汽油车燃效堪比混合动力 马自达SKYACTIV技术全貌（一）

　　马自达发布了新一代车辆技术“SKYACTIV”。这是一个将发动机、变速箱、车体及底盘等汽车的基本部分全部更新的巨大项目。在无马达助推的情况下可实现30km/L的燃效、无论汽油发动机还是柴油发动机的压缩比均达到14.0、车体重量减轻100Kg等等。本文将对达成上述划时代性能的SKYACTIV技术进行一次全面剖析。

图A 马自达新一代技术“SKYACTIV”的关键部分。（左上）实现了高达14.0的压缩比的新一代高效率直喷汽油发动机“SKYACTIV-G”、（右上）实现了14.0这一较低压缩比的新一代柴油发动机“SKYACTIV-D”、（左下）新一代自动变速箱“SKYACTIV-Drive”、（右下）新一代轻量高刚性车体“SKYACTIV-Body”

　　马自达将于2011年上半年推出的配备新一代发动机的“德米欧（Demio）”，可在无马达助推的情况下实现30km/L的10·15模式燃效。马自达于10月20日发布的新一代车辆技术“SKYACTIV”在汽车业界引起了巨大反响。这是因为30km/L的燃效与在马自达发布之前的10月8日本田所发布的“飞度混合动力车”相同。

促进企业增强实力

图1　新型手动变速箱“SKYACTIV-MT” 实现了轻快的换挡感触以及大幅度的轻量化及小型化。

图2　新型底盘“SKYACTIV-Chassis” （a）前悬挂系统及转向系统、（b）后悬挂系统。马自达表示，该系统兼具准确的转向功能以及舒适的乘坐感受。

　　马自达开发的新一代车辆技术“SKYACTIV”由以下6项关键技术构成。

（1）作为汽油发动机实现了14.0这一世界最高压缩比的高效率直喷汽油发动机 “SKYACTIV-G”（参照图A ）

（2）作为柴油发动机实现了14.0这一世界最低压缩比的绿色柴油发动机 “SKYACTIVD”（参照图A ）

（3）提高了传导效率的自动变速箱“SKYACTIV-Drive”（参照图A ）

（4） 实现了轻快的换挡感触以及大幅度的轻量化和小型化的手动变速箱“SKYACTIV-MT”（参照图1）

（5） 实现了较高刚性以及最高水平的碰撞安全性的轻量车体“SKYACTIV-Body”（参照图A ）

（6） 兼具准确转向功能及舒适乘坐感受的高性能轻量底盘“SKYACTIV-Chassis”（参照图2）

　　这些关键技术将在本文逐步详细介绍。其实马自达SKYACTIV的最大特点不仅仅是发动机或者车体的改进，而在于对车辆整体进行了统一更新。

　　例如新型汽油发动机。由于可提高排气效率，因此，比以往加长了的排气歧管（Manifold）。这是这款新型汽油发动机的最大特点。因为相应地要占据更大空间，所以排气歧管无法安装到以往车辆的发动机室内。此次通过同时更新车架及发动机，使采用这种排气歧管成为可能。在变速箱及悬挂系统方面亦是如此。

　　对生产规模较大的厂商而言，同时更新车架及发动机是相当困难的。“正因为本公司是规模不太大的厂商，所以才做到了”（马自达）。

　　另外在各项关键技术方面，马自达超越排气量及车辆尺寸的差异而采用相同的基本构造，借此实现相同设备下的“柔性”生产，并将研究开发的效率提高30％，将生产投资减少20～60％。马自达的目的是将关键技术的更新与企业实力的增强挂起钩来。

将压缩比提高到14.0

　　此次马自达开发SKYACTIV的最大目标是提高燃效。与丰田及本田将混合动力技术定位于燃效提升技术的核心不同，马自达的基本出发点是首先全面改进发动机及变速箱等基础技术，在此基础上再导入制动能量再生以及混合动力等电动化技术的“构件（Building Block）”战略。

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　　马自达的方针是不仅改进发动机及变速箱，还将使车体重量减轻约100kg，从而在2015年之前使全球销售的马自达车的平均燃效比2008年提高30％。力争通过发动机的改进提高15～20％；通过变速箱的改进提高4～7％；通过减轻车体重量提高3～5％；另外加上怠速停止机构等合计提高30％。

　　其中最具特点的是，新型汽油发动机由于实现了14.0的压缩比，此举大幅提高了效率，将燃效及扭矩比以往提高了15％（图3、4）。以往汽油发动机的压缩比方面，在标准汽油规格下为10.0左右。马自达表示，如果将压缩比从10.0提高到15.0，则有望实现约9％的热效率提升。

图3　SKYACTIV-G的扭矩特性 与已有的汽油发动机相比，提高了约15％。

图4　SKYACTIV-G的燃效特性 与已有的汽油发动机相比，提高了约15％。燃料消耗量比已有的柴油发动机更少。

　　之所以此前压缩比停留在10左右，是因为无法避免爆震（Knocking，异常燃烧）的发生。要想不产生爆震，则必须降低压缩上止点温度。马自达重点关注的是不能从燃烧室排放出来的高温残留气体。如果按照图形来考虑的话，压缩比为10.0的发动机上的活塞即使到达上止点，汽缸内燃烧气体仍会有10％的残留。

