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►栏目编辑：刘玺 lx@motorchina
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
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
图1马自达“人、地球、社会”意义内涵
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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图2二氧化碳排放评估方法示意圄
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- 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128g/100km，而搭载创驰蓝天发动机的马自达车是 142g/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MAZDA3 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 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。
图3 S K Y A C T IV-X发动机二氧化碳排放量比较图丰田老花冠
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May
N e w Car Tech 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。
mg多少钱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「/m in ，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2.0L 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
S K Y -X 燃油经济性
栏目编辑：刘蜜lx @motorchina .c o m 礓
图4未来内燃式发动机占轿车新车销售量的比例图
S K Y A C T I V -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S K Y A C T 丨V -G 汽油发动机和S K Y A C T I V -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（S p a r k
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。
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
出的初始响应能力(高扭矩)以及高转速下的延展性(出的 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0.5~1s 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 S K Y A C T IV -X 发动机加速响应性示意图
优点
汽油发动机
（理想的发动机）
柴油发动机汽车报废
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图7 SKYACTIV -X 发动机更大的燃油效率范围图
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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
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新车新技术
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200
300
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体积
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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
(1ba 「=100kPa )。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
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。
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s i )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
M -HYBRID (轻混合动力系统)的ISG (集成启动/发电一体机)安静
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 绘了 HCCI 燃烧过程和SI 燃烧过程的大致特点。
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。
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mu-x牧游侠.HCC 丨压缩着火•翟因反应时间不够而失火
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
郑州泡水车都去哪了火花塞点火
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
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
I
未燃
1
圓
燃油
.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-35T ：到90T ：的变化，大气压从海平面 100kPa 到海拔5 000m 的0.6kPa 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
2021/05 •族组润病
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