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馬自達創馳藍天發動機壓縮比在12以上,為什麼能燒92號汽油?

隨著內燃機技術的不斷髮展,抑制爆震的手段也越來越多。過去因為技術尚不完善,所以抑制爆震的方式更多依賴於燃油,也就是利用燃油中更高的辛烷比例來起到抑制爆震的作用。但這種方式一定不是最優解,因為更高標號的燃油=更高的價格,會增加消費者的經濟負擔。

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自從奧托在吃麵包時領悟了壓縮比的概念之後,不斷提高內燃機的壓縮比就是核心的發展理念。所以近百年來我們所看到的內燃機都是在不斷地提高壓縮比,無論高階、低端發動機都遵循這一發展趨勢。高壓縮比所能帶來的好處就是可以不斷提高內燃機的熱效率,提高燃油經濟性。但弊端則是增加了爆震的風險。

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在過去抑制爆震的手段很少,工程師們將控制爆震希望主要寄託在高辛烷值汽油上,也就是利用了其高溫、高壓下燃燒不劇烈的特性。加之過去環保、排放標準並不嚴格,所以同品牌高階車型所用的機器往往具備更高的壓縮比(同款機點火角提前),而入門車型的機器壓縮比往往更低。因為要考慮到低端車型受眾群體的經濟能力,他們很難承受高標號汽油的價格。

但在2000年之後,全球對環保、排放的要求愈發嚴格,廉價、入門車型的發動機也需要不斷地提高壓縮比,來達到嚴格環保規則下的標準。這時控制爆震的方式如果還僅僅依靠高辛烷值汽油,就不符合汽車市場的客觀規律了,因為開幾萬、十萬出頭車型的朋友們很難承受95、98號汽油。那麼控制爆震的其它方式就開始產生。

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什麼是爆震?

爆震是由混合氣自燃(壓燃)所導致的,但自燃並不等於爆震,這個概念要清楚。傳統汽油機會點燃混合氣,而柴油機則是壓燃混合氣。點燃、壓燃在一個迴圈內單獨存在都沒有問題,但如果在內燃機一個迴圈內同時出現點燃、壓燃,這兩簇不同傳播方向的火花來一次對沖,就形成了爆震。

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內燃機在壓縮衝程快要結束時(活塞接近上止點前)會開始點火,電火花會率先點燃火花塞附近的混合氣,之後火花從上至下進行傳播。此時若缸內溫度、壓力過大,那麼活塞附近會形成區域性高熱,從而導致部分混合氣自燃,自燃火花則是從下至上傳播。點燃火花、自燃火花相向傳播,一旦接觸就會形成衝擊,這就是—爆震。這也解釋了為什麼柴油機不會爆震,因為它沒有火花塞,所以不存在另外的火花傳播方向。

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爆震是如何產生的?

爆震產生的原因很簡單,就是缸內過高的溫度,也就是高溫。所以控制爆震很簡單,只要控制住高溫,就抑制了爆震。所以內燃機已不再拘泥於利用高標號燃油來抑制爆震的產生。新一代抑制爆震手段為加快散熱、抑制突然出現的燃燒室高溫、加快混合氣點燃的速度等等,這些技術的加持在根源上減少了熱堆積,對於燃燒室的溫度就變得更加可控。

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發動機結構理念與材料的升級

如上圖所示,發動機在不斷進化中缸體結構所發生的變化。早期的高轉速自吸時代,缸體結構往往都是大缸徑、短行程,因為更短的曲柄力臂對曲軸帶來的負荷更低,轉速攀升速度也更快。但過大的缸徑等同於增加了火花橫向傳播的距離,火花橫向傳播點燃混合氣所需要的時間拉長,就容易出現混合氣還沒完全點燃就已經出現壓燃的現象。

