新萄京棋牌官网登录发掘丢失的70%动能 解读马自达直喷引擎

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众所周知,马自达新一代汽车全都开始启用自创的创驰蓝天引擎技术,这一技术是世界低耗时代的开始,强大的吸引了当今时代无数购车者的眼球。创驰蓝天引擎技术的应用将会比现在的引擎耗油量减少30个百分点,全面的改善了引擎燃油的经济性。

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要说哪个汽车厂商把黑科技玩得“6”,马自达绝对排得上号。马自达最让人津津乐道的转子发动机技术,当年仅仅是为了躲避日本政府的车企合并政策,从德国NSU公司引进。谁知道“转子47壮士”-这帮“广岛”工科男就是那么较真,硬是把转子发动机塞到量产车里面,才有了后来的勒芒夺冠和马自达最经典的RX7
FD3S跑车。

除此之外,全新创驰蓝天引擎还将以高压缩比的优势向柴油机靠拢,也就是进一步减轻其温度和压力。由于点火正时延长,有助于燃料与空气混合而均匀燃烧,所以可以减少一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物、固体微粒等造成空气污染的物质。此外,由于可在燃烧室上止点附近喷射、燃烧,所以做功效率比一般高压缩比柴油引擎还要高。

根据统计,汽车在行驶当中发动机将汽油转换为动能的效率约有30%,也就是说燃料在燃烧时产生能量的70~80%会在过程中丧失,被白白浪费掉。这70%的消耗主要为以下几点:泵损耗、机械阻力、冷却损失、不充分燃烧。如果能够将这被浪费掉的部门转换成有效的动能,这会使发动机有着更出色的表现,不仅发动机的动力得到提升,油耗还会进一步的降低。在这样的前提下,马自达创驰蓝天发动机诞生了。

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马自达创驰蓝天技术的应用首先在马自达CX-5上试用,年销量20万的数据足以证明这一技术得到了全球的欢迎,低耗时代将要从马自达开始。

创驰蓝天发动机正是从提高压缩比、改善燃烧、减少机械阻力、发动机减重等方面着手,深挖传统内燃机浪费掉的70%动能,藉此得到改善节油性能和动力性的双重提升。基于这一创新研发成果,马自达创驰蓝天发动机多次入选沃德十佳发动机评选名单。目前创驰蓝天发动机在日本本土有汽油和柴油两种,而在中国市场以“创驰蓝天”技术武装的车型包括一汽马自达ATENZA阿特兹、长安马自达旗下的Mazda
CX-5及Mazda3 Axela昂克赛拉,均搭载了13:1高压缩比高效能直喷式汽油发动机。

总所周知,由于马自达“囊中羞涩”,RX8的接班人一拖再拖。这帮工科男无聊的时候就想着找点事情“鼓捣”一下,所以今天我们聊的是马自达另外一个看门黑科技,SKYACTIV
Technology-创驰蓝天技术。

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问题一:该发动机是如何做到将浪费掉的70%消耗转化为有效动能?

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原因1.高压缩比

第一代的创驰蓝天技术大家都比较熟悉,总结下来主要四个方面:高压缩比高效率发动机、高效率传动变速箱、车身轻量化、底盘悬挂的全面更新,这四方面最大的亮点要数压缩比达到13:1的创驰蓝天发动机。距离发布第一代创驰蓝天技术已经7个年头,显然以现在的标准看来不算什么黑科技了。于是乎马自达2017年8月发布了第二代Skyactiv-X-创驰蓝天技术,预计2019年正式推出。

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第二代Skyactiv-X-创驰蓝天技术采用称之为「SPCCI(Spark Controlled
Compression
Ignition)」的新技术,让压缩点火可能的区域最大化,使均质压缩点火得以在汽油引擎上实现。因此马自达官方表示,Skyactiv-X汽油引擎将比现行Skyactiv-G汽油引擎的扭矩再提高10-30%,汽油的燃烧效率提升20-30%,甚至表现将超越现行Skyactiv-D柴油引擎。

说起创驰蓝天发动机,想必最大亮点就是高压缩比。对于活塞式内燃机而言,提高压缩比是提升其效率最为有效的途径之一。目前市面上乘用车动机的压缩比一般控制在9:1-11:1的范围内,高性能车有12.5:1(如法拉利的V12发动机),而马自达的创驰蓝天发动机压缩比最终产生接近F1赛车的14:1全球汽油机最高压缩比(在中国因油品限制,压缩比为13:1)。更高的压缩比意味着燃烧室内的汽油混合物压力和温度都更高,从而带来更为充分的燃烧和爆炸力,让发动机有更好的动力输出。

