熱效率50%,偏執狂馬自達真有這麼厲害?

Andrew S. Grove先生著作《Only the Paranoid Survive》,中文名為《只有偏執狂才能生存》,很喜歡這個書名。在汽車行業,就一直存在著各種各樣的偏執狂。有偏執的認為後驅才是王道的奔馳,也有偏執的認為自吸才是良藥的寶馬,當然還有很多很多。但是,發展至今,當寶馬奔馳都不再那麼偏執了,卻還有一位在偏執的道路上越走越歡,那就是馬自達。

熱效率50%,偏執狂馬自達真有這麼厲害?

馬自達是一個在發動機技術領域具有創新精神的車企,不輕易跟隨流行趨勢,始終堅持自己的主見。馬自達曾經在量產車上採用轉子發動機,這個即使到現在都被廣大車迷津津樂道;也曾在全球都進入“增壓發動機時代”的時候,仍然堅持不斷改進自然吸氣發動機。

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2016年初,“創馳藍天之父”人見光夫先生曾用長達幾十頁的PPT演講來“吊打”時下汽車圈流行的“小排量增壓”和“純電動”等所謂環保概念,先不論對錯,乾貨滿滿的演講確實值得稱讚。

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創馳藍天(SKYACTIV)是馬自達於2010年10月提出的全新技術理念,並於2011年6月得到了量產。創馳藍天發動機確實稱得上當時最優秀的自然吸氣汽油發動機之一,在大多數汽油發動機的壓縮比還只有10:1的時候,就首次將量產汽油發動機的壓縮比提高到了14:1。高壓縮燃燒大幅提升了發動機的工作效率,節油性與動力性能提升了15%以上,在汽車業界名噪一時。

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在2015年年中的時候,馬自達對外公佈將開發第二代創馳藍天技術。馬自達設想在第一代創馳藍天技術的基礎上,進一步改善發動機燃燒效率,並將融合頂級燃燒技術和電動化技術,將汽油發動機的壓縮比提高到18:1,熱效率也將達到50%的目標。按照馬自達的規劃,第二代創馳藍天技術將在2016至2018年度投入使用,2019年全面普及,2020年實現熱效率達到50%。現在已經進入2017年了,而第二代創馳藍天技術也慢慢浮出了水面。然而,對於2020年熱效率能夠提高到50%,暫且持保留意見。

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目前,最高熱效率發動機為豐田在2016年底發佈的全新2.5L直列四缸發動機,熱效率為41%,已經很逆天,馬自達這次提出衝擊50%,表示已驚呆。說起50%這個數字,我想起了豐田發動機先行設計部部長友田晃利早在2015年就向公眾發表了自己對未來發動機的想法:“稀薄燃燒、可變壓縮比、燃料改質,這三項技術將對今後汽油機的發展至關重要。如果解決了現有發動機所存在的冷卻及爆震問題,豐田可憑藉這些技術的進步,使量產機型的最高熱效率快速達到50%。”

50%這個數字恰好是上面馬自達第二代創馳藍天所號稱能夠達到的目標,更巧的是第二代創馳藍天發動機正是集這三項技術於一身,難道馬自達完全克服了冷卻及爆震難題嗎?馬自達又是如何玩轉這三項技術的呢?我們一起往下面看。

均質稀薄壓燃技術(HCCI)

HCCI的全稱為Homogeneous Charge Compression Ignition,翻譯過來大致意思是:均質稀薄壓燃,說簡單點就是稀薄燃燒技術。

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HCCI原理類似於柴油發動機的點火方式:壓燃(不需要火花塞點火),也就是說HCCI是一種通過壓燃點火的汽油發動機技術,有以下幾點主要優點:

① 相比於傳統汽柴油發動機,HCCI發動機中的燃火點遍佈整個氣缸,這意味著氣缸內所有燃料能夠在同一時間被壓燃,這樣就消除了火焰擴散中的能量損失,提升了燃燒效率;

② 因採用壓縮點燃,可以採用相當稀薄的混合氣,因此可以按照變質調節的方式,直接通過調節噴油量來調節扭矩,不需要節氣門,這樣就使得發動機的泵氣損失大幅度降低;

③ HCCI發動機的燃燒溫度低,對燃燒室壁的傳熱很低,能夠減少輻射熱的傳遞,還能大幅降低氮氧化合物的形成。

但是問題來了,既然HCCI技術這麼好,為什麼一直得不到應用甚至普及呢?因為HCCI技術主要面臨以下幾點困難:

① 容易產生爆震(高壓縮比發動機最普遍也是最難克服的難題)。由於採用壓燃方式,氣缸和活塞會收到瞬時強大的壓力,很容易產生爆震;

