不瘋魔，不成佛

當(dāng)年三言兩語間催生的“馬自達(dá)塞車”梗，成了日后粉絲們樂此不疲的經(jīng)典自嘲，也刻下了這家日系品牌揮之不去的形象烙印。說它小眾吧，也不至于稀罕到大街上看不見;說它大牌吧，又確實長期偏離主流——國人說起馬自達(dá)，腦海中印象大抵如此。

2010年，全世界都在搞小排量、搞渦輪增壓，只有馬自達(dá)硬要把自然進(jìn)氣發(fā)動機(jī)的潛力挖到底;步入2020年，當(dāng)全世界都在搞電動化、搞混合動力，馬自達(dá)卻在悶頭做一種拗口難懂的“稀薄壓燃”發(fā)動機(jī)。還頂著一個又土又怪的名字”創(chuàng)馳藍(lán)天”——誰不知道電動才是環(huán)保、用電才能藍(lán)天？今天你搞出來一個汽油車再怎么省油，就不怕大家連看5分鐘科普的興趣都沒有嗎？

2010年——正是小排量渦輪時代風(fēng)雨欲來之際，馬自達(dá)提出了Skyactiv創(chuàng)馳藍(lán)天計劃，核心便是發(fā)展高效率的自然吸氣發(fā)動機(jī)Skyactiv-G。現(xiàn)成的加渦輪、減排量之路，馬自達(dá)不走，偏要去試著打破自然吸氣的現(xiàn)有技術(shù)天花板。

Skyactiv-G的首要指標(biāo)是熱效率。對，就是內(nèi)燃機(jī)經(jīng)常被拿來恥笑的那個“20%-30%”。小排量渦輪風(fēng)潮正是為了應(yīng)付環(huán)保法規(guī)，那么馬自達(dá)非要用自然進(jìn)氣發(fā)動機(jī)來干小排量渦輪的事兒，首先便是要把能耗和排放降下來。

馬自達(dá)在2012年交出的答卷——Skyactiv-G發(fā)動機(jī)，擁有37%的最大熱效率和60kW/L升功率（美國EPA數(shù)據(jù)，Skyactiv-G 2.OL，2014）。沒有如今風(fēng)靡的48V電機(jī)，沒有任何混合動力，也沒有以駕駛性和動力為犧牲，單純依靠優(yōu)化汽油燃燒過程，實現(xiàn)了37%的最大熱效率。作為當(dāng)代最早的一批高效發(fā)動機(jī)，Skyactiv-G的很多指標(biāo)要到幾年后才被豐田等大廠超越。

現(xiàn)在你能買到熱效率最高的汽油發(fā)動機(jī)，是豐田TNGA架構(gòu)的Dynamic Force系列發(fā)動機(jī)的40%，加上豐田油電混動系統(tǒng)的話可以到41%，同時升功率也達(dá)到了60kW/L（即效率不以動力為代價）。雖然熱效率已經(jīng)比馬自達(dá)Skyactiv-G還高，但馬自達(dá)畢竟早了五年，算得上早了一整代。

以如今的眼光來看-Skyactiv-G雖然仍屬先進(jìn)，很多技術(shù)其實已經(jīng)不算新鮮。提高燃燒效率最直接的手段，是提高發(fā)動機(jī)的壓縮比。粗略理解，壓縮比就是發(fā)動機(jī)活塞運(yùn)動到上止點時的最小容積，與運(yùn)動到下至點時的最大容積之比。通常，汽油發(fā)動機(jī)的壓縮比在10口1左右，超過11口1的已屬罕見。注重動力性能的發(fā)動機(jī)，會使用偏小的壓縮比;強(qiáng)調(diào)低能耗和高效率的發(fā)動機(jī)，壓縮比會偏大。

提高壓縮比的困難-是要面對爆震風(fēng)險。爆震，是指在發(fā)動機(jī)活塞上行壓縮的過程中，氣缸內(nèi)燃油在高溫高壓下被提前引燃。燃油不依照活塞運(yùn)動規(guī)律的突發(fā)意外爆燃，會嚴(yán)重?fù)p傷發(fā)動機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)直至報廢，這是一種十分危險的現(xiàn)象。

