， 并能在极短时间内反复细微喷射 ， 实现高雾化性、高精度、高响应性 。另外它还拥有10喷口的汽油喷油器 ， 为世界首创 ， 传统喷射角度是左右70度 ， 上下40度 ， 全方位390度 ， 并且使用多次喷射的方式 ， 实现了更微细的喷雾和精确的燃烧控制 。
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采用缸内缸压传感器
【太平洋汽车网|竟然比F1赛车的压缩比还高 马自达这款压燃发动机有什么亮点】由于拥有15：1的超高压缩比 ， 因此e-SKYACTIV X拥有91个传感器和执行器 ， 通过不断观察喷射、点火等数据 ， 发现喷油、点火等是否给预期结果带来了适当的燃烧 ， 并对任何偏差进行实时补偿 ， 确保持续优化燃烧 。
除了有良好的雾化效果 ， 缸内气体流动形式也是决定混合气燃烧速度的要点之一 ， Skyactiv-X采用了新型的活塞头 ， 让气缸内的混合气形成漩涡状 ， 使气体更好地被压缩燃烧 。
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官方宣称新发动机相比SKYACTIV-G发动机在各个运转条件下都实现10%以上的扭矩提升 ， 在NEDC 模式下甚至实现了30%以上的油耗改善 。SKYACTIV-X油耗虽然降低了 ， 但是燃油经济性并不是对动力妥协换取而来的 ， 反而在动力上还有了很大的进步 ， 不管是最大功率还是最大扭矩 ， 都有所上升 。
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不走寻常路 ， 搭载24V轻混系统
为了和2019年4月上海车展上展出的SKYACTIV-X有所区别 ， 等到国内的压燃发动机车型正式上市以后 ， 增加了一个代表“电动化”的“e”前缀 。事实上e-SKYACTIV X是代表了这款发动机搭载了“M-HYBRID”24V轻度混合技术 。另外M-HYBRID是继怠速停止系统i-STOP、减速能量再生系统i- ELOOP之后 ， 作为电动化技术打造的新系统 。
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（M-HYBRID 马自达轻混动力系统的四个装置）
24V轻混系统是采用再生协调制动系统 ， 能将摩擦制动损失的 能量回收再生 ， 回收再生能力更强 。在Mazda3和CX-30级别的车型搭载的24V系统 ， 能将摩擦制动损失能量的近80%回收再生 。而被转化的能量会存储在锂离子电池内 ， 而存储在锂离子电池中的电能会被用于收音机、导航之类的电子用品上 。最终目的是减少使用发动机发电 ， 从而提高燃油经济性 。
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另外和其它搭载轻混系统的车型相同 ， 马自达的ISG电机也能起到行驶助力 ， 减轻发动机负担降低油耗 ， 官方还宣称提升了驾驶质感 ， 具体表现在启停时整车动作安静且迅速 。升档时 ， ISG集成启动电机可以实现不同驾驶场景的平稳换挡 。
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（e-SKYACTIC 创驰蓝天电气化技术）
接下来国内哪些车型见到这款发动机
在2020年的成都车展里的长安马自达的展台上 ， 搭载全新e-SKYACTIV X创驰蓝天汽油压燃发动机+24V轻混系统的马自达CX-30（询底价|查参配）和马自达3 昂克赛拉就已经亮相了 ， 同时预计会在9月份中下旬上市 。
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（压燃版马自达CX-30）
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（压燃版马自达3昂克赛拉）
不过由于e-SKYACTIV X汽油压燃发动机使用了诸多马自达独创性的技术成果：高响应性供气系统、高压燃油喷射系统、4个缸压传感器、全新的散热系统等 ， 诸多全新的零部件需要投入巨资开发 ， 因此新车型会比目前在售车型会稍微贵一点 。参考目前日本市场的新车售价比G系列发动机车型加价70万日币 ， 约合4.5万元人民币 。其实如果技术能带来实际性的燃油经济性的表现和价格不要贵得太离谱的情况下 ， 消费者还是能接受的 。
全文总结：当其他厂家开始在新能源市场专心研发新产品时 ， 马自达在传统内燃机的道路走得越来越深 。在全球排气大减排的大环境下 ， 马自达研发e-SKYACTIV X的目的就是通过压燃实现超稀薄燃烧 ， 用更少的能源 ， 降低尾气的排放 。它以SKYACTIC-G创驰蓝天汽油发动机和SKYACTIV-D创驰蓝天柴油发动机为基础 ， 吸取了二者的技术特点 ， 兼具汽油发动机在高转速下的行驶舒适性、柴油发动机省油、扭矩强劲的优势；而独创的SPCCI点火技术和首次搭载M-HYBRID轻混系统则分别实现在汽油机上实行稀薄燃烧和提升行驶质感 。（图/文/摄：太平洋汽车网 潘洪瀚）
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