马自达“SKYACTIV-X”发动机的技术分析

徐凯 高惠东 吕金贺 褚亚旭

（北华大学，吉林 132013）

主题词：发动机 SKYACTIV-X SPCCI 燃油经济性 技术分析

前言

“SKYACTIV-X”发动机是日本马自达公司提出马自达“SKYACTIV”技术的组成部分之一[1]，核心技术是发动机实现火花塞点火控制压燃点火技术（Spark Controlled Compression Ignition，SPCCI），有效地结合柴油发动机与汽油发动机的特点，可使汽油燃烧更加充分，动力性能更加强[2-3]，是马自达独立研发的全新内燃机，存在多项技术特点及优势。

1 “SKYACTIV-X”发动机的技术特点

1.1 超高压缩比

“SKYACTIV-X”发动机采用超高压缩比对低负载域实现稀薄混合气的燃烧起重要作用。增大燃烧室内压力，从而提高燃烧温度，由此可增大混合气的热能，在不易点燃的低负载域使汽油燃料更易被压燃。提高压缩比的另一重要作用是可提高理论循环热效率值。由于“SKYACTIV-X”发动机可在火花塞点火（Spark Ignition，SI）和压燃点火（Compression Ignition，CI）间无缝切换，理论上点燃式发动机近似为等容加热循环，发动机循环热效率和压缩比之间的关系如式（1）所示：

式中，ηt为发动机循环热效率；εc为发动机压缩比；k为等熵指数。

压燃式发动机近似为混合加热循环，其燃烧过程视为等容、等压加热的组合，发动机热效率和压缩比之间的关系如式（2）所示：

式中，ηt为发动机循环热效率；εc为发动机压缩比；λp为初始膨胀比；ρ0为压力升高比；k为等熵指数。

从式（1）和式（2）中可看出成正相关关系，即随发动机压缩比增大，发动机循环热效率也相应升高，进气条件相同时，相同燃料燃烧所产生的热量可更多转化为机械能，提升发动机动力性[4]。普通汽油发动机的压缩比通常为10:1左右，理论上如果将汽油发动机压缩比从10:1增加到15:1，热效率可提升约9%[5]。

马自达现款的“SKYACTIV-G”汽油发动机是量产的实现14:1的世界最高压缩比汽油发动机。而新一代“SKYACTIV-X”发动机则达到18:1，其与柴油发动机基本相同。

1.2 稀薄燃烧

在早期超稀薄混合气研究中，火花塞向混合气发射火花基本不会被点燃。原因是空燃比过高导致火花塞点燃混合气后的燃烧效率不足，甚至火花塞无法点燃混合气。标准条件下完全燃烧1 L汽油需要14.7 L空气，目前大部分发动机的空燃比在不断接近14.7:1，以达到理论混合比的燃烧。而稀薄燃烧一般指空燃比在25:1以上，这种燃烧方式的燃烧效率更高，同时更经济环保。

SKYACTIV-X发动机采用压燃点火技术，通过膨胀火焰球，再配合活塞上行压缩混合气，可稳定产生自燃状态。来弥补火花塞在稀薄燃烧中的不足，其发动机的空燃比达到36.8:1发动机部分负荷条件下，稀薄燃烧同废气再循环(Exhaust Gas Recirculation，EGR)协同工作，发动机有效燃油消耗率从353 g/kW∙h减少到320 g/kW∙h，提升效果约8%以上。

1.3 SPCCI技术

马自达利用SPCCI控制火花塞辅助点火的时机在喷射燃料后、活塞到达上止点之前。首先，机械活塞将缸内混合气进行压缩，其次火花塞点火生成一个微小膨胀火球，对混合气进行追加压缩直至被压燃。以空气活塞的形式实现缸内可变压缩比的功能，对缸内温度和压力进行精准控制，促进混合气进行急速的即时多点型均质燃烧。在高转速域增加火花塞的点火次数，让压燃状态尽快出现。通过采用压燃点火方式，实现更为理想的高效燃烧，实现环保性和动力性的高度融合。

火花塞点火辅助还能促进低温燃烧的出现，有利于在低负载的高转速区域尽早出现自燃状态。即发射火花让混合气提高温度，使汽油燃料分子快速扩散，出现低温氧化反应和随后出现的低温蓝火焰反应。气缸内温度被快速提高，便可快速出现自点火的火焰反应。

“SKYACTIV-X”发动机同时保留SI和CI两种点火方式，将压燃点火的区域扩展到全开区域，从而实现SPCCI和SI两种点火方式间无缝隙切换，使压燃技术完全可控。

