內燃機的嶄新篇章,Mazda Asian Tech Forum 2018:SKYACTIV-X 介紹

Mazda 在眾多日系品牌中是具備偏執狂個性的車廠,雖然規模不大,但卻非常勇於挑戰不可能的事物,從轉子引擎的開發、附帶壓力波增壓器的柴油引擎、米勒循環引擎等,雖然屢屢劍走偏鋒因而在銷售量、生產規模上無法與其他品牌競爭,但 Mazda 也不在乎,他們只管著打造出能感動消費者的車款,更不斷的精進自己的造車工藝與技術等。而這次 Mazda Taiwan 為了先行鋪成之後新世代車型的上市,邀請了台灣媒體們參訪了「MAZDA ASIAN TECH FORUM 2018」技術論壇,不過因為說明的東西非常多,因此筆者將會拆成四篇來跟讀者們分享,首先介紹的就是大家最感興趣的「SKYACTIV-X」均質壓燃引擎!

 

"Zoom-Zoom" 永續發展宣言 2030

P1.png

相信大家也不陌生,在去年8月的時候 Mazda 首次提出了「"Zoom-Zoom" 永續發展宣言 2030」的中長期營運計畫,當中最重要的莫過於 SKYACTIV-X 技術的率先登場,也就是將汽油引擎搭載 CI 均質混合氣壓燃技術正式量產化,預計將於 2019 年正式搭載於新世代車型上,而先行推出的為 Mazda Axela 新世代車型。

9.jpg

不過在正式進入主題前,我們先來介紹為什麼會有這個技術的產生。Mazda 的品牌願景從打造出 Cosmo、Savanna、Roadster 等這些能夠振奮人心的跑車開始,提供超乎消費者期待的優良產品,打造出能感受到「駕馭樂趣」的同時擁有「光彩耀眼的人生」。也正是因為對於車輛有著無比熱愛,讓 Mazda 在面對到日益嚴苛的環保排污法規上,他們也希望汽車能夠與地球及社會共生,而且能用獨創的想法與構思,持續挑戰不可能。

因此「"Zoom-Zoom" 永續發展宣言 2030」是延續2007年發表的「永續“Zoom-Zoom”宣言」,在「駕馭樂趣」、「更優異的環境與安全性能」的二大主軸之下,加入對「地球」、「社會」與「人」等課題的關懷。

首先在「地球」方面,Mazda 是以汽車產品生產週期著手,以“Well-to-Wheel(從燃料開採到車輛駕駛)”理念從根本上減少二氧化碳排放,因此打出在 2030 年全品牌車輛的CO2 排放量僅有 2010 年的 50%,於 2050 年將降低 90% 的水準的目標。

P2.png

至於在「社會」關懷的部分,其實就是主動安全系統普及, Mazda  i-ACTIVSENSE 主動安全系統不僅已經在日本市場列入全車系標準配備,海外市場部分於 2018 年開始也將陸續成為 Mazda 全車系標準配備,另外現在市場上正夯的全自動駕駛技術部分,目前 Mazda 也正在研發「Mazda Co-Pilot Concept」系統, 希望於 2025 年能夠於日本市場成為全車系標準配備,海外市場則希望於2030年達成,達到「零事故」的願景。最後「人」的部分則是要不斷讓 Mazda 旗下產品更多駕駛樂趣,讓產品實踐「人馬一体」與「魂動」等設計理念,同時將無止盡的進化。

SKYACTIV-X 技術的起源

P3.png

覺得很複雜嗎?其實簡單的說 Mazda 希望在未來三大領域上可以進行突破,同時趕上現行汽車產業的風潮如電動化技術、自動駕駛、車聯網等等,因此在 2017 年開始的五年內將會是 Mazda 技術全面升級的重要關鍵。

從 Mazda 所公布的圖表來看,今天要介紹的 SKYACTIV-X 將會是這一系列技術升級的開端,同時將會同步推出 BEV 電動車(包含增程型技術)、MILD-HEV(汽柴油)、新世代 Mazda Connect 介面、SKYACTIV-Vehicle Architecture 等,之後到2020年之後將會推出 SKYACTIV-D 第二世代柴油引擎、PHEV(汽柴油)、Mazda Co-Pilot 自動駕駛技術等。不過氫能源方面在與 Toyota 結盟之後,Mazda 人員在現場表現將暫時凍結研發,等待時機許可才會重啟研發計畫。

不過與現今各大車廠趨勢走向電動化、逐步放棄內燃機引擎的發展的時候,Mazda 認為內燃機的實力並未完全發展出來,目前僅有開發 30% 而已,因此現有機型如 SKYACTIV-G 汽油引擎、SKYACTIV-D 柴油引擎都會繼續研發下去,而 SKYACTIV-X 就是內燃機引擎的「未來」,但依照 Mazda 的規劃,原先我們以為 X 系列將會取代現有的機型,事實上將會採用並存的方式,根據車型定位不同分別採用 SKYACTIV-X、SKYACTIV-G 與SKYACTIV-D 三種引擎。

