马自达创驰蓝天X发动机SPCCI技术与M-HYBRID轻混动力系统解析(一)

2024年3月22日发(作者：平面的投影)

新车新技术

New Car Tech

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►栏目编辑：刘玺 lx@

高惠民(本刊编委会委员）

曾任江苏省常州外汽丰田汽车销售服务有限公司技术总监，江苏技术师范学

院、常州机电职业技术学院汽车工程运用系专家委员，高级技师。

马自达创驰蓝天

X

发动机

S

PCCI

技术与

M-HYBRID

$圣混动力系统解析(一）

♦文/江苏高惠民

一、

SKYACTIV

-

X

发动机的客户价值

“

ZOOM

-

ZOOM

”原本是儿童模仿发动机轰鸣的声音。而

以电能为例，如果电能来源是火电(燃煤)，那么在整个环节

中，二氧化碳排放总量是否真的比单独内燃机驱动要环保吗？

为此马自达调研结论是：以“从燃料开采到车辆驾驶(

we

丨

l

-

to

-

对于有一个汽车公司来说“

ZO

〇

M

-

ZO

〇

M

”

，

代表了企业的品牌

精髓，它

S

尤是马自达汽车的品牌所在。马自达在

Z

〇〇

M

-

Z

〇

OM

可持续发展宣言2030中，将实现美丽地球、人心丰盈的社会形态

为己任，通过持续汽车产品的本位价值，不断追求能够实现用户身

心愉悦的探索和努力，图1所示为马自达对“人、地球、社会”深刻

理解。

人

wheel

)’’的二氧化碳的环保视角，换算成综合二氧化碳排放量，

电动车是128

g

/100

km

,而搭载创驰蓝天发动机的马自达车是

142

g

/

km

。马自达只需实现10%左右的改善，即可到达与电动车

相媲美的环保标准。于是马自达执着地对内燃机的潜力进行挖

掘，研发出了一款逆天的创驰蓝天

X

发动机(

SKYACTIV

-

X

发动

机)，为全球范围内实现汽油发动机压燃点火的量产应用开创了先

河(现已应用于

MAZDA

CX

-3和

MAZDA

3

CX

昂克赛拉两款车

型中)。如果按照不同的发电方式来换算，电动汽车是通过煤炭或

石油发电来产生电力的话，而搭载马自达

SKYACTIV

-

X

发动机

的环保性能已经超越了电动汽车。

SKYACTIV

-

X

发动机与上一

代

SKYACTIV

发动机以及发电厂的二氧化碳排放量相比如图3所

示。这就更加证实了内燃机专家坚信的“在未来很多年里，内燃

图1马自达“人、地球、社会”意义内涵

式发动机仍将为全球大多数汽车提供动力，并且能够为减少二氧

化碳排放做出最大贡献，未来内燃式发动机占轿车新车销售量的

比例如图4所示。

在电气化进程不断被各个汽车厂商宣扬的今天，马自达不同

于其他汽车企业环境保护思想，即以“从油箱到车辆驾驶丨

tank

-

to

-

wheel

)”的二氧化碳排放评估体系，而是倡导通过“从燃料开

采到车辆驾驶(

well

-

to

-

wheel

)”的二氧化碳排放评估体系，综合

性地削减燃油在开采、提炼、制造运输环节的全过程中产生的二

氧化碳总量。图2所示为车辆的两种二氧化碳评估方法示意图。

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〇

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油箱，Tank 车|£/Wheel

油箱

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••/Wheel

图2二氧化碳排放评估方法示意圄

58

图3

SKYACTIV

-

X

发动机二氧化碳排放量比较图

Mmrm-CHiNA ■

May

栏目编辑：刘蜜lx@礓

图4未来内燃式发动机占轿车新车销售量的比例图

SKYACTIV

-

X

发动机是马自达提出创驰蓝天技的

第二代高热效率汽油发动机（第一代是

SKYACT

丨

V-G

汽油发动机和

SKYACTIV

-

D

柴油发动机），核心技术是

汽油发动机实现火花塞点火控制压燃点火技术

（Spark

