50%!马自达造了台全球热效率最高的发动机

BY 奚旺

50%热效率是什么概念?现有发动机的热效率为30%左右,目前全球热效率最高的汽油发动机为丰田开发的2.5升汽油发动机以及混合动力发动机,热效率分别为40%和41%。马自达计划利用SKYACTIV-X(第二代创驰蓝天)技术让发动机热效率在2019年达到50%。

SKYACTIV-X的核心是一个被马自达称为SPCCI的技术。SPCCI的全称是Spark Controlled Compression Ignition,字面翻译过来就是火花塞控制的压燃点火技术。既然都火花塞控制点火了,为什么还要用压燃呢?

事实上,早在十年前就有汽车厂商(通用、奔驰、现代等)开始研究汽油发动机的压燃技术,至于压燃的好处,看看现今的柴油发动机就能明白,不外乎更高的热效率(低速船用柴油发动机能达到50%以上热效率)。此外,较低的氮氧化物及颗粒物的排放、燃烧更稳定也是压燃的优势。

说得这么热闹,为什么十年后的今天依然没有实现压燃汽油发动机的量产?都因为汽油比柴油燃点高,燃烧起来又比柴油更加迅速,这就使得汽油的压燃比柴油更加难以控制。简单来说:缸内温度低了它不着,缸内温度高了又爆震,总之就是不好伺候。

马自达终于找到了解决办法:利用火花塞来控制压燃的时机。在火花塞点火之前,喷油嘴将压力高达300-400bar的汽油喷入气缸(是目前直喷汽油发动机喷油压力的两倍,压力越高,空燃混合效果越好),喷油量比正常情况下要小,空燃比远大于正常情况下缸内空燃比(汽油的理论空燃比为14.7:1,马自达在实验室中能实现36.8:1)。我们知道,空燃比超过一定范围是无法被点燃的,却可以随着压力的升高被压燃,这个压力就来自于火花塞的点火。

当然,对于这个压力的变化目前存在两种说辞,一种是说火花塞让空气发生电离的同时让缸内压力超过零界点,从而触发缸内混合气体的压燃;另一种解释是在火花塞周围存在一部分空燃比较低的混合气体,火花塞引爆了这团混合气体(由于缸内其余部分混合气体空燃比较高,所以无法被直接引燃)使得缸内压力升高从而触发压燃。说实话,小编更倾向于后者。

为了达到压燃的条件,一台机械增压器为发动机提供了更高的进气压力,同时也有助于提高空燃比。当然,也并非所有工况下都能实现压燃,例如在高转速的工况下,发动机依然需要采用传统方式即用火花塞引燃,马自达可以让这台发动机实现压燃和引燃的平稳过渡。

汽油发动机压燃技术的出现如果真的能将热效率提高到50%,那么用排量大小来评判油耗和排放的标准将成为过去,因为在排量相同的情况下,采用压燃技术的发动机需要的汽油更少,排放也更低。此外,从马自达与丰田达成的合作中我们也可以看出,热效率更高的发动机将为未来混合动力车型提供更加富有想象力的发展空间。

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