自然吸气发动机技术全解

随着排放法规的日益严格，为了避免支付巨额罚款，汽车制造商争相推出混合动力汽车和电动汽车，而对于传统内燃机汽车，他们越来越倾向于小排量和涡轮增压的发展方向。在这样一个大环境下，自然吸气发动机变得越来越少。如果有人仍然是自然吸气的忠实粉丝，那么以旋转发动机起家的马自达绝对是其中之一。

2010年，马自达提出了Skyactiv Technology。该技术以自然吸气发动机为主体，以提高燃油效率为主要方向，辅以变速箱、底盘和车身结构的优化，减少传动过程中的能量损失。

一个中心：自然吸气

对于自然吸气发动机来说，如果你想减少碳排放并提高燃油效率，只有两种方法。一种是提高发动机本身的燃烧效率，在相同数量的燃料上挤出更多的动能输出；另一种是减少不必要的能源消耗，例如优化传动系统、提高实际能量转换率或减轻车身结构。

马自达的蓝天技术是从这两个角度提高发动机上的燃烧效率，然后降低发动机变速箱底盘传动系统在传动过程中的能耗。其他如车身的轻量化设计。最终的结果也相当惊人。例如，去年的国产CX-5两轮驱动版本和首款采用创驰蓝天技术的国产2.0升自动变速器ATENZA，均达到了每百公里6.6升的综合油耗，远超同级别汽车。

亿代创智蓝天科技

在《“动力新王牌”系列7号：马自达创驰蓝天科技》一文中，车云详细介绍了创驰蓝天发动机在没有涡轮增压的情况下实现如此高效率的秘诀。4-2-1排气系统的压缩比高达14，不走通常的路线，在性能上有所牺牲，但凭借活塞、点火正时和发动机本身的轻量化设计，经济性提高相当明显。

然而，即便如此，也很难实现欧盟2020年新车平均碳排放目标95克/公里和2025年新车平均排放目标65克/公里。因此，马自达的工程师们也在规划下一代蓝天技术的发展方向。

两个基本点：高压缩比

2014年初不久，马自达动力开发总监简光富先生透露了下一代技术的研发计划：“第二代创驰蓝天发动机预计将于2020年问世。与第一代发动机相比，第二代发动机的燃油经济性将至少提高30%。"

众所周知，马自达的工程师使第一代创驰蓝天发动机成为世界上压缩比最高的汽油发动机，最高可达14。即使因为中国的燃油质量问题，国产ATENZA和CX-5的压缩比也降低到了13，但高于SUV的压缩比，后者约为12。在普通汽车发动机上，根据排量的不同，压缩比只有8-10。

显然，工程师们对这些数据并不满意。人们看到广佛说，在创造蓝天的第二代发动机中，压缩比是18。

增加压缩比意味着汽油发动机的压缩过程结束后，混合物的温度和压力会更高，燃烧过程中会释放更多的热能，也就是说，当消耗相同数量的燃料时，会产生更多的能量。这样，即使在从热能转换为机械能的过程中转换率保持不变，发动机产生的功率也会增加。因此，提高压缩比相当于增加了能量的基础，从根本上提高了发动机的动力输出，即提高了燃油经济性。

但我们也知道，汽油的压缩阻力是有限的。高级汽油具有高压缩阻力，在高温下燃烧传播速度慢，能够承受更高的温度和压力；

缸内直喷的加入可以使汽油混合更加均匀，降低爆震的可能性，但这不允许压缩比无限增加。第一代能够实现14的压缩比的原因也是以牺牲一些性能为代价的。

然而，如果我们继续牺牲性能，那么继续将压缩比提高到18是不现实的。如果大排量发动机，比如2.5升发动机，除了碳排放之外没有其他特性，而且特别肉，那么最好选择小排量涡轮增压发动机。

那么，马自达的工程师是如何实现这一魔力的呢？

两个基本点：HCCI

答案是HCCI。在谈到提高燃油经济性时，三雄表示，“如果我们想大幅提高燃油效率，唯一的方法就是稀薄燃烧。所谓稀薄燃烧就是降低汽油在汽油和空气混合物中的比例，使单位体积的汽油能够产生更高的能量，提高燃油效率。

均质压燃（HCCI）是均质混合气的压燃技术。使用该技术后，汽油发动机的燃烧方式与柴油发动机的压燃方式相同。HCCI技术的核心是均匀混合和压燃，而高压缩比是实现均匀混合和压缩点火必不可少的。

