圖A 馬自達新一代技術“SKYACTIV”的關鍵部分。（左上）實現(xiàn)了高達14.0的壓縮比的新一代高效率直噴汽油發(fā)動機“SKYACTIV-G”、（右上）實現(xiàn)了14.0這一較低壓縮比的新一代柴油發(fā)動機“SKYACTIV-D”、（左下）新一代自動變速箱“SKYACTIV-Drive”、（右下）新一代輕量高剛性車體“SKYACTIV-Body”

　　馬自達將于2011年上半年推出的配備新一代發(fā)動機的“德米歐（Demio）”，可在無馬達助推的情況下實現(xiàn)30km/L的10·15模式燃效。馬自達于10月20日發(fā)布的新一代車輛技術“SKYACTIV”在汽車業(yè)界引起了巨大反響。這是因為30km/L的燃效與在馬自達發(fā)布之前的10月8日本田所發(fā)布的“飛度混合動力車”相同。

促進企業(yè)增強實力

圖1　新型手動變速箱“SKYACTIV-MT” 實現(xiàn)了輕快的換擋感觸以及大幅度的輕量化及小型化。

圖2　新型底盤“SKYACTIV-Chassis” （a）前懸掛系統(tǒng)及轉向系統(tǒng)、（b）后懸掛系統(tǒng)。馬自達表示，該系統(tǒng)兼具準確的轉向功能以及舒適的乘坐感受。

　　馬自達開發(fā)的新一代車輛技術“SKYACTIV”由以下6項關鍵技術構成。

（1）作為汽油發(fā)動機實現(xiàn)了14.0這一世界最高壓縮比的高效率直噴汽油發(fā)動機 “SKYACTIV-G”（參照圖A ）

（2）作為柴油發(fā)動機實現(xiàn)了14.0這一世界最低壓縮比的綠色柴油發(fā)動機 “SKYACTIVD”（參照圖A ）

（3）提高了傳導效率的自動變速箱“SKYACTIV-Drive”（參照圖A ）

（4） 實現(xiàn)了輕快的換擋感觸以及大幅度的輕量化和小型化的手動變速箱“SKYACTIV-MT”（參照圖1）

（5） 實現(xiàn)了較高剛性以及最高水平的碰撞安全性的輕量車體“SKYACTIV-Body”（參照圖A ）

（6） 兼具準確轉向功能及舒適乘坐感受的高性能輕量底盤“SKYACTIV-Chassis”（參照圖2）

　　這些關鍵技術將在本文逐步詳細介紹。其實馬自達SKYACTIV的最大特點不僅僅是發(fā)動機或者車體的改進，而在于對車輛整體進行了統(tǒng)一更新。

　　例如新型汽油發(fā)動機。由于可提高排氣效率，因此，比以往加長了的排氣歧管（Manifold）。這是這款新型汽油發(fā)動機的最大特點。因為相應地要占據(jù)更大空間，所以排氣歧管無法安裝到以往車輛的發(fā)動機室內(nèi)。此次通過同時更新車架及發(fā)動機，使采用這種排氣歧管成為可能。在變速箱及懸掛系統(tǒng)方面亦是如此。

　　對生產(chǎn)規(guī)模較大的廠商而言，同時更新車架及發(fā)動機是相當困難的。“正因為本公司是規(guī)模不太大的廠商，所以才做到了”（馬自達）。

　　另外在各項關鍵技術方面，馬自達超越排氣量及車輛尺寸的差異而采用相同的基本構造，借此實現(xiàn)相同設備下的“柔性”生產(chǎn)，并將研究開發(fā)的效率提高30％，將生產(chǎn)投資減少20～60％。馬自達的目的是將關鍵技術的更新與企業(yè)實力的增強掛起鉤來。

將壓縮比提高到14.0

　　此次馬自達開發(fā)SKYACTIV的最大目標是提高燃效。與豐田及本田將混合動力技術定位于燃效提升技術的核心不同，馬自達的基本出發(fā)點是首先全面改進發(fā)動機及變速箱等基礎技術，在此基礎上再導入制動能量再生以及混合動力等電動化技術的“構件（Building Block）”戰(zhàn)略。

　

　

 

　　馬自達的方針是不僅改進發(fā)動機及變速箱，還將使車體重量減輕約100kg，從而在2015年之前使全球銷售的馬自達車的平均燃效比2008年提高30％。力爭通過發(fā)動機的改進提高15～20％；通過變速箱的改進提高4～7％；通過減輕車體重量提高3～5％；另外加上怠速停止機構等合計提高30％。

　　其中最具特點的是，新型汽油發(fā)動機由于實現(xiàn)了14.0的壓縮比，此舉大幅提高了效率，將燃效及扭矩比以往提高了15％（圖3、4）。以往汽油發(fā)動機的壓縮比方面，在標準汽油規(guī)格下為10.0左右。馬自達表示，如果將壓縮比從10.0提高到15.0，則有望實現(xiàn)約9％的熱效率提升。

圖3　SKYACTIV-G的扭矩特性 與已有的汽油發(fā)動機相比，提高了約15％。

圖4　SKYACTIV-G的燃效特性 與已有的汽油發(fā)動機相比，提高了約15％。燃料消耗量比已有的柴油發(fā)動機更少。

 

　　之所以此前壓縮比停留在10左右，是因為無法避免爆震（Knocking，異常燃燒）的發(fā)生。要想不產(chǎn)生爆震，則必須降低壓縮上止點溫度。馬自達重點關注的是不能從燃燒室排放出來的高溫殘留氣體。如果按照圖形來考慮的話，壓縮比為10.0的發(fā)動機上的活塞即使到達上止點，汽缸內(nèi)燃燒氣體仍會有10％的殘留。

