奔驰和通用都玩不转的HCCI,马自达凭什么能搞定?|科技说

  • 发表于: 2017/08/23 07:54:00 来源:车云网

马自达第二代创驰蓝天,将于2019年量产,发动机热效率达到50%,百公里油耗降到3升左右,它究竟是怎么实现的?

日系里的小众技术控马自达,最近有放了一颗不大不小的卫星——宣布将在2019年量产第二代创驰蓝天。创驰蓝天被炒得很热大家都知道,但再热,一个技术的迭代有啥大惊小怪的?

的确,如果只是小打小闹的改进,这确实没啥。然而伴随着此次发布,人们也清楚了第二代创驰蓝天的核心,那就是HCCI。有了这个,第二代创驰蓝天号称热效率能达到50%,对应(常规)车型的百公里油耗只要3升多,而且号称动力响应超过小排量涡轮增压。这俨然是不仅要直接KO小排量涡增,而且还要KO混动甚至纯电的节奏(马自达创驰蓝天技术之父人见光夫同学就直言碳排放能与纯电相当)!

马自达创驰蓝天技术

这看起来的确是相当牛叉的黑科技。不过这里有个让人无比疑惑的东西。HCCI很多人确实是第一次听说,但其实这玩意十年前就有人在玩儿了,而且玩儿的都是业界大腕儿。例如奔驰,2007年就在法兰克福车主上展出过采用此类技术的F700概念车;通用也研发过一台2.2L的HCCI发动机。从当时的宣传来看,这两家拿出的“样机”也都是超级高效的。然而十年过去,这些大腕儿级的先行者面对这一技术的结果都“不了了之”,为何十年后却让马自达在量产的道路上抢了先?真的是人见光夫这个技术狂人真如同乔布斯、马斯克一般,有什么超级过人之处吗?

马自达创驰蓝天技术之父人见光夫

HCCI高效的核心:均质稀燃

当初大众刚弄直喷的时候,就整天把稀燃挂在嘴边。不过此稀燃非彼稀燃。HCCI的稀燃,可要比当初大众的FSI“稀得多”。

道理好理解,燃油“越稀”,参与燃烧的空气比例就越多,燃烧就越充分,理论上燃效就越高。我们都知道常规发动机的空燃比:14.7:1。马自达的这个第二代创驰蓝天是多少呢?怠速时只有36.8:1,比常规比例“稀了”2.5倍,够夸张了吧?

要降低空燃比很简单啊?少喷油不就行了吗?归根结底确实是少喷油,但一个基本前提是你要能“点燃”这么稀的混合气。我们知道,常规汽油机都是靠火花塞点火的。只有14.7:1的空燃比,火花塞才能顺畅点火。当初FSI提出稀燃概念后,曾伴随着“分层燃烧”的概念。为何要“分层燃烧”,其实本质就是混合气太“稀”的情况下点火困难。想想,当初FSI“不那么稀”都点火困难,放在第二代创驰蓝天“稀成这样”,不是更困难吗?

没错,这个HCCI的关键。也是最近人们提到HCCI说的最多的——通过“压燃”来解决这种“极度稀燃”的问题。一旦汽油发动机通过“压燃”实现了极度“稀燃”,它的效率就能如同马自达宣传的那样,最佳燃效突破50%,理论百公里油耗(常规车辆)3升多……

既如此,为什么奔驰通用不将其大规模量产,而是转而对马自达最不屑的小排量涡轮增压情有独钟呢?

Tips:压燃

区别于汽油机靠火花塞点火燃烧,柴油机的“点火”是靠“压燃”的。即进入气缸的空气在被极度压缩的情况下自己产生高温高压,此时再通过喷油器喷入雾化柴油,在高温高压下自行燃烧做功。这种工作方式,可以让发动机拥有更高的压缩比和空燃比,从而提升燃效。柴油机的燃效远高于汽油机,根源也在于此。

HCCI理论上的好处还不仅仅是高效

其实要说起HCCI这个概念,追溯起来还不止十年。上世纪九十年代初,这一思路就被提出来过,只不过那时候工程师想到的,还只是用它来改变传统柴油车的工作方式。没错,HCCI最早、亦或者在相当长时间内,一直被视为将是柴油发动机的革命性技术。

工程师热衷于研发柴油HCCI,核心目的其实并不是燃效,而是排放。大家都知道大众柴油车的“排放门”。大众为什么要用作弊软件?这其实折射出了传统柴油机技术的一个“环保硬伤”——在成本可控的情况下,要想实现任意工况下氮氧化物排放达标,这几乎是不可能的。HCCI则可以解决这个问题,因为HCCI采用的是低温燃烧技术,可以大大减少空气中氮和氧的“自我反应”,从而大幅度降低尾气中氮氧化物的浓度。