只有当气缸中的压力足够高时，在重新喷射混合物后，才有足够的时间在压缩冲程结束时形成均匀分布的混合物；

当然，只有当气缸内的压力和温度足够高时，我们才能在不使用火花塞的情况下达到汽油的燃点并使其燃烧。

由于气缸内混合气稀薄，相当于变相提高了汽油的压缩阻力，在高压缩比的情况下不会爆震。因此，HCCI技术和高压缩比可以说是相辅相成的。人们看到广福也在公告中表示，第二代创造蓝天的主要技术是HCCI，顺便说一句，高压缩比只是HCCI的隐藏福利。

三种不同的燃烧模式

通用汽车从2007年到2009年研究了HCCI技术。梅赛德斯-奔驰还在2007年推出了一款名为DiesToto的发动机，该发动机也使用了HCCI技术，并配备了涡轮增压系统。最大输出功率为238马力，在1.8升的排量下，最大扭矩可达400牛米。本田和现代，以及零部件供应商博世都报告了HCCI的研究，但这项技术从未在大规模生产中应用。

这是因为要实现HCCI，必须解决一些关键技术难题：

第一是燃烧时间的控制。HCCI会通过增加气缸内的压力和温度使混合物自燃，因此应准确检测和控制混合物的喷射过程、气缸内的温度和压力，以确保燃烧在压缩冲程结束时开始，这将提前浪费能量并延迟功率并影响输出稳定性。因此，应认真加强发动机的ECU管理程序。

其次，为了避免爆震，HCCI的混合物是稀的。与传统汽油发动机相比，使用HCCI技术的发动机排气温度会相对较低，发动机的最大负载也会受到限制。当发动机在高速和高负载下运行时，可能需要依靠火花塞进行点火。然而，如果使用火花塞点火，发动机的压缩比不能太高以避免爆震，这需要发动机的压缩率是可变的。要在技术上实现可变压缩比，发动机的结构将更加复杂，成本将增加，并且在现有技术下无法保证稳定性。此外，低排气温度也是催化转化器的问题，因为氧化/还原反应需要相对较高的温度。

第三，HCCI同时进行压燃和放热，气缸和活塞将受到强大的瞬时压力，这对发动机的强度和重量要求更高。如果发动机的重量增加过多，也会抵消一些已经提高的效率。因此，如何在两者之间找到平衡也是一个挑战。随着排放法规的日益严格，为了避免支付巨额罚款，汽车制造商争相推出混合动力汽车和电动汽车，而对于传统内燃机汽车，他们越来越倾向于小排量和涡轮增压的发展方向。在这样一个大环境下，自然吸气发动机变得越来越少。如果有人仍然是自然吸气的忠实粉丝，那么以旋转发动机起家的马自达绝对是其中之一。

2010年，马自达提出了Skyactiv Technology。该技术以自然吸气发动机为主体，以提高燃油效率为主要方向，辅以变速箱、底盘和车身结构的优化，减少传动过程中的能量损失。

一个中心：自然吸气

对于自然吸气发动机来说，如果你想减少碳排放并提高燃油效率，只有两种方法。一种是提高发动机本身的燃烧效率，在相同数量的燃料上挤出更多的动能输出；

另一种是减少不必要的能源消耗，例如优化传动系统、提高实际能量转换率或减轻车身结构。

马自达的蓝天技术是从这两个角度提高发动机上的燃烧效率，然后降低发动机变速箱底盘传动系统在传动过程中的能耗。其他如车身的轻量化设计。最终的结果也相当惊人。例如，去年的国产CX-5两轮驱动版本和首款采用创驰蓝天技术的国产2.0升自动变速器ATENZA，均达到了每百公里6.6升的综合油耗，远超同级别汽车。

亿代创智蓝天科技

在《“动力新王牌”系列7号：马自达创驰蓝天科技》一文中，车云详细介绍了创驰蓝天发动机在没有涡轮增压的情况下实现如此高效率的秘诀。4-2-1排气系统的压缩比高达14，不走通常的路线，在性能上有所牺牲，但凭借活塞、点火正时和发动机本身的轻量化设计，经济性提高相当明显。

然而，即便如此，也很难实现欧盟2020年新车平均碳排放目标95克/公里和2025年新车平均排放目标65克/公里。因此，马自达的工程师们也在规划下一代蓝天技术的发展方向。

两个基本点：高压缩比

2014年初不久，马自达动力开发总监简光富先生透露了下一代技术的研发计划：“第二代创驰蓝天发动机预计将于2020年问世。与第一代发动机相比，第二代发动机的燃油经济性将至少提高30%。"

