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引领汽油引擎新时代 HCCI技术

Mazda均质填充压缩点燃(HCCI)技术

2017年东京车展,Mazda公布了新世代汽油引擎Skyactiv-X及所採用的均质填充压缩点燃(HCCI)技术,成为全球首个实现该技术商业化并量产的厂商(将搭载于2018年的全新Mazda 3)。姗姗来迟HCCI引擎的未来潜力有多大?它的诞生是不是已经太晚?请看我们的分析。

文 许鸿德

第二代Skyactiv引擎的燃油效率较第一代提昇30%,将搭载于全新第四代Mazda 3;根据Mazda官方测试数据,其油耗可达到约28.57km/L的优异表现。预计2025年推出的第三代Skyactiv引擎其燃油效率也将再提昇(约40km/L),更符合欧盟65g/km的碳排放标準。

目前主流引擎的热效率为30~40%,一般来说热效率若能提高1~1.5%就可视为「新一代引擎」;Mazda扬言两年内将挑战「热效率50%」,的确是汽车工程的重要里程碑。然而目前汽车产业关心的方向,已逐渐从技术突破转移到「汽柴油引擎还能存活多久」?

引领汽油引擎新时代 HCCI技术Mazda在今年的东京车展上,将带来世界首款採均质填充压缩点燃(HCCI)的量产引擎Skyactiv-X,预计搭载于2018年上市的全新Mazda 3。

汽油引擎的基本架构除了喷油系统由机械式演进为电脑控制之外,其他部分在过去100年以来没有太多改变。其实内燃式引擎(包括汽油与柴油)最大的缺点就在于燃料利用效率低(约33%)以及污染物的排放,虽然近30年来直喷引擎技术已帮助燃料利用效率显着超越过去的化油器时代、但仍无法让人满意。前Honda车厂执行长福井威夫就曾表示即便是最先进的汽油引擎,所浪费的能量仍超过60%以上,因此他们认为「提高汽油引擎燃烧效率」仍有无穷的发展潜力,甚至大于昂贵的电池动力或Hybrid油电混合系统!

引领汽油引擎新时代 HCCI技术内燃式引擎最大的缺点在于燃料利用效率低以及污染物的排放,虽然最近30年来直喷技术已让燃料利用效率显着超越化油器时代、但仍无法让人满意。

目前的汽油引擎仅能将1/3的化学能转化为机械能驱动车辆前进,其余若非散失、或因没有完全燃烧而被排出车外。随着日渐减少的石油储存及更加严格的油耗与排放标準,改进燃烧效率的努力始终没有停止,过去不论是美国汽车巨头GM与Ford、德国的VW及Daimler集团,还是开发省油技术不遗余力的日本Toyota、Honda、Nissan与Mazda,都致力于提昇汽油引擎燃烧效率。但由于传统汽油引擎行程(称为OTTO Cycle)高燃烧温度的热力学限制,若想将引擎燃烧效率显着提高(这里指的是提昇30%以上),唯一的解答就是混合柴油与汽油引擎运作特色的HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition、均质填充压缩点燃)技术。

引领汽油引擎新时代 HCCI技术Daimler与GM集团在HCCI领域研发多年而未果,主要是判断HCCI引擎技术的问题大于优势,并且解决技术瓶颈的难度过大或成本过高。

集传统引擎技术于大成

从技术角度来看,HCCI引擎混合了传统汽油与柴油引擎的部分特色,与传统汽油引擎相同在于它们是先向汽缸内注入比例均匀的空气和燃料混合气体(柴油引擎则採燃油直接注入汽缸内),但另一方面HCCI引擎採用油气在高压下自燃(与柴油引擎相同)、而非传统汽油引擎使用的火星塞点火方式。

从热力学效率的观点,HCCI引擎极具潜力:第一个优点是显着降低的热损耗率,由于无火星塞自燃方式的燃烧温度较低,震爆对燃烧室壁的传热也跟着降低。另一个优点是燃烧週期短(因为燃烧过程主要是受化学反应而不是受混合过程所主导)。研究结果显示HCCI引擎的热利用效率可接近50%,燃烧后废气中的微粒物与NOx含量也大幅降低。从周边硬体建构成本的观点,HCCI引擎也享有高度竞争优势:不论是氢动力、天然气、E85燃料、高级柴油与生化柴油都必须高昂的周边硬体建构成本(增设加油、输送与储存设计),HCCI引擎却使用与目前完全相同的汽油、完全不需要改装。