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現在的氣缸結構都是窄缸徑、長衝程,曲柄力臂更長,發動機扭矩特性好,但過長的行程也告別了高轉速,至此發動機進入了高扭低轉時代。更窄的缸徑降低了火花橫向傳播的距離,讓火花傳播所需要的時間更短。可以理解為在還沒有壓燃火花出現時,混合氣已經被全部點燃。這種理念的衍生產物就是盆形活塞,更極致的就是湍流噴射技術。除此之外鋁合金材質的大量使用,使得缸體導熱性大幅度增加。

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盆形活塞的逐漸普及

盆形活塞的理念與窄缸徑是一樣的,只是更適合應用在比較極端的工況下,比如馬自達創馳藍天13壓縮比燒92號汽油(注意奧托迴圈下能達到13),這就是比較極端、苛刻的條件了,所以在活塞頂部開了個小孔,等於在窄缸徑的基礎上進一步縮短了燃燒室的半徑,活塞到達上止點後,混合氣會被壓入孔中,點燃火花傳播時常進一步被縮短。盆形活塞不僅僅是馬自達再用、也並非獨有,本田、豐田也有相應的使用。

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湍流噴射技術

這項技術與馬自達創馳藍天就沒啥實際關係了,因為這是競技場上應對高壓縮比發動機爆震問題的手段。但本質也是利用點燃、自燃比拼傳播速度的原理。湍流噴射技術多了一個預燃燒室,主燃燒室跳火前會先在預燃燒室內噴油、點火,在這之後主燃燒室進行點火,同時預燃燒室已經完成點燃的火花會大量噴出,增加主燃燒室火花傳播過程中所需要的能量,使其更快地完成點燃。簡單理解為人多力量大,一個火花所蘊含的能量肯定不如10個、100個、1000個火花蘊含的能量大。

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更豐富的控制策略

自從缸內直噴技術普及後,內燃機的控制策略就變得更加豐富。噴油嘴在燃燒室內,一次或多次的噴油就是壓制氣缸溫度的有效手段之一,液體變氣體的過程會吸收大量的熱量。氣缸所堆積的熱量被吸收,那麼溫度就會有所下降。實際上這些年來無論自吸以及增壓發動機的壓縮比普遍在10以上,還能燒92號汽油的原因首功在缸內直噴。當然賓士M133那類高增壓機的壓縮比另當別論。

爆震感測器與自動微調點火角的配合使得發動機在出現爆震問題後,可以得到及時且有效的解決。幾十年前的內燃機電控技術並不發達,也沒辦法判斷爆震是否產生,所以高標號燃油是最好的保障。但現如今的內燃機都配備爆震感測器,一旦發現爆震,系統就會立刻滯後幾度點火角。點火時機滯後,混合氣發生膨脹的過程就會變短,活塞上行擠壓時混合氣釋放的熱量就更少,從而在一定程度上規避了爆震。

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4-2-1排氣歧管提高了排熱效率

對於4-2-1排氣相信各位朋友都懂,鄙人就不做過多贅述了。簡單點說就是4-2-1排氣避免了傳統4-1排氣所存在的排氣干涉,使得蘊含大量熱的廢氣能更快地排出,熱量排得足夠快也是降溫的一種手段。當然4-2-1排氣也並非馬自達獨有的技術,很多品牌發動機也有采用這種技術,只是沒有被拿來當賣點去宣傳。畢竟這些優勢都是在為高壓縮比狀態下抑制爆震服務的。

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但高壓縮比的本質在於更省油,不妨換個思路去思考,省油是最終目的,而高壓縮比僅僅是個過程,只要能省油,並不是一定要高壓縮比。總而言之上述就是馬自達創馳藍天發動機高壓縮比能燒92號汽油的原因,上述這些技術都是樸實且實用的方式,但絕對算不上黑科技。因為只要是追求更高、更極端的壓縮比,任何車企都會用到上述的這些技術。說到底就是抑制發動機爆震的手段已經不再拘泥於高標號汽油了。過去那套壓縮比大於10、用95號汽油的慣性思維理論在當今看來已經不再適用。