淺談引擎科技《Mazda SPCCI》火星塞控制壓縮燃燒《SKYACTIV-X》技術門檻高(五)

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如果您還沒有進入狀況,可以先從以下報導快速瞭解Mazda為何積極推動直六引擎+後輪驅動技術平台,包含汽、柴油直六引擎都會出現,此外還會有PHEV動力,電池模組放哪裡Mazda原廠已規劃妥當,本篇主要敘述馬自達目前獨步全球的類HCCI均質填充壓縮燃燒運作模式的SKYACTIV-X汽油引擎,未來也有會直列六缸式樣。不過省油、節能、環保是一回事,站在銷售端的立場,SKYACTIV-X引擎最大的問題乃是~不適合應用在低價位車款,應該朝向中、高端路線發展,且看以下說明。

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▲Mazda SKYACTIV-X壓縮燃燒汽油引擎應用範圍相當廣,包括馬6、馬3、CX-5、MX-5、CX-30,未來SKYACTIV-X科技將應用在直六引擎,此與銷售端很有關係,因為此科技適合高端商品,不適合入門等級,除非有環保法規相關限制作為誘因。

四種引擎架構 外加馬自達SPCCI變種人

目前內燃機之進氣、供油、燃燒設計大致上可以區分成四大架構以及一個突破盲腸的變種人,來者何人?當然是Mazda SPCCI引擎,又稱為SKYACTIV-X。

HCSI=HC均質填充+SI火星塞點火=多點噴射自然進氣汽油引擎=燃燒速度慢+中效率+低成本

SCSI=SC分層填充+SI火星塞點火=直噴汽油引擎=燃速慢+高成本+更多污染

SCCI=SC分層填充+CI壓縮燃燒=柴油引擎=高效率+高成本+高污染

HCCI=HC均質填充+CI壓縮燃燒=引擎神話=高效率+高成本+低污染

SPCHCCI=SPC火星塞溫度控制+HC均質填充+CI壓縮點火=Mazda SKYACTIV-X引擎=高效率+高成本+低污染=簡稱SPCCI引擎

從以上的分析與敘述當中,不難看出HCSI引擎最適合國民車使用,便宜又不容易壞,污染問題也不算嚴重,況且Toyota RAV4使用的Dynamic Force全新引擎或是Nissan、Honda等車廠的新世代自然進氣引擎(採用多點噴射或是「多點+直噴」雙供油系統),熱效率已經接近或等於40%,其實和燃燒效率達50%的柴油引擎沒有很大的落差,論及實際用車成本(購車+燃費+維護+稅金),HCSI引擎往往比其它動力更經濟實惠,因此個人並沒有那麼推崇直噴渦輪引擎或是柴油引擎,除非您不在乎經濟問題但是很重視駕馭樂趣。

如果您是動力科學相關人士,或是講究極致哲學的高端玩家,那麼HCCI引擎絕對是「萬佛朝宗」唯一最佳途徑,「高效率+低污染」完全符合未來動力趨勢,高成本沒有關係,反正SCSI、SCCI引擎也不便宜,終極之作不可能不付出相對代價。然而此「引擎神話」有沒有任何車廠、船廠、飛機廠挑戰成功?答案是~只有實驗引擎沒有市售引擎,賓士、Honda、GM、VW都有相關實驗引擎,然而量產的困難度在於「可以使用HCCI運作之轉速區域與時機很窄」。

比如說HCCI「均質填充壓縮燃燒」運行狀態必須限制在1500~3500rpm之間,多數時間與轉速依然採用中低效率的HCSI火星塞點火,而且面對極大的高低負荷變化,也就是當燃燒室產生較大的壓力與溫度變化,HCCI運作很容易失敗。讀者必須知道,引擎不燃燒「死火」是一件非常嚴重的問題,不只是會喪失動力和運轉不順,還會損壞機件與觸媒。因此這些HCCI實驗引擎完全無法對應一般道路行駛狀態、根本不可能量產與市售,唯一辦法就是朝「發電機」方向發展。至於多數車廠無法市售的理由,幾乎都是成本過高,不會承認技術上的問題與障礙,不過這些廠商最終放棄HCCI引擎的最大原因,乃是Hybrid動力所做出來的油耗與廢氣排放數據更漂亮「非常多」,PHEV更不用說了!更容易通過環保法規。整體來說,油電混合動力系統投資報酬率高、技術門檻低,誰還想玩HCCI?