抑制爆震的手段之一，是減少氣缸內(nèi)殘余的上次燃燒廢氣。為了抑制爆震、提高壓縮比，Skyactiv-G使用了獨(dú)特的4-2-1排氣歧管。即四個氣缸的四個排氣歧管先匯成兩個，再合二為一。排氣路徑更長，點火相鄰氣缸間相隔更遠(yuǎn)，相鄰點火氣缸的排氣脈沖不會互相干擾，就可以讓排氣門開啟時間更久，盡可能地排光廢氣、減少殘余。

特殊的排氣歧管，加上其他一些措施，使得Skyactiv-G得以擁有驚人的14口1壓縮比（國內(nèi)因油品問題減至13.1口1）。這一度是壓縮比最大的量產(chǎn)汽油機(jī)，直到被馬自達(dá)下一代發(fā)動機(jī)Skyactiv-X打破。五年之后40%熱效率的豐田Dynamic Force發(fā)動機(jī)，壓縮比也“不過”13口1。

同樣是要滿足越來越嚴(yán)的環(huán)保法規(guī)要求，小排量渦輪是讓發(fā)動機(jī)的高效區(qū)間，向著日常使用工況靠近一些。而馬自達(dá)則是選擇”硬剛”：我就是要把熱效率這個硬指標(biāo)做上去。憑借第一代Skyactiv系列發(fā)動機(jī)，馬自達(dá)在不斷收緊且更利于小排量渦輪機(jī)的排放法規(guī)中，用別人眼中挖掘殆盡、毫無希望的自然吸氣發(fā)動機(jī)，不僅生存下來還站穩(wěn)了一席之地——盡管這片地有越站越小的趨勢。好在，高壓縮比自吸的Skyactiv-G才只是一個開始。

“你坐馬自達(dá)，怪不得你塞車。”1997年，梁家輝在電影《黑金》里對著遲到了11分鐘的與會黑老板輕蔑一笑。在無憂無慮的淳樸汽油時代，汽車品牌之間等級分明，座次清晰。“我們坐的都是奔馳，都是勞斯萊斯”，而“你坐馬自達(dá)，你根本就沒有資格來開這個會。”誰也不會想到，二十年過后，當(dāng)奔馳和勞斯萊斯們都已經(jīng)對電動車亦步亦趨，內(nèi)燃機(jī)汽車最后的堅守者，竟然是那家廉價親民、又天生反骨的日本偏門小公司。

沒有哪家停滯不前的公司能生存下來，尤其對于那些劍走偏鋒的獨(dú)行者.2012年第一代Skyactiv-G投產(chǎn)后，這些年來馬自達(dá)都在做什么呢？當(dāng)然是忙著研發(fā)第二代Skyactiv——Skyactiv-X，這才是本文的高光主角。如果按照計劃，剛剛在海外投產(chǎn)不久的Skyactiv-X發(fā)動機(jī)，應(yīng)該在2020年內(nèi)在國內(nèi)上市。

第一代Skyactiv，其實分為汽油機(jī)Skyactiv-G和柴油機(jī)Skyactiv-D，而第二代Skyactiv則放棄柴油機(jī)而專注于汽油機(jī)。之所以有這樣的選擇是因為Skyactiv-X的核心，可以歸結(jié)為“用柴油機(jī)的方式，燒汽油”。后綴“×”仿佛代表了汽柴油技術(shù)的交匯。

我們知道，由于汽油柴油各自特性不同，汽油機(jī)使用火花塞點火，即點燃式;柴油機(jī)無須點火壓縮即燃，也就是壓燃式。百年來，汽油點燃、柴油壓燃，仿佛—加一等于二般的真理。

老司機(jī)都知道柴油車省油是因為柴油機(jī)的壓燃式點火在熱效率方面更具優(yōu)勢。原理其實很好理解：火花塞點火，火焰要從中心的火花塞向四周擴(kuò)散，逐步引燃整個氣缸內(nèi)的所有燃油混合氣，燃燒傳播的過程是需要一段時間的。

但在燃燒做功的過程中，發(fā)動機(jī)不會停下來等你燒，活塞始終在飛速上下運(yùn)動。當(dāng)燃燒還沒有完全結(jié)束，活塞卻已開始向下運(yùn)動，意味著后面有一部分燃燒的能量，并沒有真正作用于活塞下行，也就相當(dāng)于這部分能量被浪費(fèi)了。就好像我們蹬自行車時腳不慎踩空，你的腿明明做了功，卻并沒有真正用于自行車前進(jìn)-，相當(dāng)于這部分勁是白費(fèi)的。

