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原创 e-SKYACTIV X发动机再次“发明”内燃机 长安马自达掀起行业

来源: 作者:26uuu,汽车咖啡馆 人气: 发布时间:2020-09-05
摘要:当大家都使用涡轮增压的时候,马自达一直坚持着自然吸气。当大家都在发展新能源车的时候,马自达在坚持继续将大部分精力放在研发内燃机技术上。

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出品 | 搜狐汽车·汽车咖啡馆

编辑 | 雷润雨

当大家都使用涡轮增压的时候,马自达一直坚持着自然吸气。当大家都在发展新能源车的时候,马自达在坚持继续将大部分精力放在研发内燃机技术上。正是这种对技术的执着和信仰,使马自达研发出兼顾汽油发动机优势和柴油发动机特征的e-SKYACTIV X发动机,并获得了令人骄傲的成功。

为了能够深度解读e-SKYACTIV X发动机的各项特征和优点,我们开启了本次对话,本次对话主持人为搜狐汽车总编辑张丽玥。此外,我们还邀请到了多位行业专家和资深媒体人进行共同探讨,对话嘉宾分别为搜狐网副总编辑、汽车事业部总经理晏成、中国汽车工业协会副秘书长师建华、同济大学汽车学院教授/汽车安全技术研究所所长朱西产、北京大学经济学院副教授、中国市场学会(汽车)营销专家委员会秘书长薛旭、《踢车帮》创始人夏东、《30秒懂车》总编杨扉、知乎汽车领域知名作者默默。

我们将围绕行业意义、工作原理、技术难点市场前景等多方面进行讨论,深度剖析马自达e-SKYACTIV X发动机。

[01 电动化并非唯一发展路线,燃油车市场空间巨大]

张丽玥:在发动机研发方面,未来全球战略路线是什么?电动化是否是唯一发展路线?

师建华:汽车产业经过百年发展,目前已是一个相当成熟的产品。作为移动出行工具,燃油发动机一直是重要的动力源,尽管汽油发动机和柴油发动机一直都在不断进步和更新,但在节能减排方面仍有提升空间。

在发展路线方面,电动化是我们国家一条重要的技术路线,在全球范围内,中国新能源车发展很好,占有率也最高,但在电池品质、安全性、稳定性、续航里程、充电和使用便利性等方面还有很长路要走。我们国家已经制订了新能源和智能网联作为提升我国汽车产业由大到强的发展点,这是对未来前景的描绘。

因为目前新能源车尚在起步阶段,相比燃油车在品质、性能、可靠性方面还有一定差距,很多问题需要解决,所以燃油发动机还有很大发展空间,电动化并非唯一发展路线。

我认为10年内新能源车不会成为汽车市场主流,10年后要看发展程度,所以未来传统燃油发动机依然存在很大发展空间,而且还会是市场主力产品,持续不断发展传统燃油发动机还是非常有意义的。

张丽玥:短期内燃油车不会退出市场,在各国纷纷促进新能源汽车发展的背景下,马自达推出e-SKYACTIV X发动机的意义是什么?汽车动力未来发展方向是什么?

薛旭:因为新能源车技术较新,在技术方面何时会有突破并不确定,在此之前燃油发动机不可或缺。

但现在汽油发动机仍存在劣势,马自达e-SKYACTIV X发动机在技术上的突破可看作是开创了一条全新道路,它利用压燃技术将柴油机和汽油机的优势相结合,从而使得燃油经济性提高,同时排放标准也进一步降低,对全球汽车产业的推动有非常积极的作用。

假如这项技术能在汽车产业普遍推开,对燃油的充分利用、节能减排,降低CO2排放,且能达到20%标准的话,那将有非常实际的战略价值。

张丽玥:马自达推出e-SKYACTIV X发动机是否遵从了“人马一体”理念?将由此为马自达带来什么?