ControlledCompressionlgnition

,

SPCCI

),有效地结合柴油发

动机与汽油发动机的特点(图5),可使汽油燃烧更加充分、热效率

更高、动力性能更加强。

优点 汽油发动机 （理想的发动机） 柴油发动机

i

l

图5火花塞点火控制压燃点火技术(

SPCCI

)特点

1.输出性能得到了显著提升

出色的初始响应能力(高扭矩)以及高转速下的延展性(出色的

加速性能)。很多车辆尤其是小排量涡轮增压发动机，油门-速度

往往有时滞，油门踩下去要停顿个0.5~1

s

车才有加速度，这个就

是涡轮迟滞效应。

SKYACTIV

-

X

发动机有先天优势，其动力调节

和柴油机类似,节气门保持全开状态，空气吸入没有阻力，动力大

小由燃油喷射量决定，油门踏板深踩后，燃油喷射量即可瞬间增

加，就可以极大提高加速响应性(图6：)。

图6

SKYACTIV

-

X

发动机加速响应性示意图

New Car Tech

新车新技术

2.燃油经济性得到了显著提升

由于提高了热效率(15:1几何压缩比，36:1的超稀薄空燃

比，压燃点火，：)，在所有路况下驾驶(从城市道路到高速公路)，都

可以保持良好的燃油经济性。发动机实际工况是很复杂的，不能

只看某一点的极限热效率，更要关注低油耗区域的范围大小，目

前市面上的发动机应对排放和油耗的对策为减小发动机排量+涡

轮，以提高在

NEDC

工况下的燃油经济性，由于此对策的油耗最

佳区域较为狭窄，在该区域之外燃油经济性迅速下降，尤其在实

际行驶工况或者最新的

WLTP

工况下油耗表现一般。

广域的燃油经济性区域意味着变速器匹配时不再局限于升挡

降低发动机转速来保证高效的燃油经济性。如图7所示，正常发动

机巡航在

A

点2 200「/

min

,变速器在最高挡位，对于

SKYACTIV-X

发动机来说，可以把巡航工况设计到

B

点3 000「/

min

,变速器不

在最高挡位，在油门急加速时，

SKYACTIV

-

X

发动机不需要降

挡直接提高扭矩，从而获得更快速更直接的响应，极大的提高

了驾驶性。体现了车辆出色的速度动力性、燃油经济性和排放

环保性。如图8所示，马自达

SKYACTIV

-

G

和

SKYACTIV-D

与

SKYACTIV

-

X

在扭矩、功率和油耗对比。以2.0

L

排量为例，

“

SKYACTIV

-

X

”发动机与“

SKYACTIV

-

G

”发动机相比，

燃油经济性实现20%-30%的明显提升，与2008年非搭载

SKYACTIV

技术的

MZR

发动机相比，燃油消耗率改善幅度达

35%~45%,

SKYACTIV

-

X

发动机达到与 “

SKYACTIV

-

D

"柴

油发动机同等或以上的燃油经济性。

当前G燃油经济性

SKY-X

燃油经济性

E

.

N

2

S

0

> M»0 4000 SO00

r/min

r/min

图7

SKYACTIV

-

X

发动机更大的燃油效率范围图

燃'臟济性得到了

a

著提升

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机連度

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友动机负霣

(BMEP)

丨

kPal

图8

SKYACTIV-X

发动机在扭矩、功率和油耗对比图

3.实现了车内的静谧性

SPCCI

火花塞点火控制压燃点火技术燃烧功率大，振动大，

发动机噪声大，带来驾驶座舱噪声大。为了减少这些噪声，采用

2021/05

• 59

New

Car

Tech

OOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOCOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOdOOOOOOOOOOOOeOOOOOOOCOOOOOOOOOOOO&OOOOOOOOOOOOOOOOOOOWSOOXXJOOOOOOSOOOOOOOOOOOOOOOOOOSOOOOOOSOOOOC"