众所周知，马自达的工程师使第一代创驰蓝天发动机成为世界上压缩比最高的汽油发动机，最高可达14。即使因为中国的燃油质量问题，国产ATENZA和CX-5的压缩比也降低到了13，但高于SUV的压缩比，后者约为12。在普通汽车发动机上，根据排量的不同，压缩比只有8-10。

显然，工程师们对这些数据并不满意。人们看到广佛说，在创造蓝天的第二代发动机中，压缩比是18。

增加压缩比意味着汽油发动机的压缩过程结束后，混合物的温度和压力会更高，燃烧过程中会释放更多的热能，也就是说，当消耗相同数量的燃料时，会产生更多的能量。这样，即使在从热能转换为机械能的过程中转换率保持不变，发动机产生的功率也会增加。因此，提高压缩比相当于增加了能量的基础，从根本上提高了发动机的动力输出，即提高了燃油经济性。

但我们也知道，汽油的压缩阻力是有限的。高级汽油具有高压缩阻力，在高温下燃烧传播速度慢，能够承受更高的温度和压力；

缸内直喷的加入可以使汽油混合更加均匀，降低爆震的可能性，但这不允许压缩比无限增加。第一代能够实现14的压缩比的原因也是以牺牲一些性能为代价的。

然而，如果我们继续牺牲性能，那么继续将压缩比提高到18是不现实的。如果大排量发动机，比如2.5升发动机，除了碳排放之外没有其他特性，而且特别肉，那么最好选择小排量涡轮增压发动机。

那么，马自达的工程师是如何实现这一魔力的呢？

两个基本点：HCCI

答案是HCCI。在谈到提高燃油经济性时，三雄表示，“如果我们想大幅提高燃油效率，唯一的方法就是稀薄燃烧。所谓稀薄燃烧就是降低汽油在汽油和空气混合物中的比例，使单位体积的汽油能够产生更高的能量，提高燃油效率。

均质压燃（HCCI）是均质混合气的压燃技术。使用该技术后，汽油发动机的燃烧方式与柴油发动机的压燃方式相同。HCCI技术的核心是均匀混合和压燃，而高压缩比是实现均匀混合和压缩点火必不可少的。

只有当气缸中的压力足够高时，在重新喷射混合物后，才有足够的时间在压缩冲程结束时形成均匀分布的混合物；当然，只有当气缸内的压力和温度足够高时，我们才能在不使用火花塞的情况下达到汽油的燃点并使其燃烧。

由于气缸内混合气稀薄，相当于变相提高了汽油的压缩阻力，在高压缩比的情况下不会爆震。因此，HCCI技术和高压缩比可以说是相辅相成的。人们看到广福也在公告中表示，第二代创造蓝天的主要技术是HCCI，顺便说一句，高压缩比只是HCCI的隐藏福利。

三种不同的燃烧模式

通用汽车从2007年到2009年研究了HCCI技术。梅赛德斯-奔驰还在2007年推出了一款名为DiesToto的发动机，该发动机也使用了HCCI技术，并配备了涡轮增压系统。最大输出功率为238马力，在1.8升的排量下，最大扭矩可达400牛米。本田和现代，以及零部件供应商博世都报告了HCCI的研究，但这项技术从未在大规模生产中应用。

这是因为要实现HCCI，必须解决一些关键技术难题：

第一是燃烧时间的控制。HCCI会通过增加气缸内的压力和温度使混合物自燃，因此应准确检测和控制混合物的喷射过程、气缸内的温度和压力，以确保燃烧在压缩冲程结束时开始，这将提前浪费能量并延迟功率并影响输出稳定性。因此，应认真加强发动机的ECU管理程序。

其次，为了避免爆震，HCCI的混合物是稀的。与传统汽油发动机相比，使用HCCI技术的发动机排气温度会相对较低，发动机的最大负载也会受到限制。当发动机在高速和高负载下运行时，可能需要依靠火花塞进行点火。然而，如果使用火花塞点火，发动机的压缩比不能太高以避免爆震，这需要发动机的压缩率是可变的。要在技术上实现可变压缩比，发动机的结构将更加复杂，成本将增加，并且在现有技术下无法保证稳定性。此外，低排气温度也是催化转化器的问题，因为氧化/还原反应需要相对较高的温度。

第三，HCCI同时进行压燃和放热，气缸和活塞将受到强大的瞬时压力，这对发动机的强度和重量要求更高。如果发动机的重量增加过多，也会抵消一些已经提高的效率。因此，如何在两者之间找到平衡也是一个挑战。

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