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記者丨Adrian
責(zé)編丨聽(tīng)雪吃火鍋
隨著“搭載SKYACTIV-X的馬自達(dá)3 Axela和CX30即將進(jìn)入國(guó)內(nèi)”的消息越炒越熱，HCCI（均質(zhì)壓燃）技術(shù)再一次成為了的熱點(diǎn)。本期就回頭再來(lái)聊聊這項(xiàng)技術(shù)，以及我對(duì)它未來(lái)的展望。
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看到“壓燃”二字，肯定有朋友說(shuō)，這東西我知道，柴油機(jī)不就是這樣么？的確，柴油引擎是壓燃沒(méi)錯(cuò)，但是它和汽油引擎的壓燃有本質(zhì)的區(qū)別，汽油機(jī)的壓燃是一種全新的燃燒模型。別怕，本期內(nèi)容不牽扯任何公式，盡量用最簡(jiǎn)潔的語(yǔ)言說(shuō)明白。首先，簡(jiǎn)單說(shuō)兩句柴油機(jī)的壓燃是怎么回事，所謂的壓燃，其實(shí)并不準(zhǔn)確，柴油引擎在壓縮沖程中僅僅是壓縮空氣，到達(dá)上止點(diǎn)之后才噴油，然后利用高溫空氣將柴油引燃。如果把整個(gè)燃燒過(guò)程切開(kāi)來(lái)看，高壓噴射的柴油在剛剛噴油的時(shí)候并沒(méi)被點(diǎn)燃（滯燃期），因?yàn)槿加椭車鷽](méi)有足夠的氧氣。之后，油滴逐漸擴(kuò)散開(kāi)來(lái)，獲得了足夠的氧氣開(kāi)始燃燒（急燃期）。隨著燃燒的進(jìn)行，火焰逐漸散開(kāi)，燃燒室的內(nèi)溫度達(dá)到峰值（后燃期）。
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這張圖能更直觀的看到柴油燃燒的過(guò)程
總之，柴油引擎的燃燒方式是擴(kuò)撒燃燒，從開(kāi)始燃燒到完全釋放完能量需要一個(gè)過(guò)程。正是由于這樣的特性，所以柴油引擎可以很低轉(zhuǎn)速運(yùn)行，比如船舶上那些每分鐘只有幾十、一百來(lái)轉(zhuǎn)的低速柴油機(jī)。那么汽油引擎的均質(zhì)壓燃又是怎么一回事呢？其實(shí)它和普通的汽油引擎是一樣的，在吸氣沖程內(nèi)將混合氣體注入氣缸，在壓縮的上止點(diǎn)時(shí)，缸內(nèi)溫度達(dá)到混合氣體的閃點(diǎn)，從而引燃混合氣。
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接下來(lái)的問(wèn)題是，汽油引擎為什么要做均質(zhì)壓燃，有什么好處么？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)均質(zhì)壓燃是為了提升熱效率，讓燃料更快的燃燒、釋放能量，從而接近理想的奧拓循環(huán)。為了更清楚的理解，先要倒回去說(shuō)說(shuō)傳統(tǒng)汽油引擎的工作方式。類比于之前的柴油引擎，雖然汽油引擎燃燒速度快，但同樣會(huì)有一個(gè)過(guò)程，最開(kāi)始的火焰是火花塞引起的，而后火焰會(huì)以火花塞為中心逐漸擴(kuò)散開(kāi)來(lái)。既然是一個(gè)過(guò)程，那么在活塞位于上止點(diǎn)時(shí)點(diǎn)火顯然就晚了，因?yàn)楫?dāng)混合氣完全燃燒、釋放能量時(shí)，活塞已經(jīng)處于下行狀態(tài)了，燃料中的化學(xué)能并沒(méi)有被充分利用。為了提升效率，引擎設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)有點(diǎn)火提前角的概念，也就是在活塞上行處于上止點(diǎn)之前，火花塞就點(diǎn)火，當(dāng)活塞處于上止點(diǎn)之時(shí)，混合氣體正好全部燃燒。但是即便是點(diǎn)火角提前了，燃燒依舊不夠完美，因?yàn)樽羁拷鸹ㄈ遣糠只旌蠚獗稽c(diǎn)燃時(shí)，活塞還在上行，所以這部分能量被浪費(fèi)了。而在均質(zhì)壓燃汽油引擎中，燃料和空氣完全是預(yù)先混合的，并且是稀薄混合氣（空氣多燃料少），供油方式一般為歧管噴射。混合氣體達(dá)到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)，會(huì)自發(fā)點(diǎn)火。由于缸內(nèi)混合氣是均勻的，溫度也幾乎一樣，所以自發(fā)點(diǎn)火會(huì)迅速在缸內(nèi)各處發(fā)生，快速完成燃燒，所以汽油壓燃是將燃燒過(guò)程盡可能的壓縮成一個(gè)時(shí)刻，這就更加接近完美的燃燒模型。