引领汽油引擎新时代 HCCI技术 

超过40年的漫长研发历史

HCCI引擎的设计构想早在1970年代就诞生,却始终苦于多项控制技术瓶颈而无法实用化。首要问题是HCCI引擎在转速很低或极高的状态时无法平稳运转(因为在这两种状态下无法控制混合油气自燃)。幸运的是、由于电脑自动控制的技术突飞猛进,过去被视为高度挑战的「精确控制喷油量」目标今日已能够轻鬆达成。

引领汽油引擎新时代 HCCI技术过往包括GM、Honda车都尝试开发「HCCI混合引擎」,也就是在低转速与高转速区域採用传统的火星塞点燃方式运行,但在中转速区域使用HCCI方式运作的引擎,不过皆未导入市售车型内。

「缸内燃油直接喷射系统」早已是现代引擎设计的标準技术之一,VW集团在1989年就研发出了第一具直喷柴油引擎TDI,也建立起该厂在柴油引擎市场的龙头地位。2000年该集团高级品牌Audi率先推出FSI缸内直喷汽油引擎(可说是一种初具雏形的HCCI技术),这项技术将汽油以100bar的高压喷射进入燃烧室,还可自由切换「分层注油」和「均匀注油」模式,利用电脑晶片控制喷射当前所需的燃料量,在油门半开状态下,分层注油方式可充分发挥燃油经济效益,因为此时只有火星塞周围才需要富含汽油可触发的油气混合物,而引擎燃烧室的其他部分只需注入含高比例空气的油气混合物。

引领汽油引擎新时代 HCCI技术Mazda工程师透过在火星塞点火控制的创新突破、使得HCCI过程变得更加可控:在引擎低速、中速和高速运转时、採用的工作模式都不相同,如此複杂的切换引擎高低速无缝衔接,可说是历史性的创举。

FSI技术的市场化对HCCI引擎的问世有着重要意义:它证明了向燃烧室注入非常均质的油气是可能的。过往包括GM、Honda都尝试开发「HCCI混合引擎」,这是一种在低转速与高转速区域採用传统的火星塞点燃方式运行,但在中转速区域使用HCCI方式运作的引擎,不过皆未导入市售车型内;Mazda却宣告于2018年推出搭载HCCI引擎的量产车型,展现该厂在新世代引擎技术的研发成果!

2008年5月,GM让欧洲记者试驾一部搭载2.2升排量HCCI引擎的Vauxhall Insignia概念车,这款车的燃油效率在15.22km/L左右,二氧化碳排量在150g/km左右,比起目前2.2升排量汽油引擎约13.1km/L的燃油效率和180g/km的二氧化碳排量要提昇不少。这款概念车在低速或巡航时可使用HCCI燃烧模式,车辆加速时仍须採用传统的火星塞点火模式。HCCI引擎在量产之前还有许多挑战需要克服,请参考附表。

引领汽油引擎新时代 HCCI技术第二代Skyactiv引擎的燃油效率将更加优化,而且会搭载在全新第四代Mazda 3之上,油耗更达约28.57km/L的优异表现。

HCCI面临之挑战

点火时间控制挑战

火星塞点燃式的汽油引擎可以改变火星塞的点火时间,压燃式的柴油引擎可以改变缸内喷油的时刻,但HCCI引擎吸入的是一团均匀的稀薄混合油气,压缩之后多点燃烧,再加上不是由精确定时的火星塞点火进行控制,着火时间提前还是延后,过往缺乏有效的控制方式。

引擎低负荷与高负荷时控制挑战

HCCI的燃烧反应较快,所以要通过特定方式控制反应速率,一般会採取较高的EGR(废气燃烧比例)来减缓燃烧速率,以免发生爆震,相对之下缸内平均压力难以达到较高的水平。