　　馬自達的計算結果顯示，當殘留氣體溫度為750 ℃、新氣溫度為25 ℃時，如果殘留氣體占10％，那么壓縮上止點的溫度會上升160 ℃。相反，如果將殘留氣體的量從8％減少一半，降至4％，那么即使將壓縮比從11.0提高到14.0，壓縮上止點也不會上升。

加長排氣歧管

　　此前，在減少殘留氣體的過程中存在的障礙是排氣歧管。近年來，由于可先行對觸媒進行激活，因此，發(fā)動機大多采用盡量縮短排氣歧管、并將觸媒配置在發(fā)動機后面的構造。然而，如果到排氣歧管集合點的距離太短的話，就會像圖5（a）上部所示的那樣，第3氣筒的排氣閥打開后產(chǎn)生的較高排氣壓力，正好會到達排氣閥與吸氣閥兩者均打開的交疊（Overlap）狀態(tài)下的第1氣筒。一度排放出去的尾氣又被吹回燃燒室內(nèi)，高溫殘留氣體因此便會不斷增加。
 

圖5　采用4－2－1排氣系統(tǒng) （a）如果采用較短排氣歧管的配置（上），則第3氣筒的排氣閥打開后產(chǎn)生的較高排氣壓力，正好進入排氣閥與吸氣閥兩者均打開的交疊狀態(tài)下的第1氣筒。其結果是，一度排放出來的尾氣被吹回燃燒室內(nèi)，高溫殘留氣體不斷增加。如果采用4－2－1排氣系統(tǒng)（下），則可避免這種現(xiàn)象，從而減少殘留氣體。（b）巻成環(huán)狀后體型縮小了的4－2－1排氣系統(tǒng)。

　　為了避免這種現(xiàn)象，馬自達采用了增加排氣歧管長度的4－2－1排氣系統(tǒng)。通過首先將4條流路匯集成2條、然后再匯集成1條的方式，使各個氣筒間的距離保持在相同狀態(tài)。

　　要想減少殘留氣體，提高有效區(qū)段的扭矩，以往需要600mm的管長。馬自達通過采用卷成環(huán)狀的“Loop型排氣管”，實現(xiàn)了節(jié)省空間〔圖5（b）〕，但即便如此，就像前面提到的那樣，排氣歧管比以往更占地方卻是不爭的事實。
　

　　這種排氣系統(tǒng)的問題是，由于到觸媒之間的距離太長，尾氣的溫度下降，觸媒的激活會被延緩。雖然如果推遲點火時間，則可提高尾氣溫度，但燃燒會由此變得不穩(wěn)定。

　　為此，新型汽油發(fā)動機在活塞的上表面設置了空腔（Cavity），通過在火花塞周圍形成較濃的混合氣，成功地實現(xiàn)了即使推遲點火時間仍可保持燃燒的穩(wěn)定的性能。除了上述在燃燒方面的改進之外，馬自達還著手降低發(fā)動機各部件的摩擦損失，最終總體上減少了2成左右的磨擦損失。

無需后處理即可減少NOx

　　新型柴油發(fā)動機SKYACTIV-D的特點是，由于實現(xiàn)了14.0的壓縮比，因此，可不使用尿素SCR（選擇性還原觸媒）以及NOx（氮氧化物）吸收還原觸媒（LNT）等昂貴的NOx后處理裝置，就能滿足歐洲Euro6、北美Tier2Bin5、日本“后新長期規(guī)定”等全球的尾氣規(guī)定。燃效也比以往提高了約20％（圖6）。
 

圖6　SKY-D的燃效特性 與以往馬自達造的柴油發(fā)動機、以及同類競爭車的發(fā)動機相比，燃效提高了約20％。

　　之所以能夠顛覆“提高壓縮比可使熱效率增高”這一發(fā)動機設計的常識，成功地使燃效得到提高，這其中有2個理由。一個理由是，降低壓縮比使燃燒狀況得到了改善；另一個理由是，摩擦損失比以前減少。

　　之所以通過降低壓縮比就能改善燃燒狀況，是因為燃料與空氣的均勻混合可促進燃燒。在以往那樣壓縮比較高的發(fā)動機中，活塞上止點的溫度及壓力非常高。如果在此狀態(tài)下向燃燒室內(nèi)噴射燃料的話，會在燃料與空氣尚未充分混合時發(fā)生著火，燃料的一大部分因燃燒而形成高溫，使得NOx（氮氧化物）的生成不斷增加，由于是在氧氣不足的情況下燃燒，因而煤煙的生成量也增多。

　　為了避免這種現(xiàn)象，以往的柴油發(fā)動機是等活塞略微下降、燃燒室的壓力及溫度降低之后，再噴射燃料。然而，這樣一來由于是活塞開始下降之后才開始燃燒燃料，因此用于產(chǎn)生驅動力的沖程就會縮短（圖7）。

圖7　雖然降低了壓縮比但燃效卻得以提高的理由 在壓縮比較高的老式柴油發(fā)動機（上）中，為了避免將燃料噴射到高溫高壓的燃燒室內(nèi)，活塞是略微下降后才噴射燃料的。因此，用于產(chǎn)生驅動力的活塞移動沖程就會變短。但是，在SKYACTIV-D（下）中由于是在上止點附近噴射燃料，所以，用于產(chǎn)生驅動力的活塞移動沖程增長。

　　新型柴油由于壓縮比較低，因而可時上止點的溫度及壓力降低。即使在上止點噴射燃料，由于距離著火的時間增長，因此，燃料與空氣可充分混合，從而實現(xiàn)了均勻燃燒。