1.3.1 分流喷射

SPCCI技术在进气冲程和压缩冲程期间，采用分流喷射的方式，防止高浓度混合气长时间压缩而发生异常燃烧。首先，制造低浓度的混合气，在进气冲程中喷射进行稀薄燃烧。同时压缩冲程中，在火花塞周围进行喷射，制造出用于点燃的混合气。对燃油混合气进行不均匀分配，使SPCCI正常工作，同时将混合气被压燃所需的时间控制到最少，有效抑制异常燃烧。

1.3.2 搭载可控机械增压器

理论空燃比SPCCI技术大量使用EGR技术，以减少实际燃烧时燃料和氧气的用量。具体是按照负载调整EGR的流量，负载越少，EGR流量越大，从理论空燃比SPCCI切换到增加空气量的稀薄燃烧SPCCI时需要高响应空气供给的吸气元件，即可控机械增压器。当大负荷工况，需要增加进气量时，机械增压器接入工作以辅助发动机获取更多的空气。当部分负荷工况，进气量足够时，机械增压器不接入工作，此时发动机为自然吸气形式。

可控机械增压器可针对不同工况选择接入状态，其万有特性曲线的经济油耗区域更靠下、更宽泛，大负荷工况下扭矩也相应提高，故可更好满足部分负荷经济性和大负荷动力性。

1.3.3 ERG冷却器

在高压缩比的基础上，通过内部EGR的负气门重叠角（Negative Valve Overlap，NVO）即存在进气门和排气门同时关闭的状态，来实现低负载、低转速域的压燃点火。具体为排气行程活塞到达上止点之前提前关闭排气门，保留部分残余废气；当活塞向下运动，压力开始下降时，进气门开启。NVO致使高温气体封闭在气缸内，可提高气缸内温度。此时向气缸内喷射燃料，混合气的高温可使燃料自燃。

NVO是均质充量压燃（Homogeneous Charge Compression Ignition，HCCI）[6]中的常见方法。HCCI能够更好的提升压缩比和比热比，使动力更强，热效率更高。使用可变气门机构调整NVO出现的时刻，把HCCI扩展到高负载领域主要在于外部冷却EGR环节。在冷却EGR环节将燃烧后冷却过的废气导入气缸，可以抑制过于激烈的自燃，失活的残余废气对抑制压燃过程中的噪音效果明显[7-11]，如图1所示。

1.4 改善燃烧

通过缩短燃烧时间，未燃混合气处在高温状态的时间也会缩短，可在发生爆震前完成正常燃烧，达到避免爆震的效果[12]。

图1 汽油机EGR冷却系统原理图[7]

采用超高压燃油喷射系统，喷油油压达到1 000 bar，瞬间对燃油进行汽化、雾化处理，同时产生强烈的湍流，大幅提升点火稳定性和燃烧速度。采用6孔缸内直喷技术，如图2所示，加强空气流动、配合高的喷射压力，改善喷油雾化特性，从而生成均质、流动强的混合气。采用凹孔活塞，即活塞中心凹陷呈圆台状，上开口半径近活塞顶部半径的四分之一，如图3所示。增加燃烧室的容积和混合气量，在压缩过程中形成环流[6]，避免在燃料初期火焰接触活塞头，使燃烧更加均匀。

图2 六孔缸内直喷[13]

图3 凹孔活塞[6]

1.5 降低机械阻力及发动机轻量化

针对内燃机内部有关转动结构如活塞、连杆、曲轴等进行内部结构轻量化，减轻摩擦，降低机械阻力，可有效优化内燃机响应速度及运行效率[13]。“SKYACTIV-X”发动机针对气门传动机构做相应改进，采用滚动从动件使节气门摩擦力减少50%以上，适当降低活塞环张力使得摩擦力减少38%，使内燃机总的机械阻力减少29%。而对活塞、连杆曲轴等运动部件进行轻量化，如图4所示，以降低其在发动机工作时产生的运动惯量，其中活塞与活塞销轻量化减重20%，连杆轻量化减重15%，连杆曲轴主轴颈小型化直径减少6%，宽度减少8%，最终发动机减重10%[13]。

图4 SKYACTIVE-X发动机轻量化的运动件[15]