SKYACTIV-X 技術如何運作

IMG_9137.JPG

目前汽油車款不論是缸內直噴還是進氣歧管噴射,主要都是以火星塞點燃為主,其原理是火焰在火花塞附近生成,然後慢慢擴散點燃整個燃燒室內的混合氣。而柴油引擎則是透過高溫高壓讓整個燃燒室內的混合氣全部一下子燃燒起來,自然爆發力比起火星塞點燃強悍許多

P4.png

P5.png

因此 Mazda 將運用在柴油引擎的油氣燃燒方式:壓縮點火 CI 技術轉移到汽油引擎上,不過 Mazda 重新研發改良之後將其變成 SPCCI (Spark Controlled Compression Ignition ),也就是火花塞當作活塞的方式來控制壓燃的跨世代技術。

P6.png

一般來說在傳統奧圖循環引擎下,壓縮比與比熱比二者成正比就會形成「理論熱效率」,所以在壓榨內燃機引擎能耐的方式,提高壓熱比是主要目標。現階段 SKYACTIV-G引擎已經達到世界最高的 14:1 壓縮比,但新款 SKYACTIV-X 能夠再往上提升到16:1左右。

但隨著壓縮比的增高,將比熱比提升則是第二個目標,這點則需要加大空燃比達成稀薄燃燒的作用,同時降低燃燒溫度,而 Mazda 的目標則是達到理論空燃比的2倍達到 30以上!

P7.png這張圖是表明為什麼要導入壓縮點火,因為可以達到超稀薄燃燒的效果,達到兩倍理想的空氣/燃料比。

P8.png

傳統 HCCI 基本上會受到二大因素影響:行車模式不同的氣溫與氣壓影響,造成燃燒室溫度與進氣溫度難以控制,而壓縮時的燃燒室溫度必須控制在上下浮動 3℃以內,在正常狀況下非常難實現。不過 Mazda 反其道而行,通過火星塞控制壓力來擴大燃燒室的溫度範圍至上下浮動50℃的範圍內,依然能夠實現壓燃,進而擴大了轉速範圍。

P9.png

而多年來如 Honda、Mercedes-Benz(1.8 Diesotto)、Toyota 與 GM 等等都曾經傾力研發 HCCI 的技術,其他屢屢無法突破的問題在於:結構太過複雜、汽油壓燃時機控制、轉速區間受阻、燃燒效率低、引擎強度問題、高噪音,高振動等,但這些 Mazda 都成功突破了!

P10.png

不過 HCCI 是稀薄燃燒方式下的燃燒方法,即便導入SPCCI也無法實現所有轉速區間的壓燃。因此現行機種上SPCCI 的作動範圍為1000rpm(比怠速狀態稍高)到4000rpm以下作動,之後則又恢復一般火星塞點火的方式。

afa4deb473fb3a362b28adde10d8862f.jpg

雖然在理論空燃比時仍可使用 SPCCI 技術,但 Mazda 的 SPCCI 技術實際上是在理論空燃比SI、理論空燃比SPCCI、稀薄燃燒 SPCCI 三種燃燒模式之間相互切換,而且SI火星塞點火是一直作動的,讓壓縮點火的區域最大化,在高轉速狀態負責點火、在中低轉速狀態下控制氣缸壓力。使得在壓縮點火及火星塞點火狀況下無縫切換,達到低中速有力、高轉速延伸性更強的駕馭感受。

IMG_9126.JPG紅圈的部位為空氣供給單元(air supply unit)的魯式機械增壓器系統

前面提到,壓燃汽油引擎要實現稀薄燃燒需要更大的空燃比,白話點講就是需要灌入更多的空氣,但如果採用傳統自然進氣方式,很難在全部轉速區間帶提供引擎所需的空氣量。所以 Mazda 這次新增了稱之為空氣供給單元(air supply unit)的魯式機械增壓器系統來調整理論空燃比SPCCI到稀薄燃燒 SPCCI 所需的空氣量,如此一來在壓燃點火的範圍內能夠大量進氣拉高空燃比,在火星塞點火時則藉由離合器切斷空氣供給。至於為什麼要使用機械增壓,Mazda 回應是說因為機械增壓所提供的進氣量較為線性,如果使用 Turbo 渦輪增壓會有進氣量不穩定的狀況,進而影響到車輛反應,因此使用機械增壓可以帶來線性的轉速反應。

當然 SPCCI控制的內容除了火星塞點火的時刻、燃油噴射時刻以及噴射迴轉數以外,還有渦流控制等,這些都要比 SKYACTIV -G來得更複雜。

IMG_9118.JPG

IMG_9130.JPG

此外相對於現行的SKYACTIV-G 引擎, SKYACTIV-X 引擎擁有不同的燃燒室形狀、使用 4-1 排氣系統、採用熱型火花塞、超高噴油壓力(預估從現型 SKY-G 的 206Bar 提高到 1000Bar)等,但基本上實現 SPCCI 所需要的只有高反應空氣供給單元、共軌式燃料供應裝置、以及為了精確控制點火時刻而感知燃燒室壓力的 CPS(缸內壓力傳感器)零組件。