晏成:马自达一直是一个有调性的品牌,追求技术上的极限探索,我们谈到马自达时,经常会提到“人马一体”,马自达对它的解释为统一感、协调感。简单来说,消费者在驾驶马自达品牌车型的时候,驾控体验非常好,例如在行驶、转弯、制动等所有和动态驾驶体验相关的步骤和环节,都处理的非常好,并视为品牌DNA。对中国市场消费者来说,长安马自达希望借助e-SKYACTIV X压燃发动机的导入,进一步提升“人马一体”驾乘愉悦感,同时让消费者能够感受到技术进步所带来的独特环保价值,而独特价值主要有3点:

1. e-SKYACTIV X发动机以目前在售的“SKYACTIV G型汽油发动机”和“SKYACTIV D型柴油发动机”为基础,汲取了二者的技术特点,兼顾汽油发动机在高转速下的行驶舒适性,和柴油发动机省油、高扭矩的优点,可以说是一个全新的发动机品类。

2. e-SKYACTIV X发动机拥有全球独一无二的“火花点火控制压燃点火技术”,通过这一技术,实现了以汽油为燃料,和超稀薄燃烧压燃点火方式,从而做到高效燃烧,也是一个创新性的解决方案。

3. e-SKYACTIV X发动机还搭载了电气化技术,就是我们所说的24V轻混动力系统,由此一来,能够为车辆带来更加出色的节油性和动力性。

所以说,e-SKYACTIV X发动机体现了马自达的“人马一体”理念,和“汽车匠人”精神,不断深耕发动机技术,而且做到了在传承中坚守、在坚守中创新、在创新中进化。

张丽玥:我们能从e- SKYACTIV X发动机研发过程中,看出马自达对发动机技术的“深耕”与“探索”。而发展节能汽车是我国当前战略重点,马自达这台技术领先的发动机对我国节能汽车有何借鉴意义?

薛旭:节能减排不仅是中国国家战略,也是中国政府对全世界的承诺,全球变暖、汽车尾气污染已很大程度上威胁到人类未来生存。马自达推出e-SKYACTIV X发动机,体现出对社会、人类的使命和责任担当。

与此同时,任何一个经济体的发展本质归根结底底还是知识的深耕与突破,马自达将汽油发动机和柴油发动机的优点结合在一起,克服了很多技术难题,在量产方面实现质的飞跃,这也是汽车产业的重大突破,为整个汽车产业发展做出很好的示范作用。

张丽玥:说到节能汽车,降低耗油量是重中之重,e-SKYACTIV X发动机是如何做到在不降低动力性能的同时提高燃油经济性的?对环保方面有何显著贡献?

朱西产:内燃机要想提高燃油经济性就势必要提高热效率,柴油发动机可通过压燃、高温高压燃烧降低燃油消耗量,从而提高热效率。正是基于上述考量,欧洲市场曾大范围推广柴油车,油耗甚至可低至3L/100km,动力性和燃油经济性都有所提高。

但当汽油发动机汽车油耗降低至5L/100km时就遇到了瓶颈,大家曾认为轿车柴油化是一个节能减排的大趋势,最后的问题却集中在NOx排放,最终以“排放造假门”收场,暂停轿车柴油化。

马自达在降低NOx排放方面,运用超稀薄燃烧、涡轮增压进气,以及火花塞引导下的压燃技术,有效平衡了排放和燃油经济性,挖掘到汽油发动机提升燃油经济性的新方法,做到了既改善燃油经济性,又降低NOx排放。

张丽玥:e-SKYACTIV X发动机减少CO2排放就是对环保做出了贡献,但这其中离不开机械增压器的帮助,e-SKYACTIV X发动机的双进气系统是如何实现减少碳排放的?

