马自达的火花塞点火控制压燃点火系统

有很多原因能解释为什么不是所有人都愿意开电动汽车。你可能已经想到了两三个原因，但让我加一个，我相信你肯定没有想到。它是电动车的一个大障碍，但很少被提及。

这就是内燃机，它绝没有停滞不前。它在发展，而且发展得很快。

马自达的火花塞点火控制压燃点火（SPCCI）系统是最能诠释这种灵活不懈、努力进取的例子，该系统计划在2019年末以新型内燃机的形式与购车的公众见面。马自达借用了柴油发动机的技术，将燃料-空气混合物压缩到自燃点，而不是像汽油发动机那样用火花塞点火。这是继20世纪70年代开始快速发展的电控燃油喷射之后，内燃机取得的最大进展。

这款新型发动机在某些条件下以压燃方式运行，就像柴油发动机一样，在另一些情况下以火花塞点火方式运行，就像标准的汽油发动机一样。它将以创驰蓝天-X（Skyactiv-X）的名称销售，采用马自达当前的发动机设计创驰蓝天-G（G代表汽油）。“我们称之为创驰蓝天-X，因为它融合了汽油和柴油技术。”马自达动力总成工程师陈杰（Jay Chen，音）在新闻发布会上表示。

马自达宣称，2.0升四缸创驰蓝天-X的扭矩比创驰蓝天-G大10%到30%，燃料功率高20%到30%。因此，使用2.0升创驰蓝天-G作为参考，创驰蓝天-X的扭矩介于224到264牛米之间。如果将其用在紧凑车型马自达3中，并假设它只有最低限度的混合动力设计，那么它油耗将为百公里6.36到5.88升之间（合每加仑37到40英里）。但马自达尚未宣布创驰蓝天-X将搭载哪款车型首次亮相。

确实，纯电动汽车的数据表现更好。美国环境保护署认定雪佛兰Bolt EV的电动汽车当量为 119每加仑英里数（mpg，即1.98升/100千米）。另一方面，Bolt充电一次只能行驶383千米，而搭载创驰蓝天-G发动机的马自达3，加一箱汽油可行驶785公里。

“创驰蓝天-X最重要的一点是证明了内燃机并没有死去，电动汽车也不是稳操胜券。”行业咨询公司太平洋汽车的总裁乔治•彼得森（George Peterson）说道，“在电动车的成本和行程问题得到解决之前，内燃机动力系统还是富有活力的。”

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要想理解SPCCI的工作原理，要从3种内燃机——柴油发动机，标准汽油发动机以及SPCCI的先驱、名为均质压燃（HCCI）的发动机——的基本点火原理开始。

在理想的燃烧中，每个烃分子和一个氧分子配对，生成水和二氧化碳。分子间存在化学上的理想比率，工程师称之为λ=1。如果有更多氧气，在稀薄燃料条件下燃烧，λ就大于1。这对降低燃料消耗来讲是好的。并且，因为稀薄燃烧比λ=1的燃烧温度低，产生的氮氧化物污染也较低。

然而，让稀薄混合燃料燃烧并没有那么容易。“混合物中的燃料越少，点燃就越难，”陈杰解释道，“就像要点燃点火液不足的烤肉炉一样。”

HCCI和SPCCI发动机中使用的解决方案是：压缩空气-燃料混合物，直到它的温度足够高、压力足够大，最后自发点燃为止。柴油发动机也使用这种压缩点火，但它们首先将纯净空气压缩进燃烧仓中，然后喷入柴油燃料。只有这样燃料才能燃烧起来。

这个顺序很重要，因为火焰是由燃料喷入点扩散到燃烧室的其余部分的。前面扩散火焰的高温导致柴油排放出特有的烟灰颗粒和氮氧化物。

在HCCI燃烧中，在压缩冲程，空气和燃料在汽缸内混合，并均匀扩散到整个燃烧仓，就像在直喷型汽油发动机中一样。只有在扩散和混合之后，它们才被压缩到自动点火点，就像在柴油发动机中一样。

因此，在传统的汽油发动机中，燃烧开始于火花塞；在柴油发动机中，燃烧开始于燃油喷射器；在HCCI发动机中，燃烧立即发生在整个燃烧室。这会导致强烈的燃烧反应，与其他两种类型的发动机相比，HCCI发动机在发动机动力冲程期间向下对活塞施加更大的力。在压缩冲程中，汽油发动机和柴油发电机都必须在活塞仍在向上移动时点燃燃料，当活塞在接近其冲程顶端时，使气缸压力达到峰值。

“这意味着活塞仍在向上移动时，已经形成压力，”陈杰说，“活塞不得不对抗当前的压力。”

“如果我们进行压缩点火，它可以在非常短的时间内发生，我们实际上可以把活塞上止点的压力峰值作为目标。”陈继续说，上止点是一个行业术语，在这一点，汽缸容量处于绝对最小值。“这样一来，所有能量都立即得到释放，然后砰的一声！以最大的力量向下推动活塞。燃烧相同数量的燃料，压缩点火可以比传统的火花塞点火得到高得多的压力。”