2 “SKYACTIV-X”发动机的优势

“SKYACTIV-X”发动机兼具汽油发动机和柴油发动机的优势特征，其对比如表1所示。

表1 “SKYACTIV-X”发动机对比常规汽油发动机及柴油发动机

2.1 输出性能大幅提升

以2.0 L排量为准，“SKYACTIV-X”发动机与“SKYACTIV-G”发动机相比，在全转速区域实现最低10%、最高达30%以上的扭矩提升（2017年8月开发过程中的数据）[13]，最大扭矩由202 N∙m/4000r/min提升至242.4 N∙m/4000r/min，最大功率由116 kW/6400r/min提升至140 kW/6400r/min。

为满足发动机高转速低泵气损失和低机械阻力，升级进排气机构，更好地保证中、低转速区域的发动机输出扭矩，并达到稳定加速至最高转速，如图5所示。

2.2 出色的加速响应

通过减小系统零部件的运动惯量，以达到优秀的加速响应性。通过采用全新设计的整体飞轮，经过重新评价整套动力系统的振动衰减设计。飞轮转动惯量减小18%，质量减少10%，发动机怠速时转速上升率增加150 r/s，从开始加速至产生0.1 g（重力加速度）的时间减少10 ms，如图6所示，从而使发动机的加速响应性更加轻快灵敏[14-15]。

图5 节气门全开（WOT）时的性能曲线[15]

图6 响应性改善[15]

“SKYACTIV-X”发动机起步时几乎无延迟,得益于其极速燃烧，确保车辆快速响应，加速时又能发挥汽油发动机在高转速下的提速性能。同时，由于节气门打开的区域宽广，可发挥出达到无节气门的柴油发动机所具备的初始响应灵敏的加速性能。

2.3 燃油经济性大幅提高

以2.0 L排量为准，“SKYACTIV-X”发动机与“SKYACTIV-G”发动机相比，通过超高压缩比实现高效燃烧，燃油经济性实现20%～30%的明显提升，综合工况油耗由6.40 L/100km降至4.58 L/100km，如图7所示。“SKYACTIV-X”发动机与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%，达到与“SKYACTIV-D”柴油发动机同等或以上的燃油经济性。此外，其燃烧效率也大幅提升，在低速行驶频率较高的地区，通过超稀薄燃烧提升30%左右的燃烧效率。从1 000 r/min～5 000 r/min都属于发动机的经济转速区间，适应范围更广[16-17]。

图7 燃油消耗量[15]

3 结论

“SKYACTIV-X”发动机将燃油经济性和动力响应作为主要升级方向。通过借鉴柴油发动机压燃点火工作方式来提高空燃比，利用火花塞控制点火时刻。SPCCI技术是一套极为精密的综合性燃烧控制系统，由超高压燃油喷射系统、EGR冷却器、可控机械增压等构成。能够在SI和CI两种点火方式间无缝切换，无需复杂的可变气门及可变压缩比结构。继承汽油发动机动力可扩展性好，排气净化的优点，又结合柴油发动机燃效高，响应快，扭矩大的特性。“SKYACTIVE-X”发动机较“SKYACTIV-G”发动机相比其燃油经济性提升20%～30%，全速域扭矩提升10～30%。

针对燃油经济性和动力性，“SKYACTIV-X”发动机取得多项关键技术上的突破。为提高燃油经济性，采用稀薄燃烧；为实现稀薄燃烧，采用压燃点火；为压燃点火可控且满足不同工况需求，采用SPCCI技术。欲全面论证“SKYACTIV-X”发动机的可靠性，尚需在以下几个方面开展深入研究：

（1）由于传统柴油压燃发动机的低温启动性不如汽油发动机，对于“SKYACTIV-X”发动机，工作在压燃状态也需保持在一定温度内。例如在中国东北地区冬季气温寒冷的条件下，“SKYACTIV-X”发动机的低温启动问题。

（2）由于“SKYACTIV-X”发动机的SPCCI技术搭载可控机械增压器。其主要目的是提高进气量，工作范围不是全程介入，而是满足进气量便停止工作。虽然和其它机械增压发动机的目的及作用不同，但其仍属于机械增压发动机。故“SKYACTIV-X”机械增压发动机相比其他增压发动机在使用要求及维修成本上是否有较明显的区别？以及采用机械增压器对油耗方面产生的影响。

（3）由于“SKYACTIV-X”发动机采用了高压缩比，且由火花塞先点燃而后压燃，易在气缸内引起的爆震，这款发动机能否有良好的NVH表现或通过调整软件的方式来降低噪音仍需做进一步研究。

（4）采用超高压缩比的“SKYACTIV-X”发动机能否适应中国油品质量，仍需近一步研究。