师建华:火花点火控制压燃点火相当于二次点火,这种方式提高了发动机燃烧热效率,由此带来能源的充分利用和排放减少,优势非常明显。

其中十分重要的一点就是平衡进气,e-SKYACTIV X发动机通过机械增压和自然吸气两种相结合的进气方式,实现进气和点火之间的自由切换,按照不同运行工况实现两者之间的切换,使得超稀薄燃烧在任何时刻都能实现,真正提高发动机的燃烧效率。

而这种双进气系统看似简单,但实现起来存在很多技术难点,是“匠人”精神最直接的体现。

张丽玥:在燃料喷射装置方面,根本技术源自F1,e-SKYACTIV X发动机是如何实现多个世界第一的?

朱西产:过去我们一直认为只有柴油发动机采用压燃方式,而经过马自达的不懈努力,如今在量产车上实现了压燃点火,成为首款量产的汽油压燃发动机。

其次,运用独家SPCCI火花点火控制压燃点火技术,利用火花塞点火引起的膨胀火球,可以想象为像第二个活塞一样对燃烧室的混合气进行进一步的压缩,进而实现”可变压缩比”的概念,这样就可以通过控制早期的膨胀火球来精确空燃缸内温度和压力,进而实现最佳的压燃条件。

第三,e-SKYACTIV X发动机的空燃比最高达36.8:1,而普通汽油发动机的空燃比仅为15:1或17:1,这个数值要比普通汽油发动机机高出近1倍。

第四,普通汽油发动机最高为20Mpa~30Mpa,最多不超过35Mpa,而e-SKYACTIV X发动机可达到70 Mpa,这是目前汽油发动机无法望其项背的。

第五,SKYACTIV G所采用的喷射装置有6个喷射口,根据工况进行3级喷射。e-SKYACTIV X的喷射口多达10个,喷射最短时间减小到原来的一半以下,从而实现了更细微的汽油喷雾和更精确的燃烧控制,且为世界最多。

通过以上5个方面的创新,进一步提升了汽油发动机的燃油经济性和动力性。

张丽玥:我希望由晏总对马自达e-SKYACTIV X发动机做一个全方位的点评,想问问您是如何评价这款全新发动机的?

晏成:马自达向来是对技术具有极致钻研精神的一个品牌,从转子发动机就可以看出马自达的坚持与执着,而e-SKYACTIV X发动机也一样体现了马自达对于技术边界的推动。

作为目前市面上没有厂商进行过量产的汽油压燃发动机,这款发动机凝聚了马自达工程师们的匠心精神,以及对新技术的不断探索,也体现出马自达在追求更高热效率的理想内燃机的道路上从未停歇,同时兼顾了汽、柴油发动机的优势,做到了提高燃油经济性和动力性。可以说,这个技术是无价的,产品本身的价值要远高于价格,非常值得期待。

[02 压燃技术体现“匠人”精神”,定义新可能]

张丽玥:目前中国汽车市场有何特征?马自达研发e-SKYACTIV X发动机是在何种背景下进行的?

晏成:首先,从全球汽车市场来看,目前世界汽车市场总体走势平稳,尽管在2019年出现下行压力,也出现了世界汽车销量连续两年下滑的情况,但整体依然保持在9000万辆的水平。而新能源汽车虽然在近几年发展迅速,但2019年全球一共只售出了约220万辆新能源汽车,与总量相比占比很小,大约只有2.5%。大致相当于全球每卖出40辆汽车,其中只有1辆是新能源汽车。

在中国市场情况也大致相同,从中汽协统计数字来看,2019年我国汽车产销分别完成2572.1万辆和2576.9万辆,而新能源汽车产销分别完成124.2万辆和120.6万辆,也只是“冰山一角”。再从中汽协刚刚公布的数字来看,今年1-7月情况也是如此,占比依然很小,所以现阶段我国燃油车市场依然有很大空间。

所以,马自达深耕燃油发动机是非常有意义的一件事,而e-SKYACTIV X发动机也正是在这种背景下应运而生的。

马自达研发压燃发动机的主要目的就是改善内燃机的效率,开发理想的内燃机,在Well-to-Wheel理念下,致力于减少CO2排放,是继SKYACTIV G型发动机之后,马自达推出的更进一步接近于完美内燃机的产物,改进点主要集中在利用比热比的改良来提升热效率上。