要实现这一点，HCCI发动机需要以非常高的压缩比运行，就像柴油发动机一样。美国桑迪亚国家实验室（提供数据的外部资源单位之一）的数据显示，HCCI发动机通常以高达14:1的压缩比运行。传统涡轮增压汽油发动机的压缩比通常为10:1左右，而柴油发动机，例如公羊皮卡上常见的康明斯5.9升涡轮增压柴油发动机，其运行压缩比是17.2:1。

然而，HCCI发动机并不总能控制好自发燃烧的时间，使自发燃烧刚好发生在活塞通过压缩冲程的上止点，并向下移动开始做功冲程。因为它们所处的环境变化迅速，需要驾驭混乱的极高温放热化学反应，根本无法实现精确控制 。

正如陈杰所说：“只要汽缸内的空气和燃料达到临界温度和压力，就会发生燃烧。”

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因为HCCI燃烧只能在适当的负载条件和发动机速度下进行，所以HCCI发动机需要火花塞以传统的点火模式运行。这时挑战就开始了。在HCCI发动机中，压缩点火是自发的，因此很难确切知道汽缸的空气和燃料混合物何时会被点燃。如果我们青睐的这种迅速而强力的燃烧在做功冲程中过早发生，而活塞还处于压缩冲程的上升过程中，则发动机可能发生灾难性损坏。但发动机负载、节流阀位置以及温度是在不断波动的，如果在某一个瞬间它们突然产生高于压燃所需的压缩比，那么这种过早的点火就很难被阻止。

马自达巧妙地解决了这个问题，最初让发动机只喷射很少一部分燃料。这个方案能确保混合燃料很稀薄，无论条件如何都不会提前点燃。“然后在压缩冲程中，在更高压力下喷射大量的燃料。燃料会雾化，但没有同样足够的时间来加热，这样也就没有足够的时间达到自动点火的温度阈值。”陈杰解释道。

那么，如何把握这种稀薄混合燃料在循环中最合适的时机点火呢？马自达针对该问题提出了一个创造性解决方案，即使SPCCI发动机的压缩比为大约16:1，刚好低于该发动机中压缩点火的阈值。

早些时候，在温度、发动机负载、节气阀位置和转速不适于压缩点火的情况下，HCCI发动机需要火花塞来执行传统的操作。但马自达的工程师们意识到，通过操纵压缩舱的条件，可以在舱内用火花塞进行局部点火。扩散的火焰前缘增加了整个燃烧仓的压力，有效地提高压缩比，使整个燃烧仓立刻触发燃烧。

这又造成了点火液的问题：如何在燃料混合物过于稀薄而无法点燃的情况下，点燃这个高压火球？马自达的解决方案是，靠近火花塞创建一个不那么稀薄的区域，仅凭压缩即可比较容易地点火。这样火花塞即可点燃火球，火球膨胀会增加整个汽缸的压力，引发压力点火。换句话说，火花塞的作用不是点火，而是助燃。

创建这样一个局部的“不那么稀薄的区域”并不容易。“我们不能只是把燃料放进去，然后让它的浓度略微增加，因为它会（和舱内其他的一切物质）相混合。”陈杰解释道，“为了隔离这个‘不那么稀薄的区域’，使该区之外仍然非常稀薄，我们引入了汽缸涡流。”

就像咖啡师创造艺术拉花一样，也可以让引入汽缸中的空气-燃料混合物按照精心设计的图形旋转。但马自达工程师们没有画出异想天开的心形，而是引导气流以火花塞为平静的飓风眼，像飓风一样旋转。

“我们通过汽缸盖上的端口设计在汽缸中产生这种旋涡，同时我们还有精益增压器帮助传送大量的气流。”陈杰说，“气流越多，或是流动得越剧烈，我们就能得到越多的湍流和涡流。”创驰蓝天-X发动机将额外的一些燃料注入到这个被隔绝开的湍流中，注入量刚好足够让火花塞点燃火球，在精准的瞬间引发整个汽缸内的自发压缩点火。

研究HCCI发动机的其他汽车制造商（特别是通用汽车和奔驰公司）在发动机从HCCI模式平稳切换为传统火花点火模式时遇到了一些问题。主要是当转换发生时，车辆会有大约1秒钟失去一部分动力。如果某些驾驶条件组合在一起，要求发动机频繁地反复切换模式，这个问题就会很明显。

通用汽车公司坚持认为，这些问题并不重要。“我们在2007—2008年间所展示的通用汽车HCCI开发车辆就已表明，驾驶性能和模式转换并不是商业化生产的主要障碍。”通用汽车发动机系统集团经理保罗•纳吉（Paul Najt）说。在他看来，商业化的主要挑战是如何将HCCI和其他技术（例如选择性汽缸暂停）经济地组合在一起，实现更好的燃料经济性。

