50%熱效率是什么概念?現有發動機的熱效率為30%左右,目前全球熱效率最高的汽油發動機為豐田開發的2.5升汽油發動機以及混合動力發動機,熱效率分別為40%和41%。馬自達計劃利用SKYACTIV-X(第二代創馳藍天)技術讓發動機熱效率在2019年達到50%。
SKYACTIV-X的核心是一個被馬自達稱為SPCCI的技術。SPCCI的全稱是Spark Controlled Compression Ignition,字面翻譯過來就是火花塞控制的壓燃點火技術。既然都火花塞控制點火了,為什么還要用壓燃呢?
事實上,早在十年前就有汽車廠商(通用、奔馳、現代等)開始研究汽油發動機的壓燃技術,至于壓燃的好處,看看現今的柴油發動機就能明白,不外乎更高的熱效率(低速船用柴油發動機能達到50%以上熱效率)。此外,較低的氮氧化物及顆粒物的排放、燃燒更穩定也是壓燃的優勢。
說得這么熱鬧,為什么十年后的今天依然沒有實現壓燃汽油發動機的量產?都因為汽油比柴油燃點高,燃燒起來又比柴油更加迅速,這就使得汽油的壓燃比柴油更加難以控制。簡單來說:缸內溫度低了它不著,缸內溫度高了又爆震,總之就是不好伺候。
馬自達終于找到了解決辦法:利用火花塞來控制壓燃的時機。在火花塞點火之前,噴油嘴將壓力高達300-400bar的汽油噴入氣缸(是目前直噴汽油發動機噴油壓力的兩倍,壓力越高,空燃混合效果越好),噴油量比正常情況下要小,空燃比遠大于正常情況下缸內空燃比(汽油的理論空燃比為14.7:1,馬自達在實驗室中能實現36.8:1)。我們知道,空燃比超過一定范圍是無法被點燃的,卻可以隨著壓力的升高被壓燃,這個壓力就來自于火花塞的點火。
當然,對于這個壓力的變化目前存在兩種說辭,一種是說火花塞讓空氣發生電離的同時讓缸內壓力超過零界點,從而觸發缸內混合氣體的壓燃;另一種解釋是在火花塞周圍存在一部分空燃比較低的混合氣體,火花塞引爆了這團混合氣體(由于缸內其余部分混合氣體空燃比較高,所以無法被直接引燃)使得缸內壓力升高從而觸發壓燃。說實話,小編更傾向于后者。
為了達到壓燃的條件,一臺機械增壓器為發動機提供了更高的進氣壓力,同時也有助于提高空燃比。當然,也并非所有工況下都能實現壓燃,例如在高轉速的工況下,發動機依然需要采用傳統方式即用火花塞引燃,馬自達可以讓這臺發動機實現壓燃和引燃的平穩過渡。
汽油發動機壓燃技術的出現如果真的能將熱效率提高到50%,那么用排量大小來評判油耗和排放的標準將成為過去,因為在排量相同的情況下,采用壓燃技術的發動機需要的汽油更少,排放也更低。此外,從馬自達與豐田達成的合作中我們也可以看出,熱效率更高的發動機將為未來混合動力車型提供更加富有想象力的發展空間。