　　马自达的计算结果显示，当残留气体温度为750 ℃、新气温度为25 ℃时，如果残留气体占10％，那么压缩上止点的温度会上升160 ℃。相反，如果将残留气体的量从8％减少一半，降至4％，那么即使将压缩比从11.0提高到14.0，压缩上止点也不会上升。

加长排气歧管

　　此前，在减少残留气体的过程中存在的障碍是排气歧管。近年来，由于可先行对触媒进行激活，因此，发动机大多采用尽量缩短排气歧管、并将触媒配置在发动机后面的构造。然而，如果到排气歧管集合点的距离太短的话，就会像图5（a）上部所示的那样，第3气筒的排气阀打开后产生的较高排气压力，正好会到达排气阀与吸气阀两者均打开的交叠（Overlap）状态下的第1气筒。一度排放出去的尾气又被吹回燃烧室内，高温残留气体因此便会不断增加。

图5　采用4－2－1排气系统 （a）如果采用较短排气歧管的配置（上），则第3气筒的排气阀打开后产生的较高排气压力，正好进入排气阀与吸气阀两者均打开的交叠状态下的第1气筒。其结果是，一度排放出来的尾气被吹回燃烧室内，高温残留气体不断增加。如果采用4－2－1排气系统（下），则可避免这种现象，从而减少残留气体。（b）巻成环状后体型缩小了的4－2－1排气系统。

　　为了避免这种现象，马自达采用了增加排气歧管长度的4－2－1排气系统。通过首先将4条流路汇集成2条、然后再汇集成1条的方式，使各个气筒间的距离保持在相同状态。

　　要想减少残留气体，提高有效区段的扭矩，以往需要600mm的管长。马自达通过采用卷成环状的“Loop型排气管”，实现了节省空间〔图5（b）〕，但即便如此，就像前面提到的那样，排气歧管比以往更占地方却是不争的事实。

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　　这种排气系统的问题是，由于到触媒之间的距离太长，尾气的温度下降，触媒的激活会被延缓。虽然如果推迟点火时间，则可提高尾气温度，但燃烧会由此变得不稳定。

　　为此，新型汽油发动机在活塞的上表面设置了空腔（Cavity），通过在火花塞周围形成较浓的混合气，成功地实现了即使推迟点火时间仍可保持燃烧的稳定的性能。除了上述在燃烧方面的改进之外，马自达还着手降低发动机各部件的摩擦损失，最终总体上减少了2成左右的磨擦损失。

无需后处理即可减少NOx

　　新型柴油发动机SKYACTIV-D的特点是，由于实现了14.0的压缩比，因此，可不使用尿素SCR（选择性还原触媒）以及NOx（氮氧化物）吸收还原触媒（LNT）等昂贵的NOx后处理装置，就能满足欧洲Euro6、北美Tier2Bin5、日本“后新长期规定”等全球的尾气规定。燃效也比以往提高了约20％（图6）。

图6　SKY-D的燃效特性 与以往马自达造的柴油发动机、以及同类竞争车的发动机相比，燃效提高了约20％。

　　之所以能够颠覆“提高压缩比可使热效率增高”这一发动机设计的常识，成功地使燃效得到提高，这其中有2个理由。一个理由是，降低压缩比使燃烧状况得到了改善；另一个理由是，摩擦损失比以前减少。

　　之所以通过降低压缩比就能改善燃烧状况，是因为燃料与空气的均匀混合可促进燃烧。在以往那样压缩比较高的发动机中，活塞上止点的温度及压力非常高。如果在此状态下向燃烧室内喷射燃料的话，会在燃料与空气尚未充分混合时发生着火，燃料的一大部分因燃烧而形成高温，使得NOx（氮氧化物）的生成不断增加，由于是在氧气不足的情况下燃烧，因而煤烟的生成量也增多。

　　为了避免这种现象，以往的柴油发动机是等活塞略微下降、燃烧室的压力及温度降低之后，再喷射燃料。然而，这样一来由于是活塞开始下降之后才开始燃烧燃料，因此用于产生驱动力的冲程就会缩短（图7）。

图7　虽然降低了压缩比但燃效却得以提高的理由 在压缩比较高的老式柴油发动机（上）中，为了避免将燃料喷射到高温高压的燃烧室内，活塞是略微下降后才喷射燃料的。因此，用于产生驱动力的活塞移动冲程就会变短。但是，在SKYACTIV-D（下）中由于是在上止点附近喷射燃料，所以，用于产生驱动力的活塞移动冲程增长。

　　新型柴油由于压缩比较低，因而可时上止点的温度及压力降低。即使在上止点喷射燃料，由于距离着火的时间增长，因此，燃料与空气可充分混合，从而实现了均匀燃烧。（未完待续）