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尽管发动机压缩比提高,但对油品的要求并不高,目前国内的92号和93号汽油均可满足车辆正常使用。这一特点,不仅突破了高压缩比发动机对油品有着较为苛刻要求的传统,也为用户在使用环节节约了燃油成本。

当我们还没看到第二代创驰蓝天技术在量产车上实际应用时,国外媒体爆料马自达正在研发第三代创驰蓝天技术,而Skyactiv-3的燃油效率或将达到56%。56%的燃油效率什么概念,丰田新的2.5L自吸发动机达到了目前汽油机的最高热效率——41%,这已是现时最高。如果马自达真的做到56%,那是把技术推到另外一个次元。

原因2.4-2-1排气系统

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相信要达成第三代的目标,马自达是要把第二代将会使用的SPCCI技术玩到底,而SPCCI技术的核心是均质压燃技术。压燃?是的你没听错,这个看似是柴油机的技术被运用到汽油机上。

压缩比提高了,发动机“爆震”现象或许就会出现。为解决这一问题,马自达工程师采用了重新设计的4-2-1排气系统,降低气缸的工作温度。所谓4-2-1排气系统,即首先将四条独立排气歧管交汇成两条排气歧管,然后再汇集成一条排气总管的方式。传统发动机采用的是4-1排气,排气管路较短,而4-2-1排气可以延长排气路径,减少燃烧室内的残余气体,以抑制爆震,同时还是能增加7%的填充效率,通俗的说就是让进气更加充分,从而提升动力。事实上这并不是马自达的独创技术,该技术一直被应用在F1赛车上,只不过马自达是第一个把该技术搭载到民用量产车身上的品牌。

这里需要科普一个小知识,大家不知道有没想过为什么汽油机采用点燃而柴油机则是压燃,根本原因是汽油和柴油的物理特性区别。汽油燃点427°;柴油燃点220°,但汽油的闪点只有-50~-20℃柴油的闪点>55℃。可见,汽油更容易被点燃,而柴油更容易在高温下自燃。

如图内,假设3号缸的排气阀打开后,产生的高压排气压力波会结束排气行程,到达准备进行吸气行程的1号缸。因此已经被排出的气体又被压回燃烧室内,增大了高温残留排气量。在4-2-1排气系统中,高压波传到其他缸体则需要较长的时间,其不良影响被限制在极地的转速区域,基本上可在全转速区域减少残留气体。

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原因3.多孔喷嘴、凹顶活塞

汽油更适合采用点燃的方式,因为这样做发动机就无需过高的压缩比,无需冒着容易爆燃的风险,这在以前电控系统不发达的年代无疑是明智的做法。相反,为了能顺利压燃,柴油发动机压缩比都比较高,一般在16:1~22:1之间,最高可以做到26:1。柴油机由于采用压燃,燃烧室内会多点着火,所以相对不容易爆燃,压缩比可以做得较高,热效率也会较汽油机高,在欧洲是相当盛行柴油机。

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在提高压缩比,重新排布排气布局后,改善气缸内的燃烧环境也是创驰蓝天发动机的技术特征之一,具体措施是加强空气流动、提高喷射压力、通过多孔喷嘴改善喷雾特性等,从而生成大幅改善的匀质、流动性强的混合气,同时也相应缩短混合气形成的时间。再加上采用设有凹槽的活塞,可以在火花塞周围形成较浓的混合气,使燃烧初期的火焰即可接触活塞,甚至推迟点火时间仍可保持燃烧稳定的性能,进一步防止了爆震的产生。

尽管都是压燃,但柴油机也是有相对集中的着火点,然后火焰在缸内传播,由于燃烧温度过高会产生NOx和PM。HCCI的概念出现得也很早,二冲程机器上的HCCI出现在1979年,而四冲程机器上的HCCI燃烧模式则是在1983年。为什么大家今年开始大力研发HCCI均质压燃技术:

原因4.结构轻量化——减重

1、因为HCCI技术可以实现更稀薄的燃烧,在实验室中空燃比甚至高达36.8:1。

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结构轻量化,减少内部摩擦是提高发动机效能非常有效的手段之一。通过对发动机内运动的部件(活塞、连杆、曲轴等)进行轻量化和降低机械阻力,有效提高发动机的响应性和提升发动机效率。创驰蓝天汽油发动机改进了气门传动机构,降低了50%的机械阻力,同时减少活塞环张力降低机械阻力37%,最终实现发动机整体的机械阻力降低30%。而对活塞、连杆曲轴等位置的轻量化,以降低运动机件的运动惯量,其中活塞和活塞销减重20%,连杆轴减重15%,曲轴主轴颈减重6-8%,最终发动机减重10%。发动机整体质量的下降对降低车辆油耗起到了作用。

2、HCCI燃烧迅速,多点同步发生而且没有明显火焰前锋,燃烧温度低且温度分布较均匀,因此只生成很少的NOx和PM。

问题二:搭载高压缩比直喷引擎的马自达车型有什么优势?