反觀柴油機(jī)使用的壓燃式點火。燃油混合氣在氣缸內(nèi)是均勻分布的，所以當(dāng)活塞上行達(dá)到壓燃所需條件時，燃燒會在整個氣缸內(nèi)多點、同時發(fā)生。燃燒能量在一瞬間釋放，做功時間更短、峰值更高。并且氣缸內(nèi)各處燃料的，燃燒情況更為均勻一致。燃料能量中會有更大部分（相比點燃式）被用于推動活塞做功，熱效率自然會更高。

馬自達(dá)Skyactiv-x，世界上第一臺也是唯一的壓燃式汽油機(jī)。把汽油機(jī)做成了“柴油機(jī)，馬自達(dá)是如何實現(xiàn)這一魔幻現(xiàn)實的？Skyactiv-X的核心技術(shù)，叫作SPCCI火花塞控制壓燃點火（Spark Controlled CompressionIgnition）。如果你懶得往下細(xì)看，簡單粗暴劃個重點：1.汽油其實可以壓燃，但條件極為苛刻，壓燃不穩(wěn)定難應(yīng)用;2.Skyactiv-X既能壓燃也能點燃，能“壓”時則“壓”，不能“壓”時切換到“點”;但如果太多的時間是點燃式，壓燃就沒什么意義了;3.為了盡量擴(kuò)大壓燃的可用范圍，需要精確控制氣缸內(nèi)壓力;4.使用火花塞進(jìn)行有限的點火，雖然用了火花塞，但目的不是點燃，而是精確控制壓力來保證穩(wěn)定壓燃。以上，即所謂火花塞控制壓燃點火SPCCI。

在內(nèi)燃機(jī)前沿研究領(lǐng)域，有一種理想中的燃燒狀態(tài)，叫作稀薄燃燒。怎么算稀薄？按照空氣中氧含量和燃燒化學(xué)式，人們計算出充分燃燒所需的空氣/燃油混合比例（空燃比），應(yīng)該是14.7口1。所以理論上講，只有當(dāng)空燃比大于等于14.7時，燃油才可能被完全燒盡，其中的化學(xué)能才有可能被全部釋放。當(dāng)空燃比大于等于14.7，就可以認(rèn)為是稀薄混合氣，所以說稀薄燃燒是—種理想燃燒。

然而汽油車發(fā)展百年，幾乎從未實現(xiàn)理想空燃比。你在路上見過那么多車在跑，沒有一輛能達(dá)到14.7的空氣燃料配比，沒有一輛能提供充足的空氣讓汽油充分燃燒。

這當(dāng)然是有原因的。現(xiàn)在的汽油發(fā)動機(jī)，空燃比都是燃油過剩一些。因為這樣雖然會導(dǎo)致燃燒不充分，浪費(fèi)燃料并增加排放，但多余的燃油會起到降溫作用，幫助提升動力性能。另—方面，當(dāng)空燃比真的接近14.7時，稀薄混合氣帶來的富氧環(huán)境，會導(dǎo)致氮化物（NOx）等污染物大幅增加：燃油經(jīng)濟(jì)性是上去了，但排放污染就很難看。理想燃燒，不是不想，實屬不能。

馬自達(dá)要繼續(xù)提升發(fā)動機(jī)的熱效率，但Skyactiv-G那種提高壓縮比的法子，已經(jīng)不能再多指望。原因是根據(jù)內(nèi)燃機(jī)奧拓循環(huán)的理論熱效率公式，隨著壓縮比增加，熱效率的提升空間會越來越小，即邊際效用遞減。Skyactiv-G已經(jīng)做到了壓縮比14口1，單靠繼續(xù)提高壓縮比，對于熱效率的提升幅度有限。

理論公式給出了另一個出路，叫作比熱比，即“定壓比熱容”比上“定容比熱容”。雖然聽著玄了吧唧讓人頭大，但稍微花點時間琢磨歸納—下就容易明白，姑且可以這么理解：如果氣缸內(nèi)的燃油混合氣，能將更多的熱量用于使其膨脹，而不是用于使其升溫，內(nèi)燃機(jī)的熱效率就會提高。

讓混合氣變得更加稀薄，可以提高比熱比。因為當(dāng)空氣過量，有更多氣體不參與燃燒但會吸熱，燃燒溫度就會下降;再加上燃料能充分燃燒，能量更徹底地用在了膨脹做功。所以燃油混合氣越稀薄，理論熱效率會越高。