陈杰解释，SPCCI从HCCI切换到传统火花点火没有任何问题，因为它不会将火花塞打开又关闭。它只是改变火花塞的使用方式——点燃燃料混合物或提升压力使其自燃。

“因为无论是压缩点火模式还是火花塞点火模式，火花塞都一直在运行，这就可以将压缩点火的范围扩大到遍及大多数发动机转速和发动机负载情况，”陈杰说，“只有在发动机速度非常高的情况下，我们才切换回火花点火模式。”

这就是SPCCI与HCCI的不同之处。“在传统的HCCI发动机中，每次模式切换都会有瞬间的停顿，”陈杰说，“而这种停顿会导致驾驶性能的降低。你每次踩油门时，都可能出现卡顿，然后在模式转换时又会出现卡顿。这样驾驶性能就有问题，这就是传统的HCCI发动机从未进入市场的原因。它在实验室表现很好，或许它作为概念很好，但客户不会接受它。”

对于SPCCI，马自达通过为发动机配备快速电子气门正时致动器，设法克服这些问题。马自达还增加了传感器，可以在每次点火时直接测量每个汽缸的燃烧压力。这种高速监控让管理发动机的计算机对紧邻点火区的汽缸冲程进行调整，确保其以最佳状态运行。

在SPCCI切实投入生产的道路上，克服HCCI早期应用中的驾驶性能问题可能是一项最重要的成就。但陈杰说，他最为自豪的事实是，马自达完全依靠现成部件，促进了燃烧前沿技术的提升。

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马自达在汽车界的排名并不靠前。其汽车年销售量为156万辆，与丰田的1000万辆相比是小巫见大巫了。因此，马自达似乎不太可能成为提高前沿内燃技术水平的候选者。但该公司创造过这样的历史。20世纪70年代，它成为第一家也是唯一一家将Wankel转子活塞发动机投入量产的制造商。20世纪90年代，它开发了增压米勒循环发动机，这和创驰蓝天-X密切相关，因为二者的发动机设计都运用发动机驱动的增压器将大量空气注入汽缸。典型的性能导向型增压发动机，例如527千瓦（707马力）的道奇挑战者Hellcat Hemi V8，利用压缩机将空气填入汽缸，从而提高输出功率。

和传统的增压器一样，这种空气补给方案采用中间冷却器来帮助冷却进气量。进入的空气大部分是经过再循环的废气。在进行冷却的同时又能提高空气密度，从而将更多的氧气置入燃烧仓中。

创驰蓝天-X的一大特色是还配有一台混合动力的辅助电机，具有经济型发动机的特征。该发动机采用“温和”混合动力传动系统，这意味着电机不能单独推进汽车。发动机的皮带带动着汽车中一台非常小的交流发电机，它比“强劲”混合交流发电机要小，但比传统汽车中的普通12伏电池要大一点。马自达汽车允许交流发电机汽车在减速过程中获取能量，将其储存到电池中，然后将其用于无缝关启汽油发动机。（冷启动由常规起动电机执行。）

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数字技术的进步不仅推动电动汽车发展，同样也延长了内燃机的生存期。确实，诸如活塞、曲轴和阀门等基本的活动部件基本没有大的变化，但由汽油燃烧获取能量过程的所有细节都在不断变化。

计算机提供的建模和分析能够帮助人们以前所未有的深度理解燃烧过程。实际上，麻省理工学院的绿色研究小组已经开发出一种可以在个人电脑上运行的燃烧模型。麻省理工学院发动机仿真软件（MITES）跟踪了4000个可在燃烧中发生的化学反应；该项分析使其能够描述HCCI发动机运行范围的特征。除此之外还有其他发动机开发技巧，包括使用带有透明石英汽缸的发动机，气缸中配有激光传感器，可以一览燃烧舱内部的反应。当然，像马自达这样的汽车制造商拥有足够的计算资源，可以在建造测试发动机前，对复杂的燃烧事件进行建模，但若是拥有在个人电脑上运行的建模工具，那么也可以让其他人以较低的成本研究这个正在发展的领域。

MITES的开发者们在一篇描述所用工具的论文中指出：“HCCI发动机对燃烧化学的细节比（火花塞点火）和柴油发动机更敏感，因此，如果对HCCI发动机内发生的物理和化学过程没有真正的理解，就很难开发出实用、高效、强劲的发动机。”

除了汽缸压力传感器之外，创驰蓝天-X的所有部件和今天发动机中的基本相同。“在硬件方面，我们也没有改造发动机，”陈杰说，“发动机中的所有部件都是创驰蓝天-X问世前市场上就已存在的。”

这种与过去的延续性为马自达唤醒的魔法做出了一点解释。内燃机不是焦枯的历史遗迹，而是一项生机勃勃、不断发展的技术。汽油动力装置继承了无数的投资和独创，将继续抵挡来自电力推进的挑战。对下一代驾驶者来说，很多车型中依然会安装汽油动力装置，再下一代也将如此。