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高压缩比之迷 马自达创驰蓝天技术解析

2014-01-27 06:55:50 来源:网上车市   原创    作者:冯绍耕   编辑:冯绍耕   

谈到现如今的日本车技术,油电混合动力红级一时,而并不擅长这项技术的马自达当然希望秀其它方法来展现自己。在强调用尽每一滴燃油的当下,马自达祭出“创驰蓝天技术(SKYACTIV Technology)”。在各路媒体大肆宣传下,“创驰蓝天”、“超高压缩比”让马自达CX-5几乎成为技术神话。在“创驰蓝天”这么富有诗意的名字背后到底有哪些厂家不愿说的秘密呢?

■什么是创驰蓝天

SKYACTIV是马自达将自家最新技术应用的一个集合,其中包括了发动机、变速器、车身和底盘技术。SKYACTIV的中文名称叫做“创驰蓝天”,可以看出,这套技术的重点就是提升车辆的经济性,因此更具新意的动力设计就是技术上的重中之重。

■高压缩之迷

马自达CX-5不是第一款使用“创驰蓝天”技术的马自达车型,但却是国内打响创驰蓝天名号的主力车型。高达13/1的压缩比堪比CTCC场地赛车,却又不需要用赛车专用的超高辛烷值汽油,也不会发生爆震。莫非马自达真在一款民用城市SUV上运用了什么不计成本的高科技不成?当然不会,马儿特能跑,还不吃好草。这问题一定出在马的种类上。要搞清这个问题,我们先要弄明白爆震和压缩比的关系。

■什么是爆震,与哪些因素有关?

爆震又称爆燃,是指燃烧室内的混合气体在火花塞点火后自燃而不遵循正常的火焰传播过程。这样的燃烧过程不可控也损伤发动机。在使用固定辛烷值汽油的情况下,爆震主要与点火提前角和待燃压力有关。也许你接受过厂家官方的洗脑或是查阅了某度百科,它们会告诉你爆震取决于压缩比。那我们接下来就详细说明为什么压缩比不是决定是否产生爆震的根本因素。

■压缩比的定义与实际压缩量

在常见的往复式活塞发动机中,压缩比的计算方法就是指活塞在下止点时的气缸内的最大容积与气活塞在上止点时气缸的最小容积(燃烧室容积)之比。在上图中,A区域的容积就是气缸完成吸气后的最大容积,B区域就是常说的燃烧室容积,A÷B得到的比值即为压缩比。而广义上压缩比的定义就是发动机混合气体被压缩的程度。如果在上图中从容积A压缩到容积B这段时间内,气缸保持密闭、混合气的总量保持不变的情况下,A÷B的确能直观的反应出混合气被压缩的程度。

民用车上使用的发动机大部分都采用了奥拓循环,在活塞的压缩和拉伸两个行程中,由于进气门和排气门均关闭,气缸可以看作为一个相对密封的容器,混合气的压缩量和膨胀量几乎是一致的。但如果活塞压缩的过程中,有一部分气体溜走了呢?混合气的被压缩程度就不能用压缩比这样狭义的数值直观的反应了。这就引出了下一个概念,米勒循环与实际压缩量。

■米勒循环与传统奥拓循环的区别

两张发动机配气相伴图,对比可以发现,下一张图中活塞在运行到下止点后,进气门并没有及时关闭,气缸内的气体又经过了惯性进气和进气反流(将吸进的气再排出去)两个过程。通过将进气门关闭时机延迟至活塞下止点后的某一个度数,使混合气的实际压缩量小于爆炸后的膨胀量,这就是“米勒循环”。采用了米勒循环的发动机,无论混合气的实际压缩量如何改变,但活塞、曲轴、气缸体均与传统奥拓循环发动机一致,所以活塞在下止点时气缸的最大容积与燃烧室容积这两个数值是固定的不会改变。正因如此,在计算传统的压缩比这个数值时,米勒循环发动机会非常高,但燃烧室内的待燃气体压力却并没有比奥拓循环发动机的大多少。

■米勒循环有什么劣势,常见有哪些应用?