IMG_9127.JPG全新的噴油系統與點火線圈下的熱型火花塞,原廠宣稱火星塞其實與現行SKYACTIV-G用的差不多。
IMG_9120.JPG原本 SKYACTIV-G 是採用 4-2-1排氣歧管,但因為過長的管路不利於三元觸媒轉換器溫度起來,所以又換成了 4-1 排氣。

而或許有些讀者會好奇,這具 SKYACTIV-X 架構跟過往 Mazda 的 Miller Cycle 米勒循環概念是否相同?答案是對的,Mazda 工程師承認他們有參考,所以在進氣側與排氣側都使用了電動馬達調整可變氣門正時機構;另外為了達到穩定燃燒、提高空燃比強化熱效率與降低溫度三大重點,原廠也導入了水冷 EGR 廢棄再循環冷卻系統,在理論空燃比 SPCCI 會大量使用EGR(排氣再循環),按照負載調整流量,以減少實際燃燒時燃料和氧氣的用量。

IMG_9128.JPG紅圈的部位為電動馬達,可調整進氣側與排氣側的可變氣門正時機構。
IMG_9121.JPG紅圈為 EGR ,由於擔任向高反應空氣供給單元輸送廢氣的任務,所以在EGR冷卻器的前段還擁有過濾廢氣中PM粒子的過濾器、以及讓產生的扭力更加穩定的ISG 系統。
IMG_9193.JPG紅圈為缸內直噴高壓噴油嘴,高壓共軌系統有著複雜彎曲設計是為了讓長度均一,另外旁邊有氣缸的壓力感知器,火星塞在SPCCI模式下會依照感知器而作動。

d9aef82a24daf8c92db6e67665145fcb.jpg

SKYACTIV-X 的優勢

P11.png

使用了上述技術之後,SKYACTIV-X 因為節氣門的阻抗更低使得氣流進入更順暢,因此擁有更靈敏的應答性,彌補過去 SKYACTIV-G 汽油引擎低中速領域加速不足的狀況,而高速領域之下又能保留汽油引擎的順暢感受,而且因為爆震所產生的壓燃,只要油品係數越低反而在低中速領域的動力輸出更為強勁,原廠更表示僅需RON 91 就能達到 SPCCI 的作動功效。

P12.png

至於在油耗表現上,SKYACTIV-X 的低速比起過去的 MZR 或是 SKYACTIV-G 提升了 20%、中高速提升了 30%,而且在每個輸出領域上都能夠擁有平均的油耗表現,不再像過去市區、高速或是綜合油耗會有極大落差的狀況。

P13.png

最後在與現行六速手自排的匹配上,由於 SKYACTIV-X 能夠將燃油效率佳的領域擴大到輕負荷的領域,因此無論何種齒輪比下也不會影響到油耗表現,因此 Mazda 也強調說現行六速手自排變速箱就已經能與 SKYACTIV-X 緊密結合,那至於會不會有更多檔位的新變速箱,工程師則是表示要看研發標的而定,畢竟多檔位變速箱雖然是世界潮流,但不代表一定需要多檔位更密集的齒比才能達到省油的目的。

P14.png

總結來說,SKYACTIV-X 達到了汽油車型擁有柴油車的初段敏捷加速反應,更能兼顧現行汽油車款的中高速順暢感受,雖然並沒有提及實際數據,但根據已經前往德國測試過原型車的國外媒體透露,新款動力將會至大約190hp、扭力23.5kgm的水準,熱效率也會比起柴油引擎平均 40%來得好。

不過這也衍生出很多疑問,像是原廠雖然強調汽缸是鋁合金等高強度材質打造,但在如此壓榨引擎的狀況下,到底能否承受如此高壓的狀態也是個疑慮,打個比方就是把一個人的潛能壓榨到極限,但人體的器官可能無法承受。但原廠宣稱SKYACTIV-X 的研發耐用標準為10年24萬公里,而且所有零組件都會刻意壓低以維持與現行 SKYACTIV-G 相似的成本,如此一來車價也不會變動太多。

堅持「內燃機不死」的執著

IMG_9201.JPG

隨著世界各地頒布嚴苛的環保法規,許多車廠都致力於減少CO2的排放,但是許多車廠則是藉由「電動化」的方向,也就是靠著 HYBRID/PHEV 或是LPG 天然氣動力技術來完成,而 Mazda 相信內燃機的實力還有待開發,所以不斷的堅持內燃機的升級與開發。

筆者認為 Mazda 在開發新技術的時候,並不是先參考競品的規格數據與動力,然後再研究自己的技術門檻能不能超過。而是先行設定一個目標,然後用這個目標來放眼整個產業,最後再加以突破,因此會被外界形容在小細節上做「鑽牛角尖」的研發,但也正是如此才能屢屢設計出業界的先驅技術。

在介紹完動力系統之後,緊接著下一篇就會是 SKYACTIV-Vehicle Architecture 的介紹以及搭載 SKYACTIV-X 動力與架構的原型車試駕,敬請期待!

 簡報/影片來源:Mazda Japan 原廠提供