理論到位了，下面剩下實踐。前面說到的氮化污染物是第一大難題。然而馬自達(dá)在實驗室中，在嘗試了多種空燃混合比例后發(fā)現(xiàn)：當(dāng)空燃比等于和稍大于14.7時，確實會如人們常識中那樣，導(dǎo)致排放氮化物激增;但進(jìn)一步增加混合氣的稀薄程度，當(dāng)空燃比達(dá)到29.4時（兩倍于14.7），氮化物排放又會降低至可接受程度。也就是說，人們以往的認(rèn)識是，稀薄混合氣會導(dǎo)致NOx排放爆發(fā)，然而馬自達(dá)發(fā)現(xiàn)——那是因為你家的稀薄混合氣，還是不夠稀。

驚喜還沒結(jié)束。馬自達(dá)在實驗室中還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)稀薄程度進(jìn)一步增加，空燃比增加到驚人的36.8口1時，在足夠壓力下，燃料混合氣還沒有等到火花塞點火，就自發(fā)被引燃了一一也就是說，汽油壓燃，其實完全可以實現(xiàn)。稀薄+壓燃，就此成為馬自達(dá)的鉆研方向。同時，這也是業(yè)界公認(rèn)的，未來終極內(nèi)燃機(jī)的重要發(fā)展方向之一。

然而接下來幾年，馬自達(dá)—直都在被”實現(xiàn)穩(wěn)定壓燃”這一難題按在地上反復(fù)摩擦。當(dāng)然了，它是自愿的。汽油壓燃，確實是可行的一一在實驗室里。雖然和柴油壓燃相似，但汽油終歸是汽油，化學(xué)性質(zhì)比柴油更活躍，要實現(xiàn)穩(wěn)定可用的壓燃，困難得多。

首先，壓燃對發(fā)動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)工況有著極為苛刻的要求。只當(dāng)發(fā)動機(jī)負(fù)荷、轉(zhuǎn)速同時滿足一小片特定范圍時，才能維持穩(wěn)定的壓燃點火。其次，壓燃對于溫度與壓強(qiáng)十分敏感，在不同的溫度不同的海拔，壓燃能不能成，簡直像看緣分。再有，燃燒室內(nèi)部的環(huán)境也影響著壓燃的成敗：溫度過高，壓燃發(fā)生太早振動嚴(yán)重;溫度過低，壓燃太晚降低效率……

要實現(xiàn)穩(wěn)定、可用的汽油壓燃，簡直像在伺候爹。也就不難理解，哪怕汽油壓燃能在實驗室中實現(xiàn)超高的熱效率，卻從未曾被任何一家廠商應(yīng)用于現(xiàn)實。但眼下馬自達(dá)已經(jīng)騎上了老虎，想下去肯定是來不及，就算下去了也沒有其他出路，只有硬著頭皮剛正面。最后工程師們想出的解決方法是：用“背叛”柴油壓燃的方式，來實現(xiàn)汽油壓燃。

既然壓燃不可能覆蓋發(fā)動機(jī)的全部工況，那么壓燃發(fā)動機(jī)終歸不會完全舍棄火花塞，在部分無法實現(xiàn)壓燃的時候，還是得以點燃式保持運(yùn)轉(zhuǎn)。而壓燃不穩(wěn)定的原因，無非是溫度和壓力。溫度難以做到精確實時控制，但壓力是可以的，比如——用火花塞點個火？

在氣缸內(nèi)壓力不滿足壓燃條件時，火花塞提前實施小范圍的有限點火，使缸內(nèi)壓力瞬間增加，之后氣缸內(nèi)尚未燃燒的大部分混合氣就可以壓燃點火。只要能精確控制火花塞的點火，就可以精確控制氣缸內(nèi)壓力，也就能夠?qū)崿F(xiàn)更大范圍的穩(wěn)定壓燃。是壓燃嗎？是。火花塞呢？也用。這就是Skyactiv-X的核心科技，所謂火花塞控制壓燃點火SPCCI。

基本原理聽起來不復(fù)雜，但真要做到精確控制，就成了”聽著簡單做起來難”。由于Skyactiv-X同時具備點燃、壓燃模式，其中壓燃模式（SPCCI）還要判斷火花塞的介入時機(jī)和介入程度，最后Skyactiv-X光是大體的燃燒策略就多達(dá)三層。