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除了燃燒快之外，均質(zhì)壓燃汽油引擎缸內(nèi)溫度會(huì)更低。我們知道內(nèi)燃機(jī)是將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能，然后再把熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，所謂“熱效率”就是熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的效率。低溫燃燒損失的熱量就會(huì)更少，另外散熱系統(tǒng)能耗也會(huì)更低，從而提升整體的熱效率。前兩天看到一篇論文，是東京工業(yè)大學(xué)發(fā)的，他們?cè)谙”∪紵幕A(chǔ)上加入了水噴射系統(tǒng)，目的還是進(jìn)一步降低氣缸內(nèi)溫度，實(shí)現(xiàn)更低溫度條件下的燃燒，最終指示熱效率提高到了52%。均質(zhì)壓燃并不完美 混合動(dòng)力也許是最終出路既然對(duì)提高效率有這么大的幫助，為什么只有馬自達(dá)在搞均質(zhì)壓燃，其他廠商卻無(wú)動(dòng)于衷。背后的最重要的原因是，均質(zhì)壓燃并不完美。最讓工程師們頭疼的是，如何控制點(diǎn)火時(shí)刻。柴油引擎是簡(jiǎn)單的，它壓縮的是空氣，所以噴油就做功，不噴油就不做功。但汽油壓燃引擎不行，它壓縮的是混合氣體，而混合氣對(duì)于溫度是極其敏感的，溫度低了壓不著，溫度高了會(huì)早燃爆震。
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舉個(gè)例子，比如冬天冷啟動(dòng)的情況，空氣溫度很低，引擎也是涼的，此時(shí)混合氣體一定是無(wú)法壓燃的。相反，在高負(fù)荷的工況下，缸內(nèi)溫度提升，爆震、早燃的風(fēng)險(xiǎn)自然會(huì)大幅的飆升。點(diǎn)火難以控制衍生出另一個(gè)問(wèn)題，汽油壓燃引擎的工作區(qū)間很窄，只能在特定的工況、轉(zhuǎn)速下工作。那么其余的工況怎么辦？當(dāng)然是像傳統(tǒng)引擎一樣用火花塞點(diǎn)火了，馬自達(dá)就是這樣做的，壓燃只存在于某些特定的工況，更多的情況下依然是款傳統(tǒng)引擎。另外要說(shuō)一點(diǎn)的是，汽油壓燃引擎的動(dòng)力爆發(fā)是弱項(xiàng)，大家不要看馬自達(dá)引擎輸出功率高就認(rèn)為是壓燃的功勞。之前也提到了，稀薄燃燒是汽油壓燃引擎必要條件，而稀薄混合氣的能量低，導(dǎo)致同等排量下其升功率只有普通引擎的一半。至于馬自達(dá)SKYACTIV-X引擎的高功率，那是其他技術(shù)賦予的，能確定在最大功率點(diǎn)一定不是采用壓燃的點(diǎn)火模式。
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雖然汽油壓燃技術(shù)本身有很大的局限性，但也有很多手段可以優(yōu)化。比如以前提到的水噴射技術(shù)，它可以拓寬汽油壓燃引擎的工作區(qū)間，在高負(fù)荷狀況下，用水的潛熱效應(yīng)為氣缸降溫，保證在壓燃前不會(huì)產(chǎn)生爆震。水噴射這項(xiàng)技術(shù)在很多高性能跑車上都有應(yīng)用，比如寶馬M4GTS、保時(shí)捷911GT2，目的就是在高負(fù)荷時(shí)減少爆震，從而進(jìn)一步壓榨發(fā)動(dòng)機(jī)的潛力。所以水噴射和汽油壓燃結(jié)合是可以進(jìn)一步提升熱效率，同時(shí)還能拓展汽油壓燃引擎的工作范圍，一舉兩得，另外一個(gè)更加務(wù)實(shí)，更加簡(jiǎn)潔的方式是加速混動(dòng)系統(tǒng)，讓電動(dòng)機(jī)來(lái)調(diào)節(jié)引擎的運(yùn)行工況。就像本田的iMMD技術(shù)，引擎更像是一個(gè)發(fā)電機(jī)，他在絕大數(shù)情況下都運(yùn)行在最高熱效率區(qū)間。同樣的道理，雖然汽油壓燃引擎的工作區(qū)間很窄，但是有電動(dòng)機(jī)，可以讓他盡可能的在壓燃區(qū)運(yùn)行。除此之外還有一些細(xì)節(jié)可以優(yōu)化，比如火花塞。即便加入了水噴射，加入了混動(dòng)，但也不可能達(dá)到100%壓燃，在部分狀況下還是需要點(diǎn)燃的。現(xiàn)在有一項(xiàng)技術(shù)是將火花塞做成一個(gè)預(yù)燃室，油氣混合物會(huì)在預(yù)燃室中點(diǎn)燃，然后用這股火焰來(lái)點(diǎn)燃?xì)飧變?nèi)的混合氣。這項(xiàng)技術(shù)的目的還是加速燃燒，最早好像是F1雷諾車隊(duì)搞出來(lái)的，現(xiàn)在也要逐步下放到民用市場(chǎng)了。
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這樣看下來(lái)馬自達(dá)的SKYACTIV-X引擎只是壓燃技術(shù)的初步嘗試，它并沒(méi)有發(fā)揮出汽油壓燃引擎的全部實(shí)力。當(dāng)然我也期待未來(lái)加入了很多輔助技術(shù)后的壓燃技術(shù)，想想超過(guò)50%熱效率的引擎還真令人期待呢。
