当执着的疯子盯上了HCCI 马自达Skyactiv-X解析

【太平洋汽车网 技术频道】在大家都上涡轮增压的时候,马自达一直坚持着自然吸气;在大家都在发展新能源车的时代,又是马自达显得略不合群,还在坚持继续将大部分精力放在了研发内燃机技术。这个“不合群”的品牌有着执着的坚持和信仰,而历史总在告诉我们,坚持着信念的人总会获得令人骄傲的成功,而这部分人也往往会被人称作“疯子”。

创驰蓝天第二代发动机Skyactiv-X引入了HCCI,这也是世界上第一款搭载了HCCI点火的量产发动机,马自达决定在2019年正式量产Skyactiv-X。

HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition)的全称翻译过来是“均质充量压燃”。

马自达为什么在这个时候选择了HCCI

无论出于一个企业的社会责任心还是政策原因,这个问题都成了每个汽车企业都需要急需考虑的。所以有的企业选择了油电混合驱动、有的企业选择了纯电驱动、有的企业采用了新的燃料作为汽油柴油的替代燃料等等,而马自达选择的HCCI(均质充量压燃)也是其中一种节能减排的解决方案。

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。

可以说,HCCI是一种非常理想燃烧模式。

HCCI的量产难点:

要知道HCCI在汽油发动机上很难实现稳定燃烧。因为燃烧的氧化反应过程比较复杂,从氧化反应开始到点燃混合气会有一段从冷焰到热焰的着火延迟,这个着火延时取决于温度、压力和浓度,因为不同的驾驶条件下,压缩冲程中存在的温度和压力的变化,所以HCCI的着火时刻不易控制。

从图片上可以看到,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。在在上图蓝色范围之外,燃烧不稳定且难以控制。所以由此我们可以知道: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。于是问题来了:如何无缝衔接这两种点火方式?

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。

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2马自达是如何实现汽油均质压燃的?回顶部

马自达是如何解决的?

是的我们上面提到,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,这两者切换之间所处的状态难以实现任何一种点火,于是马自达便想到了应用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。

马自达的思路:

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。

SPCCI工作原理:

SPCCI是通过在压缩行程的过程中,先使用火花点燃一小部分混合气,这部分混合气爆炸并膨胀,为缸内创造接下来压缩自燃所需的压力和温度(但在活塞未到达上止点时混合气仍保持在自燃程度以下,如何控制这一举动下文我们会解释),当活塞继续向上运行,直到到上止点时,缸内其余的混合气通过压缩同时被点燃。

所以本质上SPCCI虽然有火花塞的介入,但是火花塞点火仅仅作为为压燃创造条件的辅助手段,而且我觉得不需要纠结这是不是存在了火焰传播,你需要知道的是,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。而Skyactiv-X则可以在大部分时候使用到的是SPCCI点燃,小部分区域可以实现HCCI。所以我们可以认为,马自达确实不仅将HCCI点火这个技术实现了量产,还将压燃的范围扩大至了更大的区域。

马自达具体措施

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,值得一提的是Skyactiv-X还搭载了轻度混合动力系统,或许是用于发动机启停作用的。Skyactiv-X控制逻辑看起来相当复杂,但与以前实现HCCI的那些概念来说,复杂性降低了很多。下面我就具体介绍一下Skyactiv-X发动机的部分重要细节。

·控制空气燃料混合物以防止异常燃烧

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。

1.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。

2.超高压燃油喷射系统

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。于是马自达采用了超高压的喷油系统,喷油油压达到1000bar,这能够使得汽油瞬间雾化,同时产生强大的湍流,大大提升点火稳定性和燃烧速度。

3.采用缸内压力传感器除了采用上文所说的防止不正常燃烧的技术外,Skyactiv-X还采用了缸内传感器作为监测控制,将其与目标配置文件进行比较,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。

·新型活塞头:

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。

·机械增压器:

这个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。

Skyactiv-X真的降低油耗了吗?

在马自达官稿中表示: 压缩点火使得超级稀薄燃烧成为可能,与现款创驰蓝天汽油发动机“SKYACTIV-G”相比,“SKYACTIV-X”最大可缩减20%~30%的油耗。 SKYACTIV-X的燃油效率甚至等于或超过最新的SKYACTIV-D柴油发动机。

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。

总结:

马自达的追求是“造世界上最好的内燃机”,但在这个新能源车早已被视为“未来”的时代,这样的追求是否会被认为是在为内燃机做最后挣扎呢?并不,HCCI的或许可以说是内燃机的救命稻草。同时,马自达的布局并不是我们想象中的这么简单,可能在与丰田的合作中,我们会看到SKYACTIV-X更加高光的时刻,拭目以待吧~(图/文:太平洋汽车网 迟东宁)

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