汽油机反而有可能成为HCCI应用的突破口

然而从最初提出概念算起,二十多年过去了,仍没有看到HCCI柴油机的量产,这是为什么呢?根源就在于HCCI在点火时点上的难以控制。

虽然都属于压燃,但HCCI的压燃模式与传统柴油机的压燃模式完全不同。由此涉及的喷油方式、混合气的混合方式、空燃比、压缩比、EGR的配比等等都不同。由于HCCI属于低温燃烧,它的点火时点受进气温度的影响很大。并且在不同工况下,HCCI的控制难度都差异很大。例如在低负荷与高负荷状态下,HCCI就很难理想工作。尤其是高负荷工况,迄今为止仍然是困扰HCCI量产应用的“国际性难题”。

在柴油机HCCI难以短时间突破的情况下,于是就有工程师想从汽油机下手。从这个角度看,有人说HCCI是“汽油机学柴油机”其实并不准确。HCCI属于一种全新的工作模式,并非柴油机的专属或者汽油机的专属。

汽油与柴油最大的特性不同在于它的燃点低、更活跃。虽然这似乎不利于“压燃”过程中控制爆震,但从另一个角度却让它更容易被客观条件所控制。例如它在必要时依然可以使用火花塞点火,这是柴油机做不到的。

没错,汽油版HCCI目前来看最靠谱的解决方案,即只在适用于HCCI的工况下采取“压燃”,而在不适合HCCI的低负荷与高负荷工况下,则依然采用火花塞点火。

马自达通过火花塞控制技术的革新,可能突破了汽油HCCI的核心问题

即便如此,这个问题要解决好依然非常难。十年前奔驰、通用的样机,采用的就是这种工作模式,但依然至今未能量产。这其中的难点,“均质压燃”本身已经基本得到解决——至少在适合HCCI的工况下,均质压燃已经可以实现。困扰HCCI汽油机量产的另一大难点,则落在了压燃工况和火花塞点火工况两种工况的选择和衔接上。

按照马自达的介绍,它此次主要的创新之处,就在于更好地解决了“火花塞工况”和“压燃工况”阶段的衔接问题。

为此,马自达还重新解读了HCCI。它不再是惯常的Homogeneous Charge Compression Ignition(均质充气压燃),而是变成了Spark Controlled Compression Ignition(火花塞控制压燃)。缩写也变成了SPCCI。这个SP,指的就是火花塞。即马自达通过在火花塞点火控制上的创新,来让HCCI变得更加可控。

当然,解决均质压燃绝不仅仅在于火花塞技术的创新。包括进气的精确控制(马自达采用电控空气泵,即类似于电涡轮的东西)、燃烧室形状的设计、喷油的设计、EGR的控制等等。总之,马自达敢于喊出2019量产,这个发动机“能够正常运转和实现动力输出”,这应该是已经没啥问题了。

HCCI的其他问题马自达能否完美解决,却有待观察

首先仍然是“衔接”是否真如PPT描述的那么完美。我们知道,理论上是一回事,实际上是另一回事。按照马自达的介绍,它的第二代创驰蓝天发动机,在低速、中速和高速工况下,采用的工作模式均不同。这里面不光是涉及到火花塞点火与压燃的切换,而且还涉及到压缩比的变化、喷油方式的变化、进气模式的变化等等。如此复杂的切换,对应到实际体验上会不会让人感觉“怪怪的”,这仍需要观察。事实上,这也是众多HCCI研发上的重要难点之一。如果马自达的第二代创驰蓝天,真能如同它PPT描述的那么好,即加速响应性甚至超过小排量涡增,而且高低速无缝衔接,那这真算得上是“历史性”的创举了。

其次则是震动与噪音。柴油机震动噪音大是公认的,即便是目前优秀的柴油机也不例外。这种机器放在豪华车上,可以通过震动平衡与隔音降噪来解决,但放在成本有限的低档车上,它与汽油机的劣势还是明显的。柴油机的震动、噪音是因为油吗?当然不是。核心还是高压缩比、压燃这种结构特性的天性。换成汽油以后,HCCI能规避这一问题吗?至少这个问题当年通用没解决。而且从理论上,它要解决起来也确实很难。马自达能否真解决了,也有待观察。

车云小结:

我们都知道,在技术研发领域,越是大厂,策略往往会越趋于保守,而相对而言小厂则可以“大胆”一些(因为它们相比大厂更“输得起”)。奔驰与通用在HCCI领域研发多年而未果,大抵与HCCI的“问题>优势”,并且解决起来或难度过大、或成本过高有关。马自达在十年后宣布要将此技术率先量产,技术领域的创新我们相信,但同时马自达在技术领域的“敢为天下先”这种精神,恐怕也是始作俑者之一。要不然,当年谁都不敢玩的转子(发动机),为什么只有马自达敢用在量产车上?

无论如何,我们对于马自达、乃至人见光夫这样勇于开拓、大胆尝试的精神还是要极力点赞的。至少从第一代创驰蓝天表现出的效果来看,马自达现阶段在发动机技术领域的创新,无论思路还是方向都要比当年玩转子靠谱得多。我们也更愿意相信,第二代创驰蓝天确实如人见光夫说的那样将HCCI玩转了——不仅极其高效、动力响应超好、输出平顺,而且排放低、震动噪音不大,同时成本还完全可控。

只是,真要如此的话,是不是别家的发动机都别玩儿了?

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