向燃效50%进发 第二代创驰蓝天技术启动

2015-07-28 19:08:24来源: 易车网

    就像《EVA》中,碇源堂毕生执着于“人类补完计划”。在汽车界也有着坚持己见,特立独行的车企,马自达。2010年,在那个全民热捧涡轮增压的时代,马自达毅然决然宣布了“创驰蓝天计划”。虽然其创造的14:1压缩比以及30%以上的热效率,在业内可谓无出其右,但这却未能阻挡大涡轮增压的浪潮。五年过去了,曾经的日系自吸小伙伴均转投涡轮阵营,唯有马自达仍坚守阵地,并迈出了SKYACTIV GEN 2的脚步!

向第二代迈进,为100周年庆生

    2015年4月,马自达在财报说明会上,公布了将创驰蓝天升级至第二代的蓝图。其设想是在初代基础上,进一步改善发动机燃烧效率,将融合顶级燃烧技术和电动化技术,实现汽油机18:1压缩比以及50%热效率的终极目标。具体时间节点如下:2016-2018年度开始投入使用;2019年全面普及;2020年热效率达到50%。值得一提的是,2020年正值马自达品牌成立100周年,而这第二代创驰蓝天技术将会是最好的百岁生日礼物。

从世界第一到下一个世界第一

    如果你看过我之前写的《丰马合体》,那你一定了解目前世界最高热效率汽油机为38%。而那便是丰田与马自达共创的杰作(老实说,个人感觉马自达贡献更大)。拿到世界第一之后,马自达并不满足于此,誓要将热效率提升至50%,成为下一个世界第一。那么这12%的热效率到底怎么提升?马自达放出了三个大招,HCCI(均质稀薄压燃技术)、可变压缩比、燃料改质。

我读书多不会骗你,未来燃烧技术新宠,HCCI

    首先让我们先了解下什么是HCCI。简单来说,HCCI就是一种通过压燃点火的汽油发动机技术。好处是不再需要火花塞的点燃,使燃烧分布更均匀,消除了火焰扩散中的能量损失。此外,由于HCCI采用压缩点燃的方式,因此可以直接通过调节喷油量来调节扭矩,不再需要节气门,从而使得发动机的泵气损失显著降低。

泵气损失什么鬼?

    首先来讲,泵气损失是发动机燃烧过程中的五大损失之一。此外还包括有不完全燃烧的损失、发动机冷却的损失、活塞上下运动的机械损失、废气排出的排气损失。详细请见下图:

    其实通过字面意思我们大概都能理解个一二,但泵气损失就不那么容易好理解了。我们都知道,发动机工作需要四个冲程,进气、压缩、做功、排气。其中克服进排气阻力的能耗就叫泵气损失。这也就是为什么HCCI在省去节气门之后,大幅降低泵气损失的原因。好了,在小做补习之后,让我们言归正传。

既然好处那么大,为什么没有普及?

    其实HCCI技术在上世纪90年代初便被人提出并开始实验,虽然优势明显,但其不足之处也很令人头疼。综合考量下,大部分车企均放弃了该技术。别说普及了,甚至大部分人都没听说过HCCI发动机。那么究竟HCCI有哪些不足?

    首先,容易产生爆震。由于采用压燃的方式,瞬时气缸和活塞会受到强大的压力,很容易产生气缸爆震。

    其次,转速区间狭小。与柴油车类似,同样采用压燃点火的HCCI发动机也面临着转速拉不高,功率较小等问题。

    第三,电气化配合程度高。由于气缸温度、压力以及油气混合气的密度都需要进行精确的检测和控制,所以这对发动机ECU的管理和其他电子控制技术的运用就提出了更高的要求。

    当然,以上这些弊端是HCCI问世之初所面临的三座大山。时至今日,马自达再次披挂上阵,重拾起时隔多年的HCCI技术。那么马自达是如何解决这三大问题?下面就要引出第二个大招——可变压缩比!

    说到HCCI技术由于采用压燃的方式,使发动机面临着转速拉不高,功率较小等问题。为解决此弊端,马自达想出了可变压缩比的方法。事实上在目前使用的第一代创驰蓝天发动机中,马自达便已使用了可变压缩比技术。具体措施是运用了两种循环方式,奥托循环和米勒循环。

    在一代创驰蓝天发动机中,马自达通过对进排气门开闭时间的控制,在奥托和米勒两种循环间切换。在高负载工况下(如爬坡、加速超车等)采用压缩比13的奥托循环;而在其余工况下则采用压缩比小于13的米勒循环。所以说13:1高压缩比只在极少数情况下才会被用到。不过这种情况在第二代中将会有所改善。

    首先我们发现,在采用HCCI技术后,发动机燃烧效率得到了显著提升,尤其是在中低转速区间内,应对车辆怠速以及拥堵路况中蠕行阶段。此外,基于HCCI压燃的特性,在低扭时也能爆发出强大扭矩,相信在起步阶段会有质的飞越。这样的设定显然要比GEN 1仅在高负载工况下使用高压缩比要实用的多。

那么在高转速下,还能持续使用18:1压缩比吗?