而“创驰蓝天”这个词本身就寄托了马自达的美好愿景,通过环保技术守护“永恒的蓝天”,希望广大用户享受美好的环境,和享受由马自达技术带来的驾乘愉悦,通过这些可以发现马自达是一个自始至终都是在追求节能环保的车企。

最后我想说,在很多领域,内燃机都是主要的动力源。如果通过内燃机实现了兼顾环保性能和动力性能的双赢,那么我认为未来内燃机还是大有可为的。

张丽玥:随着e-SKYACTIV X发动机引入中国,并已搭载在CX-30(参数|图片)和马自达3昂克赛拉(参数|图片)上,马自达完成了从转子发动机到e-SKYACTIV X发动机的转变,其中有哪些品牌方面的小故事值得与我们分享?又有哪些传承蕴含其中?

夏东:一般来讲,这个世界上存在两种人,一是刺猬型的人,二是狐狸型的人。工程师则像是刺猬型的人,马自达在树立品牌内核时更偏向于刺猬型,非常讲究工程技术理念,并非单纯做生意,含有对技术上的不懈追求。

从研发转子发动机就能看出,体现出了对技术上的追求。

现在e-SKYACTIV X发动机结合了汽油发动机和柴油发动机的优势,从而带来燃油经济性和动力性的提升,将这种技术凝聚在一台发动机上,也是很多车企所追求的,马自达也为此付出了巨大努力,这会让很多消费者敬佩这样的企业,它更像是工程师在实现自己的理想,形成一种用户和厂家之间共同理念上的追求,所以马自达有很多忠实用户。

张丽玥:e-SKYACTIV X发动机工作原理是什么?其中24V M HYBRID轻混动力系统是如何与发动机巧妙结合起来的,使得e-SKYACTIV X发动机在做到兼顾燃油经济性,又做到动力提升的呢?

杨扉:马自达在技术上做过很多其它车企没做过的事情,比如24V M HYBRID轻混动力系统,并采用了马自达最新开发的电动技术“M ISG HYBRID”,这是一种采用电机和电池的混合动力系统。

马自达车辆的主角是发动机,追求高效率,最大限度发挥发动机性能,同时结合高效电动技术,实现了优异的节油性和行驶性能。

M HYBRID是继怠速停止系统i-STOP、减速能量再生系统i- ELOOP之后,作为电动化技术打造的新系统。马自达最新的电动化技术,回收再生减速能量作为电力使用,同时结合发动机驱动辅助及怠速停止功能,提升了节油性能。这样一来,如果在车辆停住之前交通信号变为绿色需要继续前进时,也能迅速再启动,顺利加速。

这也是马自达为何能在汽车企业中屹立百年之久的一个重要原因。

张丽玥:因为常规的“压燃点火”主要是柴油发动机在使用,而压燃点火被运用到汽油发动机就面临汽油和空气的比例问题,势必会提高压缩比,并压缩空气和汽油成为接近燃点的混合燃气,做到了即便在火花塞点火无法进行燃烧的极其稀薄条件下也可以实现清洁快速的燃烧,在这其中都克服了哪些技术难点?

默默:最大的技术难点是火花塞无法点火,怎么在极其稀薄空气下确保汽油燃烧。

通常情况下,发动机是在压缩行程中通过火花塞对燃油进行点燃,但更高的空燃比会令点火越来越困难,在没有火花塞时,通过活塞压缩燃油混合器气体,可以获得更大的气压和温度,同样可以使汽油自燃,只不过这对温度要求极高,温度稍微高一点就爆震,温度稍微低一点就燃烧不稳定。

关键之处在于控制好时间点,因为燃油混合气自燃除受温度影响外,还要考虑外界气温、气压、空气状态以及汽油标号等情况,为了解决压燃不易控制,SPCCI技术应运而生。

该技术将整个过程分为两步,第一步还是火花塞点燃一小部分混合气,燃烧的混合气体积膨胀后挤压未燃烧的混合气,这些未燃烧的混合气压力就变大,然后发动机把这些混合气压燃。这样一来,发动机的压缩比不用过高,设定在15-16即可,然后通过调整火花塞的点火时机以及气门的动作来营造出HCCI可以稳定运行的温度压力环境。