▲SKYACTIV-X仍是以汽油引擎為基礎加以改造的新引擎,成本並不低,較為昂貴的部分為機械增壓系統,以及近似於柴油引擎等級的高壓共軌直噴供油系統,但是和柴油引擎比起來,SKYACTIV-X觸媒相對便宜,因為污染相對低很多,所以整體來說還是沒有柴油引擎那麼昂貴,只因產量與研發費用等問題,所以目前來看並沒有比柴油動力便宜!

▲此為汽油引擎、柴油引擎、壓燃汽油引擎的比較,前二者都有高溫的缺點,壓燃汽油引擎燃燒溫度相對低,不容易產生頭痛的NOx污染,PM微粒污染也相對低很多,但是技術門檻不只是高,而是非常高!

柴油引擎不可能做出HCCI均質填充+壓縮燃燒

談論Mazda的SPCCI引擎之前,先來探討二個問題,第一個就是「柴油引擎能不能做出HCCI架構」?答案是不行!如果可以的話,這世界上就不會有SCCI分層燃燒柴油引擎了,通通用HCCI均質填充+壓縮燃燒就好,不只環保、效率也好,所以HCCI引擎不論實驗或市售版本通通都是汽油引擎。為何柴油引擎無法做出HCCI架構?必須先來看看下方數據分析,簡單說就是「柴油質地太黏稠難以汽化」!沒有辦法採用HC均質填充方式運行,就算採用史上最強、汽化手段最極端的汽缸內高溫+高壓噴射系統(就是目前柴油引擎的運作方式),都沒有辦法達到完全均質填充狀態,科學家們盡力了!

汽油:沸點30~205℃、閃燃點-50~-20℃、燃點510~530℃

柴油:沸點170~390℃、閃燃點55℃以上、燃點350~380℃

第二個問題就是「汽油引擎採用HCCI運作方式為何那麼困難」?因為汽油的燃點很高,比柴油引擎更高,如不考慮爆震問題,將汽油注入柴油引擎內,運行至活塞上死點也不會產生壓縮燃燒反應,必須使用更高的壓縮比才行。然而汽油有一個非常難搞的特性,那就是閃燃點非常非常低,即便是在冰天雪地、極為寒冷的環境下,依然可以使用打火機點燃汽油(表面燃燒、不會爆炸),如果是柴油在常溫下則是難以點燃。

因汽油閃燃點非常低的特性,所以汽油引擎壓縮比稍微提升後,如12:1,尚未達到柴油引擎16.5:1的境界,汽油引擎就很容易出現「爆震」,也就是尚未等到火星塞點火,汽油就會開始自燃,發生位置與時機「無法精確控制和預測」,所以請不要異想天開、用爆震直接取代火星塞!如果真的可以這麼做,相信您將有機會獲得XXX發明獎並獲得高額的專利收入。因此汽油引擎設計之一大難題,就是如何在火星塞點火前不發生爆震問題,點火瞬間又要迅速強勁充滿震撼力!

是的,汽油引擎就是這麼難搞!高壓縮比會爆震減損動力傷害引擎、不使用火星塞無法一口氣燒個乾乾淨淨,為何這麼多動力工程師在HCCI引擎上通通卡關?因為「汽油」這東西真的難搞!即便Mazda研發出SKYACTIV-X引擎,汽油品質依然是一個頭痛問題!但話說回來,汽油的成分比柴油相對潔淨,燃燒後的污染物相對低,比較沒有臭味問題,因此站在環保立場,Mazda還是力挺汽油引擎,未來10年甚至20年依然有商機。為了讓讀者有時間消化以上種種分析,關於SKYACTIV-X引擎之設計奧秘下回分析。

▲GM的HCCI引擎始終都處於實驗階段未曾量產市售

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