動力科技講堂第一集 Mazda Skyactiv-X 引擎完整解析

2022/05/21 12:00

《動力科技講堂》為本站近期企劃的全新單元,各集內容主要以解析汽車領域各式重點動力科技及原理,在動力科技講堂,你不會看到「因為它導入了XXX技術,所以有利於XXX」這類公關新聞稿的轉譯內容,而是專業編輯團隊消化後重新彙整出的紮實資訊。至於哪個主題最適合做為第一集的「開講」?恰巧我們近期剛完成 Mazda3 e-Skyactiv-X Edition 的試駕,該車所搭載的引擎於技術層面的確值得大書特書一番,那接下來我們廢話不多說,以下立刻為您剖析。

Skyactiv-X

這具 Skyactiv-X 引擎相信不少人已有初步了解,它是全球首具量產的壓燃汽油引擎,也就是它顛覆了一般人的認知,在某些運作狀態下將汽油以壓燃的方式燃燒,而非將其點燃。那為何要這麼做呢?這裡首先需要釐清的是,Mazda 並不是刻意要做壓燃,而是藉由壓燃來達成稀薄燃燒的目的。說的白話些,壓燃本身並不能為消費端帶來什麼實質助益,它僅是一種技術解決方案、是一種過程,而不是結果,此點從 Mercedes-Benz、GM 等其它車廠放棄研發便不難理解。

Skyactiv-X為了打造出適合汽油壓燃的運作環境,可明顯發現原廠將「引擎管理」的概念實行相當徹底,週邊設置多組電控閥門,複雜程度可見一斑。

 

稀薄燃燒這個名詞現今聽起來已有些老掉牙,但其實要達成還真沒想像中簡單,因為實務上汽油噴入汽缸內燃燒的過程是屬於「預混燃燒」,有一個令引擎研發工程師相當頭痛的問題便是「空燃比」,在這項限制下,就不可能無止盡縮減噴油量來達成節能目的,因為一旦汽油與空氣的混合比低於可燃界限(Flammability Limit),就會造成汽缸失火(Misfire,即不點火)。然而客觀上空燃比需來到 30 以上才能被稱做稀薄燃燒,這與理論值 14.7 已是兩倍以上的差距,因此傳統點火方式顯然不易達成,那有沒有什麼方法能突破空燃比的限制呢?答案是有的!就是想方設法讓汽油自燃。

Skyactiv-X缸頭上端可發現原廠宣稱燃燒壓力感知器的蹤跡,可向 ECU 送出回饋訊號進行逆修正。

 

談到汽油自燃,這又是另外一個難題,根據台灣中油所公佈的產品特性顯示,汽油的自燃溫度來到 280℃ 以上,乍聽之下似乎沒什麼特別,但對照一下我們所熟知的柴油是多少呢?答案是 177℃ 上下,這下差距夠大了吧!因此要讓汽油自燃,對於缸內燃燒環境的營造比起柴油機的確嚴苛得多,而在不大幅變動現行內燃機結構的前提下,快速壓縮空氣(或混合氣體)依舊是直接能營造此等高溫環境的有效途徑,這就是為什麼 Mazda 會用壓燃來與消費者「溝通」,當然,它的挑戰也比柴油機還來得高。

Skyactiv-X明顯的 Roots 機械增壓器曝露其增壓身分,原廠似乎不刻意強調此點,原因為該機體設置機械增壓主要並非為了榨取動力,而是於 SPCCI 模式運作時,在維持一定動力輸出水平的前提下,必需提供過量空氣,同時可減少進氣損失,另外從週邊部件來看,亦設有旁通閥門,使空氣可不需流入增壓器。

 

在講完空燃比限制、營造缸內燃燒環境後,下面我們正式說明,為何 Mazda 會提出 SPCCI(Spark Controlled Compression Ignition)燃燒模式,也就是「火星塞控制壓縮點火」。這個模式的運作方式為在進氣行程時,先噴入後續主要爆炸所需的燃油,隨後進氣門關閉、活塞上行開始壓縮混合氣,待活塞行程向上壓縮至接近上死點時,噴油嘴再噴入少許燃油,火星塞也在此刻幾乎同時點火(必需趁著隨後噴入的少許燃油還未向外擴散前點火才有效),就能在燃燒室上端「做出」一個小型火焰球,隨著這個火焰球的向下擴張(原廠稱之為空氣活塞),搭配活塞上行的壓縮,就這麼「上下一起壓縮」將先前噴入的汽油壓燃,完成整個過程。總括來看,SPCCI 模式在同一個燃燒循環中融合了分層燃燒與均質燃燒的概念,此外,SPCCI 可視為讓引擎在輕微爆震的狀態下運作,當然這是刻意製造出來的結果,也是該模式顛覆傳統認知的地方。

Skyactiv-XSkyactiv-X為了在 SPCCI 模式下維持良好運轉品質,Skyactiv-X引擎的減震、隔音工程自然需相當到位,引擎外部新增的遮罩堪稱視覺亮點。

 

可能有些網友看到這裡會有疑問,壓燃就壓燃,為何要藉由火星塞來控制?這不是「點燃」嗎?原因為在實務上,往復式活塞引擎的「點火正時」是需要控制的,也就是要在合適的時機點火,太早或太晚都不行,然而汽油與柴油不同,主要受其物化特性影響,本質上追求的是均質燃燒,因此不可能像柴油引擎那樣「噴油即點火」,直接將汽油隨進汽門開啟時的滾流進行混合後的壓縮,並無法精確控制點火時機。另一方面,上下一起壓縮的方式還能在不大幅提升引擎物理壓縮比的情況下,營造出較高的缸內溫度(Skyactiv-X 引擎的壓縮比可沒比柴油機來得高),而且就原廠提出的資料顯示,SPCCI 模式下缸內火焰傳播模式與傳統的點燃仍有明顯不同,因此仍能夠將其視為壓燃。

Skyactiv-X該機體機械增壓器配置水冷式中冷器,從海外車主手冊資料來看,具備獨立散熱水箱。

 

最後仍有幾點需要釐清,雖然 SPCCI 模式採用火星塞控制壓燃,但整個運作模式仍與柴油引擎存在相當大的不同,因此 Skyactiv-X 引擎嚴格來說只是融入壓燃的概念,並不能說完全取經自柴油引擎,接著說明兩者差異。首先第一點即是剛才提及的點火方式及正時控制,Skyactiv-X 引擎仍仰賴火星塞,柴油則是噴油即點火。第二,整個 SPCCI 模式仍是以 Otto 或 Atkinson(原廠稱之為 Miller)循環運作,即學理上的等容循環,與柴油機的等壓循環(Diesel Cycle)完全不同。第三,SPCCI 模式原則上可視為均質燃燒,柴油機則是非均質燃燒。第四,SPCCI 模式壓縮的是混合氣,柴油機則是純空氣。

Skyactiv-X或許有些網友會說,難道 SPCCI 模式不會導致燃燒溫度過高進而增加 NOx 排放嗎?其實並不會,原因為前述現象僅止於理論空燃比附近發生,稀薄燃燒條件下其實系統輸入能量較低(汽油才具有熱值,空氣沒有),燃燒溫度反而下降。

 

行文至此,Skyactiv-X 引擎精華的部份差不多已介紹完畢,當然,這具引擎的實測表現已藉由試駕報導敘述,不知道各位網友滿意我們推出的新單元嗎?歡迎在粉絲團留言讓我們知道喔,那我們下集見!

Skyactiv-X

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