引领汽油引擎新时代 HCCI技术「Skyactiv」全新动能科技提带给Mazda新一代产品轻量化、效率化,燃油表现更出色,并给予驾驶者出色的操控感受。

HC碳氢化合物排放控制挑战

由于HCCI引擎属于「低温燃烧」,不足以导致氮氧及HC碳氢化合物的生成。但是低温条件下引擎处低负荷状态,燃烧效率降低、使得HC的排放成为棘手问题。

极限情况下启动困难挑战

採用「压燃」的HCCI引擎在极限温度或高海拔地区的稀薄空气环境,要确保能够自动点火是最难克服的困难。目前解决方式为仍然保留火星塞(火星塞点火─HCCI双模引擎)装置。

从2010年发表「Skyactiv」全新动能科技后,Mazda工程团队致力于将引擎、传动系统、底盘悬吊、车体等达到最佳化设定,且更为轻量化、效率化,燃油表现更出色,并给予驾驶者出色的操控感受。其中在动力部分,研发重点为高压缩比汽油NA(自然进气)与柴油涡轮引擎,Mazda目前的Skyactiv-G汽油引擎达到全球车坛最高的14:1压缩比,比起市面上竞争对手引擎8:1~10:1压缩比要高出许多,但下一代Skyactiv-X的压缩比将是18:1的惊人水準(同时搭配36.8:1的超稀薄空燃比)!

引领汽油引擎新时代 HCCI技术从2010年发表「Skyactiv」全新动能科技后,Mazda工程团队致力于将引擎、传动系统、底盘悬吊、车体等达到最佳化设定。

早在2014年Mazda工程团队就在均质压燃技术取得进展,为了率先达成商业化里程碑,这家日本车厂重新定义了HCCI的意义:它不再是传统的均质填充压缩点燃、而是转换成Spark Controlled Compression Ignition(火星塞控制压燃)、缩写也变成SPCCI。工程师透过在火星塞点火控制的创新突破、使得HCCI过程变得更加可控:在引擎低速、中速和高速运转时、採用的工作模式都不相同,这不光是涉及到火星塞点火与压燃的切换,而且还涉及到压缩比的变化、喷油方式的变化、进气模式的变化等等,如此複杂的切换引擎高低速无缝衔接,可说是历史性的创举。

更令人欣喜的是,由于少了电池与马达零组件,HCCI引擎的製造成本远低于Hybrid油电混合动力系统(仅是Hybrid系统成本的20%)、而节能效果却可达到Hybrid系统或柴油引擎的80%,前景可谓无限宽广!第二代Skyactiv引擎的燃油效率将较第一代提昇30%,而且会搭载在今年东京车展发表的全新第四代Mazda 3;根据官方测试数据,新世代Mazda 3的油耗可达约28.57km/L的优异表现。预计2025年推出的第三代Skyactiv引擎、其燃油效率将是40km/L,也将符合欧盟65g/km的碳排放标準。

引领汽油引擎新时代 HCCI技术Mazda车厂积极参与汽车运动,也说明该厂在先进引擎技术上「敢为天下先」的创新精神。

各车厂HCCI引擎研发史

Daimler集团

于2006年7月发表1.8升四缸DiesOtto引擎,包括涡轮增压、可变压缩比以及可变气门正时等功能,动力输出达到238匹马力。在2007年德国法兰克福国际车展发表的Mercedes F700概念车即採用此技术后,Daimler集团如今已将重心转移至电池动力与燃料电池技术。

GM集团

曾发表的180匹马力HCCI引擎是Ecotech改进过的2.2升引擎。GM工程师在此加上了可变气门正时、气门挺桿和先进燃烧控制系统,其汽油自燃模式可以使车辆顺利达到90公里/时的巡航速度。先前GM表示计划2015年才能将这种汽、柴油混合模式的引擎量产上市(但目前已无限期延后)。

VW集团

VW集团的HCCI引擎是以现有的1.6 FSI汽油引擎为基础,并增加改良后的可变气门正时和先进引擎管理系统。目前他们正在开发两款HCCI引擎。第一款引擎名为Combined Combustion System(CCS混合燃烧系统),是以 2升柴油引擎为基础,不过使用的是均质吸入燃油系统而非传统的柴油喷射系统、因此需要使用混合燃料才能达到最优性能。第二款引擎名为Gasoline Compression Ignition(GCI汽油压缩点火);它在巡航时使用HCCI,但必须在加速过程使用火星塞点火。

VW集团称其可在40~100km/h的速度範围中使用HCCI汽油自燃模式。VW和GM皆表示他们的实验用HCCI引擎可使用汽油、甚至是E85乙醇燃料。

引领汽油引擎新时代 HCCI技术Mazda目前的Skyactiv-G汽油引擎拥有全球车坛最高的14:1压缩比,比起竞争对手的8:1~10:1压缩比要高出许多。

HCCI引擎的商用化是否太晚?