新车新技术

M

-

HYBRID

(轻混合动力系统)的

ISG

(集成启动/发电一体机)安静

的发动机启停(

IR

)操作以及胶囊型结构的发动机舱

NVH

设计(双

层发动机仓盖)，可以吸收压燃发动机的噪音和振动，如图9所示。

图9

SKYACTIV

-

X

发动机舱降低

NVH

的设计

二、

HCCI

汽油机燃烧的基本理论

一百多年以来，点燃式丨

si

)汽油机经历了从化油器到缸内直

喷和分层燃烧不断地改进，最好软喷射型分层燃烧缸内直喷点

燃式汽油机在部分负荷工况的有效热效率已可达到同排量柴油

的机的水平，但其指示热效率仍低于柴油机。汽油机指示热效率

低于柴油机是由于它的燃烧方式所造成的。为了使混合汽能够

被点燃，火焰能够传播，混合汽的空燃比必须限制在一定范围；

同时，为了避免火焰前锋面前面的未燃混合汽突然发生大范围自

燃，产生爆燃，汽油机的压缩比受到限制。这两个限制都影响了汽

油机的热效率。从21世纪开始，一种全新的燃烧方式，均质压燃

(

HCCI

，

Homogene

，

ous

-

Cha「ge

Compression

-

Ignition

)被提

出，并受到世界上几乎所有主要汽车公司和发动机研究机构的注

意，并先后开始进行研发。从表面上看，

HCCI

发动机是

SI

汽油机

和

CI

柴油机的结合，它像汽油机一样采用预混合的均匀混合汽，

又像柴油机一样利用压缩过程产生的热使混合汽自燃，不需要使

用火花塞来点燃。而实际上

HCCI

的燃烧过程与点燃式汽油机以

及柴油机的燃烧过程都不同。汽油机和柴油机的燃烧都是扩散燃

烧过程。如图10所示，汽油机主要依靠热扩散来实现火焰传播，

柴油机的主燃烧过程是依靠燃油蒸气和氧气的扩散现象使油气

相遇产生化学反应。

在上述的这两种燃烧过程中，燃烧室内工质物理量在空间

的分布是不均匀的，因而发生热扩散或物质扩散现象。而理想的

HCCI

是在整个燃烧室内同时发生的燃烧过程，在燃烧过程中工

质物理量在空间的分布是均匀的，仅随时间变化。因此，

HCCI

在

60 irnTTOR-CHiNA

• May

f 目编辑：刘蜜 lx@

理论上不存在扩散现象，是属于非扩散的燃烧过程。图11生动描

绘了

HCCI

燃烧过程和

SI

燃烧过程的大致特点。

图11

HCCI

燃烧过程和

SI

燃烧过程特点的比喻示意圄

如果将燃烧放热过程比喻成收获的场景，那么在火花点火燃

烧模式下，火焰传播过程就像人们协调有序地排成一行进行收割，

将田地划分为已收割(已燃丨区域和未收割(未燃)区域。与之不同，

HCCI

的放热就好比人们散布于整片田地而不是排成一行,这样庄

稼(能量)收割更迅速。因此

，

HCCI

燃烧的放热过程大大快于传统

SI

燃烧。这种放热更接近等容放热过程，如图12所示均质压燃汽

油机与传统汽油机的缸内压力变化曲线比较。

50

-

40

-

30

-

20

-

10

-

压

力

/bar

0

0 ICO 200 300 400 500

体积

/cm3

图12均质压燃汽油机与传统汽油机的缸内压力变化曲线比较

HCCI

燃烧放热特性与

SI

燃烧放热特性对比如图13所示

(1

ba

「=100

kPa

)。在

SI

燃烧模式下，有一条狭窄的反应区域，或者

称为火焰前锋面，将缸内工质分为已燃和未燃两个区域，放热仅

在这个狭窄的反应区内进行。因此，

SI

燃烧的累枳放热量就是反

应区域内一定质量工质

dmi

的放热总和。

理想

HCCI

燃烧过程中，燃烧在整个汽缸内同时发生,在燃烧

进行的某一瞬时缸内所有混合汽体都将参与放热。因此

，

HCCI

燃烧的累积放热量则应该是混合汽总量

m

在各个燃烧反应

dqi

中

所释放热量的累加。但是，由于实际发动机中混合汽成分分布和

温度分布达不到绝对的均匀，放热也不能在整个混合汽中均匀进