在发动机低转速时,单位时间内气缸吸入的空气并不多,本来就稀薄的混合气在“反流”之后变得更少,这让该类发动机低速扭矩表现很差,用于车辆起步或是冷车的怠速运转,显然有些力不从心。

我们经常能在各种混合动力车型上看到米勒循环发动机。究其原因,混动车型并不在乎低速的“不在状态”,因为这个时段有电动机在为车轮提供动力,发动机的大多时段都是在发电,所以发动机可以在在油耗最优异的转速运转。用电动机的大扭矩弥补动力的缺陷,互补之后的动力总成,让混合动力车在动力和经济型上都有着突出的表现。

■米勒循环与奥拓循环的切换

实际上,CX-5的创驰蓝天发动机并不是在全部工况下进气门均延迟关闭。一旦进气门的关闭时间恢复正常,它就确实成为了一台高压缩比高膨胀比的发动机。而米勒循环与奥拓循环之间的切换就主要跟进气门的关闭时机(气时)有关。

发动机的蓝色部分采用了米勒循环,制造了气体压缩量小于膨胀量的情况,减少泵吸损失。这部分是指在在中速均速行驶的情况,此时发动机负荷较小,并不需要较大的扭矩输出。而需要较大扭矩输出的黄色部分则采用了奥托循环,以实现较高动力性能。

■马自达如何弥补米勒循环的劣势?

创驰蓝天发动机目前并没有采用电动机作为辅助,那他如何克服米勒循环状态下的固有劣势呢?秘密就在于CX-5不同于大多数民用车的排气头段。CX-5上应用了改装车常用的4出2出1排气头段,籍此来改善低转速扭矩薄弱的问题。

民用车上排气头段通常为4出1布局,节省管道材料是其中一个目的,但更重要的却是为了环保。在各国尾气排放法规越来越严格的今天,如何增强三元催化器中触媒的活性是关键课题。而4出1排气歧管与三元催化的距离近,较高温度的废气使它更快进入工作状态,气体反应更活跃,环保效果好。但这样的排气也会缺点,由于四个气缸排出的废气短时间内就汇聚到了一起,各个气缸在每一次做功后排出的废气并没有充分时间和空间形成回压,对于同一气缸下一次排气起不到积极的引流作用还会造成各气缸间的排气干涉。表现在实际行车中就是低转速扭矩较弱。而4出2出1的排气头段由于各个气缸排出的废气汇聚到一起之前经过的距离较长,能形成有效回压,这样的回压对于下一次排气有着积极的引流作用,排气更通畅,扭矩自然得到提升。

■一切为了省油,却带来了哪些负面问题?

但4出2出1的排气头段无疑增加了材料成本也增加了排气战胜的空间。马自达CX-5的轴距达到了2700mm,相比于同级对手CR-V和RAV4轴距都要长,但在车内空间上却没有什么优势。这其中或许就有由于复杂的排气头段占用了较多的纵向空间问题。在消费者对车内空间要求越来越高的今天,为了排气而牺牲一些乘用空间,不知消费者会不会乐意。

而4出2出1的排气头段让气缸排出的废气达到三元催化器所用的时间更长路程更远,带来的弊端就是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,这对控制尾气中的污染物非常不利。虽然如果推迟点火时间,则可提高排气温度,但燃烧会由此变得不稳定。如何解决稳定的燃烧和净化尾气这对矛盾体,同时还要保持耐用度,这对技术部门提出了更高的要求。

上世纪四十年代,美国人Ralph Miller受到阿特金森循环发动机的启发,将这种膨胀比大于压缩比发动机进行了改进发明了米勒循环发动机。七十多年后,丰田和本田将这种发动机匹配电机创造出一部部全球好评的混合动力汽车,但并不擅长这项技术的马自达却似乎力不从心。积极的消息是,马自达的技术部门正在全力研发马达助力驱动技术。未来的路,创驰蓝天不会独行。

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