每一家车企都有着自己的“独门秘籍”，提到马自达时，我想大多数人都能够脱口而出关于它的几句口头禅——“人马一体”、“魂动设计”、“创驰蓝天技术”、“高压缩比发动机”，以及大名鼎鼎的转子发动机。
相比于丰田本田和日产，马自达是一个小众的品牌，但是，却有着独有的魅力，从对转子发动机的执着，到创驰蓝天发动机的横空出世，都代表着当今世界发动机技术的最高水平，从2010年至今，搭载创驰蓝天技术的发动机拥有13：1的高压缩比（海外14：1），依然是目前整个市面上压缩比最高的发动机，没有之一。
技术是马自达的立身之本，随着第一代创驰蓝天技术从发布到现在也经历了9年，虽然目前依然是同级别最好的发动机之一，但马自达也希望进一步突破，尤其面向小排量涡轮增压发动机和节能排放法规的压力，马自达需要一款更强劲、更省油、更节能的发动机。
于是，第二代创驰蓝天发动机SKYACTIV-X横空出世。
下面，我就以一名吃瓜群众的角度来介绍下这款发动机。
PS：本文所有内容均为公开文献，包括但不局限于宣讲搞、技术会议、论文、专利。
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本文分为5个部分：
1 创驰蓝天技术路线图
2 SPCCI提出的故事
3 挑战与对策
4 发动机硬件基础
5 客户价值
1创驰蓝天技术路线图
首先看下目前马自达的产品战略图，到目前为止，马自达全系使用创驰蓝天发动机，分为第一代SKYACTIV-G汽油和SKYACTIV-D柴油发动机，以及今年下半年全球上市的第二代创驰蓝天发动机——SKYACTIV-X发动机，即马自达独创的SPCCI（Spark Controlled Compression Ignition）火花塞控制压燃点火发动机。
从第一代创驰蓝天发动机以来，马自达提出了剑指理想燃烧状态的进化蓝图，以最高热效率为目标，分解了影响热效率的7个关键因素，如图2所示，分别是压缩比（compression ratio）、比热比（specific heat ratio）、燃烧速度（combustion speed）、点火时刻（combustion timing）、热损失（heat losser）、泵气损失（pumping losses）、机械阻力（mechanical friction）。其中，红色表示理想和现实很遥远，绿色表示现实已经很接近理想状态。在第一代创驰蓝天汽油发动机上，通过使用了世界第一的高压缩比，米勒循环以及一系列降低机械阻力的措施，成功提高了热效率，动力性和燃油经济性保持了国际领先水平。但是，我们从图中看出，比热比和热损失等方面依然存在着不足，马自达通过钻研，采用了稀薄燃烧、压燃、热管理等方法，接近了理想燃烧状态。
在图2中，提到了一个很重要的因素——比热比（specific heat ratio），这个比热比也引导马自达提出超稀薄燃烧概念。那么，什么是比热比？为何要追求比热比呢？
首先提出比热容概念，比热容就是流体的温度升高1℃所需要的热量，但是对于气体，因为温度上升压力和体积都会发生变化，所以分为两种，一种为保持一定压力的定压比热Cp，一种为保持一定体积的定积比热Cv。这两种比热的比称为比热比，比热比k=Cp/Cv。
如图3所示，奥托循环的理论热效率公式如左边所示，其具体曲线如右边所示，伴随着比热比的提高和压缩比的提高，热效率是可以提高的。从曲线看出，当压缩比提高后热效率呈上升趋势，但幅度趋于缓和，马自达第一代创驰蓝天的主要设计思想就在此。当比热比提高后，热效率能够极大的提高，马自达第二代创驰蓝天的设计思路就基于此。
所以，为了提高比热比，一方面要提高燃料对应的空气比例，另一方面要将燃烧温度下降，通俗来说，即扩大不燃烧但能够吸收热量的气体，也就是废气（EGR废气再循环也基于此原理）。当空气在稀薄状态下燃烧的话，被称为稀薄燃烧，稀薄燃烧越充分，比热比就越高。
这里简单介绍下稀薄燃烧概念，根据化学当量比，空气/燃油的比例为14.7才能充分燃烧，当燃油多了混合气过浓，有部分不参与燃烧的燃油会被排出，造成燃油浪费并恶化排放，但是由于燃烧速度快且燃油能够给燃烧室降温，发动机性能可以得到提高。相反，当空气多了混合气过稀，由于燃烧室的富氧环境会导致排放恶化，形成大量NOx，但是这种燃烧方式对燃油经济性很有利。目前汽油发动机所提出的稀薄燃烧概念，都是在极个别条件下使用的，比如在低温冷启动等不容易形成NOx的工况；或者就是局部稀薄燃烧，分层燃烧的方法，燃烧室的总体空燃比为理论空燃比，在火花塞周围较浓，其他地方较稀。
马自达做了理论研究，如图5所示，这张图展示了当燃烧温度下降，燃料对应的气体比热比得以提高。由于燃烧温度高的话，分子活性增强，一边振动一边分解会消耗部分能量。因此，抑制温度的话，比热比可以提高，能够有更多热量参与做工中，可以提高热效率。这样，通过稀薄混合气，本身的比热比较高，再加上燃烧温度较低，比热比进一步提高，热效率就理所当然的高了。
进一步，稀薄燃烧的话，活塞和气缸盖的壁面的温度差减少，热损失也降低，通过提高空气量，节气门阀的泵气损失也能够降低。
马自达所提出的是超稀薄燃烧的概念，类似于柴油发动机的稀薄程度，但是这个稀薄程度，多少才是合适的呢？由于空气的k=1.4，燃料的k<1.33，不同混合气比例下，比热比系数如图6所示。现款第一代创驰蓝天的比热比为1.365，空燃比在14.7（空气过剩率1），当空燃比到29.4（空气过剩率2）时，比热比为1.383，因此，马自达希望空燃比提高到理论空燃比的2倍以上。
另一方面，我们的认知是稀薄燃烧会导致NOx爆发，所以稀薄燃烧的实际使用受限。如图7所示，马自达通过研究发现，NOx在过量空气系数在大于等于1的时候容易爆发，且此时燃烧温度也最高，随着过量空气系数逐渐增大，燃烧温度和NOx排放都呈减少趋势（图中只表明了NO数据，实际还有NO2等，NOx排放最大的过量空气系数应该在1.03左右，在此备注下）。随着过量空气系数进一步增加，如图8所示，当空燃比到29.4（空气过剩率2）附近燃烧时，NOx的排放会处于一个较低的水平，验证了超稀薄燃烧实现排放法规要求的可行性。
马自达根据自己的技术路线图，发现超稀薄燃烧是接近理想燃烧的手段，但是目前世界上并没有汽油发动机超稀薄燃烧量产的案例，马自达是如何实现的呢？
（未完待续，敬请期待……）
来源：知乎 www.zhihu.com
作者：知乎用户（登录查看详情）
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