    很遗憾,答案是否定的。因为在高转速下,HCCI气缸温度会高居不下,在长时间运转下很容易使发动机爆震。道理与柴油车类似。因此,第二代马自达创驰蓝天发动机并不会完全实现HCCI,常规点火系统也将会保留,HCCI只有在部分工况时才会使用。而在高转速下采用哪种循环,以及压缩比会降到多少,官方并未透露。不过可以肯定的是,这一切的一切都将对VVT(可变气门正时技术)提出了更高要求。

    VVT技术,经历多年的发展如今已出现过DVVT(进排气可变气门正时)、VVT-i(智能可变气门正时)、VVT-iW(可变气门正时智能广角)以及最新的VVT-iE(电控可变气门正时)。相比于普通的液压VVT技术,由电机控制的VVT-iE响应速度更快、控制更精确,而且可实现无级调节。

    细心观察的网友可以看到,马自达这套电动VVT系统选自的是日本电装(DENSO)产品。马自达在与丰田签署战略合作之后,相信会对电装产品的采购成本有所降低,而这节省出来的资金或将投入到下一代电动VVT技术的研发当中。

图片由大众汽车提供

    小贴士:电装DENSO是世界第二大汽车零部件供应商,在日本汽车零部件领域中更是无人能及。虽然电装早在1949年便从丰田株式会社独立出来,不过时至今日,丰田仍有约25%的股份,是电装最大股东。

    小结:其实关于可变压缩比而言,远不止切换发动机工作循环这么简单,还可以通过改变活塞连杆长度、改变曲轴与气缸顶端间距甚至采用非传统结构的曲柄连杆机构等方案来实现可变压缩比。不过就目前的车企科技水平而言,尚未有一家拿得出成熟可靠的可变压缩比解决方案。甚至有人说这是汽车圈内最难产的技术。

不过马自达表示,我还有一个大招没放呢!

    说到燃料改质,其实就是让你用除了汽柴油以外的其他燃料驱动汽车。目前来讲包括有使用盐水驱动、空气驱动(氮气)、氢气驱动以及太阳能驱动等(详细请点,“除了加油还能加什么?各色新能源车盘点”)。而说回马自达,其燃料改质又是什么呢?没错,是氢气。其原因有二。

    其一,还是因为HCCI技术。此前说过,HCCI采用压燃的方式工作,这势必会使发动机气缸处在高温高压的环境下,爆震几率大大增加。而氢气的燃点低、可燃性高,可大大降低气缸内压燃时的温度,降低爆震发生几率,从而拓宽了HCCI技术所适用的转速范围。

    其二,还是因为与丰田合作。上页说到,马自达与丰田合作或将降低采购DENSO电装产品成本,而另一大合作目的在于,马自达垂涎丰田FCV氢燃料电池很久了。

    小贴士:丰田Mirai是世界首款量产并上市销售的燃料电池汽车(现代Tucson FCV虽然登陆市场更早,但是以租赁的方式对外销售),Miral售价约723.6万日元(约合人民币37.5万元)。Mirai的动力系统主要由燃料电池组、交流电机和储氢罐组成,最大功率114kW,峰值扭矩335Nm,续航里程502km,氢燃料加注仅需3分钟,最重要的是它排放的只有水蒸气!

    其实马自达在过去的几年中,一直尝试独自开发氢能源动力,并有意将其应用在消失已久的转子发动机上。不过也许是因为技术局限的因素,最终决定与丰田汽车合作共享其燃油汽车技术。马自达社长小饲雅道在记者会上表示,“将借丰田之力,提高SKYACTIV的价值”。在必要时,马自达还有可能借用丰田预定2015年底推出的新一代“普锐斯”混合动力系统,以及2014年12月上市的全球首款量产型燃料电池车(FCV)“MIRAI”的技术。

    而丰田公司也急需拉帮结派,来共同对抗以特斯拉为首的纯电动车联盟。为此,丰田公司于2015年1月无偿对外公开了5680个燃料电池相关专利,奉献出自己潜心研究23年之久的毕生绝学,以此来壮大“氢能源部落”的阵营。

    不过马自达表示,并不会将第二代创驰蓝天技术完全打造成氢能源燃料电池车,仍是以发动机为中心推进性能强化。只不过会借鉴新能源车在电动化管理上的先进技术,如智能启停和制动力回收等功能。

    与其他车企直接采购汽车零部件制造商(如博世、德尔福)不同,“i-stop”则是由马自达独立开发而来,专门针对创驰蓝天发动机配合使用。和一般“Stop&Start”发动机启停系统最大的区别在于,“i-stop”并不是依靠电动启动机来重新启动发动机,而是世界首次采用预先控制活塞停止位置的电控技术,在发动机重新点火的初始阶段即通过燃料喷射进行燃烧来重新启动发动机的节能技术。

    第1步,i-stop启动后,发动机停止运作,节气门打开,活塞内充满空气,为下一步点火做准备。

    第2步,在发动机停止过程中,交流发电机进行辅助控制,将活塞停在目标位置。

    第3步,发动机恢复运作,主要通过点火膨胀,同时启动电机起一个辅助作用。

   第4步,发动机进行正常循环工作。

    马自达i-stop的精髓在于能够在发动机停止运作后,自动调节活塞位置,为发动机恢复启动实现最佳燃烧。为此马自达采用了多种先进技术,例如可精确控制发动机熄火时活塞停止位置的“活塞停止位置电子控制”、保持燃烧室内空气清洁的“燃烧室排气电子控制”等等。这些均需要强大的电气化技术的加持,而在第二代创驰蓝天计划中,马自达将配备更先进的电气化技术。

    写在最后:从40年前坚持己见推行转子发动机,到如今突破瓶颈创造超高压缩比的创驰蓝天,以及未来目标燃效达到50%的最终夙愿。马自达用一个接一个惊诧世人的举动,坚持着自己追求最佳燃烧效率的造车初心。或许有人会说,马自达太过小众,技术太过疯狂。确实如此,但我更愿意用“偏执狂”来形容马自达。而这个世界只有偏执狂才能生存,难道不是吗!

关键字:技术  启动

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2015/0728/article_11237.html
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