目前主流引擎的热效率为30~40%间(汽油引擎的热效率约为30~35%,柴油引擎可达40%),汽车产业不成文的共识是,如果引擎热效率提高1~1.5%就可视为「新一代引擎」,Mazda的HCCI引擎技术扬言两年内将挑战「热效率50%」的超高门槛,这的确是汽车工程的重要里程碑。不过,目前汽车产业关心的方向,其实已逐渐从技术突破转移到「汽柴油引擎还能存活多久」。

在注重环保的北欧国家、汽柴油车辆禁止销售的时间表早已提上议程:从最早的挪威到荷兰,都将在2025年开始禁止汽柴车辆在该国市场销售。即使是为了顾及国内强大的汽车工业厂商利益的德国,也计画2030年全面禁售内燃引擎车辆(即汽柴油车辆),以实现车辆的全面零排放,届时德国消费者只能选择购买零排放车型(如纯电动车或者氢燃料电池车辆,不含Plug-in车款)。目前这项禁令已获得了德国执政党和最大反对党的一致赞同,并且也敦促欧盟其他国家也尽快将燃油车禁令提上日程,争取在 2030 年之前实现「欧盟全境新车零排放」。法国能源部长余洛则表示,作为履行巴黎气候协定承诺「五年大计」的项目之一,他们计画在2040年前全面停止销售汽油和柴油车。

引领汽油引擎新时代 HCCI技术Mazda也正与Toyota协商共用燃料电池、混合动力及「Skyactiv」全新动能科技,以满足日趋严格的排放标準并削减成本。

2030年听起来遥远,实际也就12年时间,还不够一般车型两代车的换代时间(一般8年一次换代),这不禁让人担心:才要粉墨登场的Mazda HCCI引擎技术、是否马上就要匆匆谢幕?

针对前述疑问,部分汽车人士认为汽油引擎的末日远远没有到来!2015年全球电动车销售为45.5万部、2016年达到70万部。根据EV Sales最新发布的数据,全球电动车市场2017年上半年全球电动车的累计销量达到449817部(年同比成长幅达到41%),预估今年全球电动车的累计销量有望达到110万部,虽然这个数字对比两年前已经翻了一倍多,但在全球汽车市场的佔有率仍只有区区1%。2017上半年在法国的新车市场中,使用柴油和汽油的车辆仍佔有95.2%、混合动力车型佔比3.5%,纯电动车仅佔1.2%,前述数字充分说明了目前电动车目前的「小众」局面。另一方面,Mazda也正与Toyota协商共用燃料电池、混合动力及「Skyactiv」全新动能科技,以满足日趋严格的排放标準并削减成本:Toyota计划向Mazda提供燃料电池及插电混动技术,而作为回报Mazda将为Toyota提供其汽油及柴油引擎技术,有了更大的使用群体、未来Mazda可更进一步降低生产成本。

引领汽油引擎新时代 HCCI技术GM、Daimler集团、Toyota都曾对转子引擎抱持兴趣,但发现量产实用化的困难度比预期还要高后,纷纷打了退堂鼓。反观是Mazda书写了自己的转子引擎传奇。。

遥想1960年Felix Wankel在VDI德国工程师学会向世人公开发表无活塞迴转式引擎(转子引擎)的创新理论,曾吸引包括GM、Daimler集团与Toyota的目光,但经过试验发现量产实用化的困难度比预期还要高后,前述厂商纷纷对转子引擎打了退堂鼓。反观是Mazda于1967年5月率先推出世界上第一款将转子引擎实用化的量产车型Cosmo Sport。在革命性汽车技术领域,愈是大厂其策略往往会愈趋保守,Daimler与GM集团在HCCI领域研发多年而未果,主要是判断HCCI引擎技术的问题大于优势,并且解决技术瓶颈的难度过大或成本过高。如今包袱较小的Mazda宣布要将此技术率先量产,再次说明了该厂在先进引擎技术上「敢为天下先」的创新精神。Mazda押注HCCI技术能否得到丰厚回报?让我们拭目以待。