馬自達(dá)百年獻(xiàn)禮(六)減排:從氫轉(zhuǎn)子到汽油壓燃
其實氫能車和電動車在十九世紀(jì)就誕生了,并且都比內(nèi)燃機(jī)汽車更早,但十九世紀(jì)人類不論在氫能源還是在電磁學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)實力都非常有限,導(dǎo)致這兩種比汽油更適合用來驅(qū)動車輛的能源技術(shù)一直停滯不前,無法進(jìn)入民用市場。
在新世紀(jì)開始的十年,氫能源應(yīng)用的研究再次掀起熱潮,不過大家失望地發(fā)現(xiàn)它依然不具備推廣的天時地利人和。因此在第二個十年,電驅(qū)動有了空前的發(fā)展,絕大多數(shù)品牌也已經(jīng)走上了電動化道路。
但馬自達(dá)是個偏執(zhí)狂,就喜歡在燃油機(jī)上面鉆牛角尖。為了進(jìn)一步提高發(fā)動機(jī)熱效率,馬自達(dá)想出了把柴油發(fā)動機(jī)上的“壓燃”用到汽油機(jī)上。
那么SPCCI的突破點在哪里?首先我們要先了解一下HCCI均質(zhì)壓燃技術(shù)。
HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition)——均質(zhì)壓燃。為什么燃料可以被“壓”燃,這里就需要復(fù)習(xí)一下中學(xué)物理了。壓縮(外力對其做功)可以使得物體內(nèi)部分子熱運動增強(qiáng),內(nèi)能增加,溫度就會升高。還記得物理老師用一根管子快速壓縮,瞬間把管中的羽毛引燃嗎?壓燃技術(shù)正是運用了這個原理,這也是柴油發(fā)動機(jī)的特性。
HCCI除了能實現(xiàn)很高的壓縮比,還能讓燃料快速且完全地燃燒,多點大面積同時著火實現(xiàn)稀薄燃燒。沒有了傳統(tǒng)火花塞點燃火焰的傳播延遲過程,壓縮點火可以在極短的時間內(nèi)完成燃燒放熱,以提高發(fā)動機(jī)效率。因此,HCCI是一種非常理想的燃燒模式。
難處在哪兒?HCCI在汽油發(fā)動機(jī)上很難實現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài),因為燃燒的氧化反應(yīng)過程復(fù)雜,從氧化反應(yīng)開始,到混合氣引燃期間,會有一段從冷焰到熱焰的著火延遲。這個著火延遲與缸內(nèi)溫度、壓力和燃料濃度都有關(guān)系(不同的駕駛條件下,壓縮沖程中存在溫度和壓力的變化),因此HCCI的著火時刻不易控制。
如圖所示,HCCI只適合于中低轉(zhuǎn)速的工況,那么能否在其他轉(zhuǎn)速期間用火花塞來點火呢?
可以是可以,但前面說了,HCCI的著火時刻如迷一般難以捉摸,使得火花塞點火時機(jī)的把握變得極為困難,因此兩種引燃模式之間的切換,無法做到完美的銜接,這就不利于發(fā)動機(jī)的平穩(wěn)運轉(zhuǎn)和壽命。
為了實現(xiàn)將混合氣先點燃小部分再壓燃大部分,SKYACTIV-X發(fā)動機(jī)采用分段噴油,在進(jìn)氣行程中先噴入少量汽油,點火增壓后,繼續(xù)在壓縮行程中再噴入足量的汽油進(jìn)行壓燃。因此分段噴油是一個關(guān)鍵的小細(xì)節(jié),它能夠降低發(fā)動機(jī)在高壓縮比的設(shè)定下,缸內(nèi)混合氣過早爆燃的可能性,大大優(yōu)化壓燃穩(wěn)定性。
簡而言之,火花塞的存在,不是為了點火,而是一個為壓燃創(chuàng)造條件的輔助手段。
那么加入了壓燃技術(shù)的SKYACTIV-X發(fā)動機(jī)有什么優(yōu)勢?
1、燃油經(jīng)濟(jì)性的顯著改善
在排量為2.0L的發(fā)動機(jī)中,創(chuàng)馳藍(lán)天SKYACTIV-X的燃油經(jīng)濟(jì)性與SKYACTIV-G相比提高了20%。同時,當(dāng)長時間處于低速工況,由于使用超級稀薄燃燒,燃油經(jīng)濟(jì)性可提高30%。得益于超稀薄燃燒,全新一代馬自達(dá)3上搭載的SKYACTIV-X熱效率已經(jīng)達(dá)到了43%,超越了豐田的41%成為目前世界上熱效率最高的汽油發(fā)動機(jī)。
2、 顯著提高輸出性能和響應(yīng)能力
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