SPCCI火花塞通过对温度的控制减少了混合气体对机械压缩比的依赖,并在压缩行程中精准控制燃料喷射,避免爆震,实现在压缩冲程中多次喷射,并伴随压缩冲程的改变调整喷射比例,尽可能减少未燃混合气被压缩的时间,从而避免爆震,所以马自达需要开发更超高压喷射系统和燃烧室中心放置多空喷嘴,所以e-SKYACTIV X发动机采用了最大70Mpa压力和10孔高压喷射系统,而目前大多数缸内直喷汽油发动机的最大喷射压力为25Mpa、和6孔喷射系统,由此带来多项优势。

张丽玥:e-SKYACTIV X发动机是在老款的基础上,运用更多新技术并且向理想型内燃机进一步进化的发动机,在实现高压缩比的基础上,e-SKYACTIV X发动机主要利用何种手段实现提高热效率?

夏东:e-SKYACTIV X是继SKYACTIV G之后马自达推出的更进一步接近于完美内燃机的产物。改进点主要集中在利用比热比的改良来提升热效率上,为了实现更加稀薄的燃烧,采用了压燃方式引燃。

在第一阶段(SKYACTIV G)的高压缩比实现的基础上,第二阶段(e-SKYACTIV X)主要利用稀薄燃烧改善混合气的比热比进而提高热效率。为了达到这个目的,马自达采用了独有的燃烧控制方式实现了压燃式燃烧,并且作为世界唯一的量产压燃发动机投入市场。

燃料喷射量不变的情况下比热比的改善可以通过增加空气量的途径应用稀薄燃烧的方式来实现。接下来简要解释稀薄燃烧提高热效率的机理。常规的燃烧是通过燃料和空气中的氧气发生化学反应而实现燃烧和火焰传播,伴随着火焰扩散带来的热量会推动活塞做功进而实现化学能到机械能的转变。然而,稀薄燃烧时会在燃料喷射量不变的前提下增加空气量,因此较易移动的双原子分子(例如N2和O2)就会增多,从而实现化学能到机械能转换率的提升,进而实现热效率的提升。

张丽玥:伴随压燃着火后火焰面积的扩大,燃烧模式的切换及控制是必须要解决的难题,马自达是如何攻破该技术难题的?又是如何做到在燃烧温度降低后减少缸内对缸壁的热损失以及“敲缸”现象?

杨扉:马自达在研发SKYACTIV G和SKYACTIV D发动机的过程中积累了相关技术,例如为了产生良好燃烧所需的均匀混合气体,实现SPCCI燃烧,SKYACTIV D中的低压缩比及多级喷射产生理想混合气体的技术就起到了重要作用。此外,为了使难以自燃点火的汽油能实现压燃点火,燃烧室的温度必须提升得比通常发动机更高,为了解决这一课题,需要SKYACTIV G研发中积累的高压缩比及高温残留气体利用技术,从而控制高压高温易发生的敲缸现象。

张丽玥:马自达通过对多种技术的改变,搭载e-SKYACTIV X发动机的车型驾控感受方面将有哪些改变?NVH方面表现如何?车辆整体会在哪些地方有所哪些提升?