3、由于HCCI发动机同时在多点着火,减少了节流损失,稀混合气可采用较高压缩比,接近于理想的等容燃烧,提高了热效率;同时燃烧温度低,降低了与气缸壁面的传热,也使热效率得以提高。

以搭载于马自达ATENZA以及CX-5车型上的2.0L自然吸气发动机为例,通过13:1的高压缩比汽油直喷发动机技术以及4-2-1排气管路独特设计的运用,将车辆的燃油经济性能和动力输出性能同时得到了提升。

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1.低油耗

这几项优点都让人们看到了内燃机继续发展下去的希望。虽然马自达最早宣布要使用在量产车上,但实际上这项技术被奔驰早就玩透了。自从F1进入1.6T时代,奔驰凭借HCCI均质压燃技术,已经车队年度4连冠了,动力差距巨大让人望尘莫及。既然HCCI可行,为什么其他车队不效仿呢?也不是没有,本田就想复制奔驰的神话,采用HCCI均质压燃技术,但结果大家看到,他们完全找不着北,动力单元输出功率甚至比传统的TJI技术还要小。可见HCCI均质压燃技术不是你说用就用,用得好就厉害,用不好就变笑话。

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搭载创驰蓝天发动机及变速箱的马自达车型,凭借创驰蓝天技术,通过大幅加宽离合器锁止范围,让燃油经济性提升4%到7%。对于阿特兹这样一款轴距2830mm的B级车,2.0L车型的百公里综合油耗最低仅为6.3L,而同一价格区间的同级别车型百公里油耗均在7升以上,例如同为日系品牌的广汽本田雅阁百公里油耗7.6L/100km。

奔驰的F1赛车发动机使用“HCCI”技术

2.更强劲的动力输出

所以,马自达勇气也确实可嘉,而且在量产车上使用和F1赛场不同。量产车需要考虑成本,而且民用汽油和赛用汽油抗爆燃性完全不同。要汽油成功压燃,高压缩比少不了,马自达利用18:1的超高压缩比实现压燃。但高压缩意味着负荷过高时会容易爆燃,而压燃在负荷低时容易失火,所以HCCI均质压燃技术的运转工况会比较窄。那马自达解决这一难题的核心手段是什么呢?

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此外,搭载马自达2.0L直列四缸自然吸气缸内直喷发动机的车型在动力性能上也得到了提升。马自达阿特兹搭载了2.0L直喷引擎,通过对比排量相当、进气/供油形式相同的日产MR20DD发动机后发现,在功率和扭矩输出上,马自达2.0L直喷引擎将更胜一筹。

就是刚刚提到的“SPCCI”(Spark Controlled Compression
Ignition火花压控压燃):使用火花塞点燃一部分混合气,燃烧产生推力(类似一个虚拟的小活塞)进一步挤压其他未能点燃的混合气,突破汽油自燃的临界点,人为触发压燃。

从40年前坚持推行转子发动机,到如今创造的超高压缩比创驰蓝天发动机,马自达一直保持着自己的特立独行。当然创驰蓝天技术不仅仅是针对发动机,还有对变速箱、车身、底盘进行的全面革新。这一技术也同样体现着马自达的精神。

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SPCCI技术有两大好处:

1,发动机在不同负荷和转速下,有不同的进气和喷油策略,不同地区的油品也都不同。SPCCI通过将火花塞变成一个大小可变得虚拟活塞,可以在更宽泛的负荷/转速/燃油标号的情况下随意控制大活塞在上止点时气缸内的压力,根据需要来触发压燃。这就使得压燃可以在更宽泛的转速区域内实现,同时还能适应不同的油品。

2,由于火花塞没有被取消,因此在一些冷车、高转速/大负荷区域等不适用压燃的时候,通过ECU的指令,改变喷油和点火策略,可以无缝的切换成传统的点燃模式。汽油机的高转速特性得以延续。

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同时,为了压燃能覆盖尽量多的工况。马自达在二代发动机上搭载了一个“快速响应式辅助进气”模块。目的是为了在发动机高负载工况下能够打入更多的空气进入气缸提高缸压,达成压燃。

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虽然马自达已经进一步透露了对于第二代创驰蓝天技术所使用的发动机技术。但说得总是美好的,具体在实际应用的表现如何,特别是对不同油品的适应性,也有待观察。不过以马自达的“尿性”,我还是非常期待Skyactiv-X来到民用车市场的这一天。

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