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）

2021-11-11 17:36:00

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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。

▲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。