默默:我本身是搭载SKYACTIV G发动机的马自达3车主,虽然搭载e- SKYACTIV X发动机的车型还未在国内上市,但我之前在欧洲试驾过。高压缩比、高缸压、高喷射压力、带有机械增压器的e-SKYACTIV X发动机最为出色的特征是NVH性能,甚至比高一级的车型表现还要好一些,这其中有很多原因。

1.有24V M HYBRID轻混动力系统的加持,使之具有更快的启动速度和更低的噪音,可使发动机快速达到挡位所需要的转速,并且可以避免发动机进入怠速、低转速高负载等不利于NVH的区间。

2.在车身方面,马自达更改部分应力集中区域,通过修改尺寸或者加入额外结构减少应力,在车身地板与横梁、车顶与B柱等交接点增加结构支撑件与缓冲胶,两项措施均可以降低结构形变、增加刚度、提高NVH性能。

3.加入隔音材料,发动机舱内装有大量隔音材料,大大避免发动机噪音传入驾驶室。

整体来看 ,搭载e-SKYACTIV X发动机的车型NVH性能达到了非常高的水准,几乎覆盖了所有工况,这对整车质感的提升非常明显。

张丽玥:刚才我们围绕e-SKYACTIV X发动机做了很多技术方面的讨论,也让广大用户有了更多了解,请您做一个独特的价值总结。

夏东:e-SKYACTIV X发动机最大的价值在于将燃油经济性和动力性双重提高,同时兼顾这两点非常难得。

在这里我做一个比喻,就如同我们戴手表,如果你拥有一块复杂机芯的手表,它会给你增加一些功能,但同时它的价值会大幅度增加,而这种增加为什么用户会坦然接受?因为用户会觉得这是一个人类智慧和工艺的高度结晶,这种感觉正是他所需要的。

而马自达e-SKYACTIV X发动机同样是人类智慧的结晶,它不单单是增加一些功能那么简单。

我在欣赏动力性和燃油经济性双重提升的同时,我更加欣赏发动机内所蕴含的智慧。如此精密的一个发动机,让人有一种科技和艺术不分家的感觉,在体验过程中带来的愉悦感更强,这点非常重要。

张丽玥:马自达CX-30和马自达3昂克赛拉已搭载e-SKYACTIV X发动机,并已在刚刚结束的成都车展上正式亮相,预计年内就会上市,市场反响将会怎样?

晏成:目前海外版车型售价较高,搭载e-SKYACTIV X发动机的海外版马自达CX-30和马自达3昂克塞拉的售价,均要高于G版发动机4-6万元,对于国内搭载X发动机车型的价格,我是非常期待的。

我们知道,在刚刚结束的成都车展上,马自达CX-30和马自达3昂克塞拉在国内首次亮相了搭载e-SKYACTIV X发动机的新车型,这个技术是在全球范围内首次实现汽油发动机压燃点火技术的实际应用。因为e-SKYACTIV X发动机是压燃点火的汽油发动机,所以它相比用火花塞点火的传统汽油发动机,扭矩更大、响应更好、燃油经济性也更高,各方面综合性能很强。

如果上市后能有一个非常合理的定价,我相信会在同级别车型当中很有竞争力,会是消费者重点考虑的车型。

此外,马自达在中国消费者心目当中是一个很有特质的品牌、有运动性能的品牌、也是技术领先的品牌,目前在传统的内燃机方面的技术创新做得非常好,有属于自己的特质。

[03 解决当今“地球·社会·人”三方课题的全新挑战]

对于马自达这样一个执着于车技研发和革新的“汽车匠人”来说,骨子里的“次世代基因”让它着力于创新汽车技术,以精益求精的精神和多年如一日的“深耕”与“探索”,寻求可以超越于时代、普惠于大众的先进技术。

从上个世纪的转子发动机,到如今的e-SKYACTIV X发动机,马自达一直在立足当下、着眼于未来,在“次世代”一直处于主动地位,代表未来的“次世代的技”也一直未曾缺位过。在传承中坚守、在坚守中创新、在创新中进化,这便是马自达能够一直在次世代立于不败之地的原因所在。

值得一提的是,可以说X技术是一个无价的技术,马自达也将以实现美丽地球人丰盈的社会形态为己任,通过彰显汽车产品驾乘愉悦的独有魅力,解决了当今地球、社会、人三方课题的全新挑战。它既是一种全新突破,又是定义新可能,是一台非常值得期待的发动机。

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