自然吸气发动机技术全解

车云网 综合报道

  随着排放法规的日益严苛,为了避免交出巨额罚款,汽车制造商们都在争先恐后地推出混合动力车、电动车,而对于传统的内燃机汽车来说,也越来越倾向于小排量、涡轮增压等发展方向了。在这样的大环境下,自然吸气发动机的身影已经越来越少。如果说有谁还是自然吸气的忠实拥趸的话,那么以转子发动机起家的马自达绝对算得上一个。

  2010年,马自达提出了创驰蓝天技术(Skyactiv Technology)。这项技术以自然吸气发动机为主体,主攻方向为提高燃油效率,辅以对变速箱、底盘和车身结构的优化,降低传动过程中的能量损耗。

  一个中心:自然吸气

  对于自然吸气发动机而言,如果想降低碳排放,提高燃油效率,只有两个路子,一是提高发动机本身的燃烧效率,能够在等量的燃油上压榨出更多的动能输出;另外一个就是降低各种不必要的能量消耗,比如对传动系统进行优化,提高实际的能量转换率,或者是车身结构的轻量化等。

  马自达的创驰蓝天技术就是从这两个角度出发,于发动机上提高燃烧效率,再在发动机————变速箱————底盘这个传动系上降低能量在传递过程中的消耗,其他的还有诸如车身的轻量化设计等。最终的结果也是相当惊人,比如去年国产化的CX-5两驱版本和国内第一款使用创驰蓝天技术的2.0升自动挡ATENZA,都达到了百公里综合油耗6.6升,远远超过了同级别的车。

自然吸气发动机技术全解

  一代创驰蓝天技术

  在《”动力新王牌”系列之七:马自达创驰蓝天技术》一文中,车云菌详细介绍了创驰蓝天发动机在不使用涡轮增压的情况下达到如此高效的秘密。高达14的压缩比,不走寻常路的4-2-1的排气系统,虽然在性能上有所牺牲,但是配合着活塞、点火正时以及发动机自身轻量化的设计,在经济性上的提升是相当明显的。

  但是,即便是这样,也难以满足欧盟定下的新车平均碳排放目标————2020年达到95克/公里、2025年达到65克/公里。所以,马自达的工程师们也在酝酿着下几代创驰蓝天技术的发展方向。

  两个基本点:高压缩比

  2014年开年不久,马自达的动力开发总监人见光夫揭露了下一代技术的研发计划:”第二代创驰蓝天发动机预计在2020年问世,与第一代相比,第二代发动机的燃油经济性将至少提升30%。”

  我们都知道,马自达的工程师们让第一代创驰蓝天发动机成为世界上压缩比最高的汽油机————高达14。即便是因为中国的燃油品质问题,国产的ATENZA和CX-5上的压缩比有所降低,仅为13,但是也要比SUV上12左右的压缩比要高了,在一般的轿车发动机上,根据排量大小,压缩比也仅为8-10。

  显然,工程师们对于这一数据并不满足。人见光夫表示,在第二代创驰蓝天的发动机上,压缩比的目标是18。

  提高压缩比,即代表汽油机的压缩进程结束之后,混合气的温度和压力也就更高,在燃烧过程中,能够释放出的热能也就更多,即是在消耗等量燃油的情况下,产生的能量更多。这样,即便从热能到机械能的转换过程中的转换比率不变,发动机产生的动力也会增多。因此,提高压缩比,相当于提高了能量的基数,从根本上增加了发动机输出的动力,也就是提高了燃油的经济性。

  但是我们也知道,汽油的抗压能力是有限的。高标号的汽油抗压能力高,在高温下的燃烧传播速度也较慢,能够承受较高的温度和压力;缸内直喷的加入,让汽油能够混合得更均匀,也降低了爆震发生的可能,但这都不允许压缩比的无限增长。第一代之所以能达到14的压缩比,也是在牺牲了部分性能的前提下实现的。

  而继续将压缩比提高到18,如果继续走牺牲性能的路线的话,也是不现实的。如果大排量,比如2.5升的发动机,除了碳排放再找不到其他特点,还特别肉的话,那么还不如选一台小排量的涡轮增压发动机呢。

  那么,马自达的工程师们要如何实现这个魔法呢?

  两个基本点:HCCI

  答案就是HCCI。人见光夫在谈到提高燃油经济性时说到:”如果我们想要大幅提升燃油效率,唯一途径就是稀薄燃烧。”所谓稀薄燃烧,就是降低汽油与空气的混合气中汽油的组成比例,让单位体积的汽油能够产生更高的能量,提升燃油效率。

  HCCI,Homogeneous chargecompression ignition,即是均质混合气的压燃技术。使用了这项技术之后,汽油机的燃烧方式就变得与柴油机相同————压燃。HCCI技术的核心是均质混合气和压燃,而要想实现均质混合气和压燃,都离不开高的压缩比。

  只有气缸内的压力足够高,才能让混合气再喷入之后压缩行程结束时,有足够的时间形成均匀分布的混合气;当然,也只有缸内的压力和温度足够高的时候,才能在不使用火花塞的情况下达到汽油的燃点,使其燃烧。

  由于缸内的是稀薄混合气,相当于变相地提升了汽油的抗压能力,在高压缩比的情况下也不会产生爆震。因此,HCCI技术与高压缩比可谓是相辅相成。人见光夫也在宣告时表示,二代创驰蓝天的主要技术就是HCCI,高压缩比只不过是HCCI的隐性福利,顺带的。

自然吸气发动机技术全解

  三种不同的燃烧方式

  通用曾在2007年到2009年对HCCI技术进行过研究。奔驰也在2007年推出过一款名叫DiesOtto(柴油机与汽油机创造者名字的组合)的发动机,同样使用了HCCI技术,并配上了涡轮增压系统,1.8升排量下最大输出功率为238马力,最大扭矩可达到400牛·米。本田和现代,以及零部件供应商博世都传出过研究HCCI的消息,但是这项技术却一直未被量产应用过。

  这是因为要实现HCCI,必须解决一些关键技术上的难点:

  一是燃烧时刻的控制。HCCI要通过提高气缸的压力和温度使混合气自燃,那么对混合气的喷射过程、气缸内的温度和压力都要进行精确的检测和控制,以保证在压缩行程结束时才开始燃烧,提前则造成能量的浪费,延迟则会造成动力的滞后,影响输出平稳性。因此,发动机的ECU管理程序要缜密地进行加强。

  二是为了避免爆震,HCCI的混合气都是稀薄混合气,与常规的汽油机相比,采用HCCI技术的发动机,排气的温度会相对较低,发动机的最大负荷会受到限制。当发动机在大负荷高速运转时,就可能还必须依靠火花塞进行点火。而如果用火花塞进行点火,发动机的压缩比就不能过高避免出现爆震,这就要求发动机的压缩比可变。要在技术上实现压缩比可变,发动机的结构会更加复杂,成本也随之增加,而且在目前的技术下,并不能保证稳定性。另外,低排气温度对催化转化器来说也是一个问题,因为需要相当高的温度才能进行氧化/还原反应。

  三是HCCI是同时进行压燃和放热,气缸和活塞会受到强大的瞬间压力,这就对于发动机的强度和重量有了更高的要求。如果发动机的重量增加过多,也会抵消掉一部分好不容易提升了的效率,因此,如何在这两者之间找到一个平衡点,也是一个挑战。

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