栏目编辑：刘蛮

lx@motorch

n

;， «

未燃

1

I

燃油

圓

.燃油

(a) SI (b)HCCI

图13

HCCI

燃烧放热特性与

SI

燃烧放热特性对图

行。缺乏稀释和/或温度较高的区域放热较快，导致放热不均匀.其

放热曲线如图中虚线所示。

HCCI

过程和汽油机的爆燃过程有很多相似之处。也可以说,

HCCI

就是一种爆燃。但是，由于单位质量未燃混合汽所含化学能

的数量不同，这两种燃烧对发动机的影响不同。点燃式汽油机的

混合汽接近当量空燃比，其过量空气系数受到火焰传播的限制，

一般不能大于15。在爆燃时由于单位质量混合汽释放出大量的热

能会造成高温燃气强烈的压力波动，除了产生噪声和振动外还会

使缸壁间的传热增加，使汽油机过热，造成拉缸等损害。而

HCCI

汽油机的混合汽需要用过量空气或大量的残余废气进行稀释。如

果残余废气系数不显著增加，

HHCI

混合汽的过量空气系数必须

大于2才能控制氮氧化物的生成及燃烧的粗暴性。因此在

HCCI

燃

烧过程中单位质量混合汽所具有的化学能较少，并不一定造成缸

内燃气的压力高频波动。由于燃气温度较低，也不至造成汽油机

的过热和拉缸等损害。因此，

HCCI

汽油机不再受到爆燃的限制，

可以提高压缩比，混合汽的空燃比不再受到混合汽点燃和火焰传

播要求的限制。可以采用比

SI

燃烧稀薄得多的混合汽，混合汽浓

度与发动机着火如图14所示。

因为釆用超稀薄混合汽或更充分的废气稀释，降低了燃烧温

度，提高了工质的比热比，混合汽浓度对比热比的影响如图15所

示，使汽油机的热效率和燃油经济性得到极大的提高。氮氧化物

(

NOx

)的生成受到抑制，减轻了排气后处理的困难。另外

，HCCI

燃烧可以在取消节气门的情况下实现部分负荷运转，消除了传统

SI

燃烧中节气门部分开启造成节流的泵气损失。综上所述

，HCCI

燃烧能有效改善汽油机热效率低的问题，即压缩比低、比热比低、

泵气损失大、燃烧等容度低以及循环波动率高。但是，相比于

SI

汽

油机，

HCCI

汽油机燃烧也存在两大限制区域如图16所示。

高负荷下受爆震或剧烈燃烧现象限制，而低负荷下则受不完

全燃烧或失火的限制。比如在低转速、低负荷下，汽缸内温度不

够导致未能压燃；在低负荷高转速下由于燃料太少，发生压燃反

应的时间不够而失火；在高转速高负荷下又难以稳定的燃烧，容

易爆震。外界环境温度从-35

T

：到90

T

：的变化，大气压从海平面

100

kPa

到海拔5 000

m

的0.6

kPa

的变化，都会让

HCCI

的工作

范围缩小。为了应对时时刻刻的环境变化，控制汽油

HCCI

着火和

New Car Tech

新车新技术

压燃式点火的优势

火花塞点火

空气/燃料混合物=14.7

750r/min A/F=14.7

火花塞点火

空气乃然料混合物=29.4

750r/mln A/F=29.4

点火

空气料混合物=36.8

高温局压

750r/mln A/F=29.4

图14混合汽浓度与发动机着火示意图

1.40

1.35

1.30

1.25

1.20

600

77K

图15混合汽浓度对比热比的影响

K

-

切换

♦ .HCC丨压缩着火•翟因反应时间不够而失火

发动机转速r/min

图16

HCC

丨汽油机燃烧存在两大限制区域示意图

燃烧的原则是混合汽温度、浓度和组分协同控制。于是，马自达另

辟途径，独自研发了具有专利技术的

SPCCI

(

Spa「k

Controlled

Compression

Ignition

:火花控制压缩点火)燃烧的

SKYACTIV-X

型发动机。并投入量产与商品化。

(未完待续）

E

2021/05

•族组润病

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