② 轉速區間狹窄。也是因為壓燃方式,類似於柴油車,HCCI發動機也面臨著轉速拉不高,功率較小等問題;

③ 電氣化配合要求很高。在燃燒時刻的控制上,HCCI發動機靠汽缸的壓力和溫度自燃,油氣混合氣的密度、氣缸的溫度和壓力等都需要進行精確的檢測和控制,所以發動機的ECU管理程序和其它電子控制技術也要進行相應的加強。

可變壓縮比

飛靈君曾寫過一篇文章《可變壓縮比技術,內燃機的續命丸?》,這篇文章主要講解了英菲尼迪在量產車型上搭載了真正意義的可變壓縮比發動機,使用了一套複雜的曲柄連桿機構來完成壓縮比的可變控制,原理完全有別於豐田等使用的雙循環(奧拓循環+阿特金森循環)來實現壓縮比可變,最高壓縮比可達到14:1。而為了解決上述HCCI發動機轉速區間狹窄的問題,馬自達的解決方案是採用雙循環,再加上HCCI技術加特,第二代創馳藍天汽油發動機的最高壓縮比可以達到18:1。

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事實上,第一代創馳藍天汽油發動機已經使用了雙循環技術。但是在第一代,馬自達通過對進排氣門開閉時間的控制,在奧托和米勒(阿特金森)兩種循環間切換。在高負載工況下(如爬坡、加速超車等)採用壓縮比為13(國內因燃油品質問題,壓縮比由14降到了13)的奧托循環;而在其餘工況下則採用壓縮比小於13的米勒循環。所以說13:1高壓縮比只在極少數情況下才會被用到。不過這種情況在第二代將會有所改善。

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第二代在採用HCCI技術後,發動機燃燒效率得到了顯著提升,尤其是在中低轉速區間內,應對車輛怠速以及擁堵路況中蠕行階段。此外,基於HCCI壓燃的特性,在低扭時也能爆發出強大扭矩,相信在起步階段會有質的飛越。這樣的設定顯然要比第一代僅在高負載工況下使用高壓縮比要實用的多。但是你一定會問:在高轉速下,發動機能持續使用18:1壓縮比嗎?對於第二代來說,答案是否定的。因為在長時間高轉速工況下,HCCI氣缸溫度會高居不下,更容易產生爆震,馬自達目前並未克服這個問題。因此,第二代發動機中HCCI技術並未實現全工況,只是在部分工況下才會被激活使用,而常規點火(火花塞點火)方式還是會保留。

燃料改質

說到燃料改質,其實就是用除了汽柴油以外的其他燃料驅動汽車。目前來講包括鹽水驅動、空氣驅動(氮氣)、氫氣驅動以及太陽能驅動等。

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工程師此前曾提出過多種方案,但近段時間更受關注的一種方案(也是豐田最先實現的方案)是將燃料變成氫並與尾氣再循環(EGR)組合的方法。具體而言是使汽油燃料和尾氣通過催化劑變成氫,與吸入空氣混合燃燒;氫的燃燒速度極快,可加快發動機缸內的燃燒,而大量尾氣再循環降低了缸內氣體的溫度,同時抑制爆震,以此大幅提高汽油發動機的熱效率。

而對於馬自達,其燃料改質又是什麼呢?就是氫氣,其原因主要有以下二點:

1) 因為HCCI技術。HCCI採用壓燃的方式工作,這勢必會使發動機氣缸處在高溫高壓的環境下,爆震幾率大大增加。而氫氣的燃點低、可燃性高,可大大降低氣缸內壓燃時的溫度,降低爆震發生幾率,從而拓寬了HCCI技術所適用的轉速範圍,實現雙贏;

2) 因為與豐田合作。馬自達與豐田合作或將降低採購DENSO電裝產品成本,而另一大合作目的在於,馬自達垂涎豐田FCV氫燃料電池很久了。

飛靈總結:

馬自達近些年在自然吸氣發動機領域做出的努力以及對汽車行業做出的貢獻有目共睹,旗下現款車型所搭載的第一代創馳藍天技術發動機的實力確實不容小覷。但是,馬自達所聲稱的第二代同時搭載稀薄燃燒、可變壓縮比、燃料改質這三項技術,尤其是稀薄燃燒和燃料改質技術,筆者表示步子是不是邁得過大了。按照馬自達的規劃,第二代創馳藍天技術將在2016至2018年度投入使用,2019年全面普及,2020年實現熱效率達到50%。馬自達是否真的能夠克服以上所述的那些難題,實現量產車型的熱效率逐步達到50%,我們一起見證吧,希望不要扯著蛋,被其他看熱鬧不嫌事大的車企笑話。


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