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不止马自达研发压燃发动机?解密RCCI和HCCI压燃发动机

2018-07-05 18:06 作者: 麻花er

前不久,马自达将三台搭载了“Skyactive-X”汽油压燃发动机的路试车开上了路,引起了全球汽车媒体的高度关注,毕竟在提倡“节能环保”的时代大背景下,各路厂家都已经将视线放在了纯电动汽车上,而马自达仍然将研发重心放在更加高效的燃油发动机上还是非常值得敬佩的。

汽油压燃发动机,因其融合了柴油发动机的经济性以及汽油发动机低振动、低噪音及体积小等优势于一身,能够为家用轿车实现热效率及排放等性能指标上的大幅提升。正因如此,燃油压燃发动机可谓备受关注,而除了马自达目前正在不断寻求突破的燃油压燃发动机——“均质充量压燃技术(以下简称HCCI)”以外,还有一种名为“燃油反应活性控制压燃技术(以下简称RCCI)”。

HCCI及RCCI的核心均是对汽油混合气实现压燃从而提升热效率,起到节能环保的目的。但是它们在实现压燃的方式上有所不同,马自达的HCCI压燃技术,仍然需要使用火花塞协助,才能实现汽油混合气的压燃;而RCCI压燃技术则需要一种高化学反应燃料(例如柴油)来辅助点燃汽油混合气。因此,这两种不同技术下所实现压燃技术在发动机的特性上也存在一些不同。那么这两种压燃技术,均有哪些优势,又将面临哪些严峻的挑战呢?

均质充量压燃技术——HCCI:

其实,HCCI均质充量压燃技术早在20世纪70年代就已经被提出,但始终处于概念阶段。然而马自达对于技术的痴迷,以至于它率先付诸实践,为我们证实了这一概念的可行性和良好的性能表现。

(1)Skyactiv-X如何实现HCCI汽油压燃?

马自达所实现的HCCI均质压燃技术,其称之为Spark Controlled Compression Ignition (SPCCI),即“火花控制压缩点火”。其中,“火花控制”意味着马自达Skyactiv-X压燃发动机同样具备火花塞。火花塞会在其发动机不具备压燃条件或特定转速时采用传统汽油机同样的火花点燃方式,保证发动机正常运转和燃油经济性,而在普通点火和压缩点火之间可以“无缝”切换。

为了精准的控制压燃时机,马自达在采用压燃点火时,火花塞仍然需要介入。在SPCCI系统检测到此时的发动机可以进入压燃运转时,火花塞同样会进行一次点火以形成一个膨胀脉冲,但高压缩比下的混合气浓度较低,点燃范围并不大,此时再搭配活塞对混合气的压缩就能实现对剩余混合气的压燃,同时实现了点燃时机的精准控制。

(2)马自达Skyactiv-X的SPCCI压燃发动机目前面临哪些难题?

首先,HCCI能够实现稳定压燃的工作范围比较狭窄,马自达Skyactiv-X发动机上的这套SPCCI压燃技术也必定无法幸免,虽然马自达方面没有公布最终的压燃工作范围,但有分析者指出,其能够实现稳定压燃的转速区间在1500~3200 rpm左右,在此区间之外,马自达Skyactiv-X发动机仍然只能采用传统燃油机的工作策略。进入压燃模式后,火花塞 “跳火”的时机,也需要不断尝试。

此外,因为压燃需要发动机本身具有更高的强度来应对高压,因此Skyactiv-X压燃发动机与以往的Skyactiv发动机没有任何一个零件是通用的,其造价更高,且发动机质量更重,同时,压燃所导致的发动机震动和噪音,需要在NVH及重量方面做出更多的优化。

燃油反应活性控制压燃技术——RCCI:

可能很多人都想过,如果加注汽油的车辆被加注了柴油会有怎样的后果。或许会有人告诉你会引起发动机爆震而对其造成损坏。但今天,RCCI压燃发动机在汽油燃料的基础之上“添加”柴油会带来极高的燃油效率甚至降低排放。

早在2013年,美国汽车工程师学会(SAE)年会时,来自美国威斯康星大学的一支科研团队发表的一篇学术论文引起了广泛的关注,该研究发现利用燃油反应活性控制压燃技术(Reactivity Controlled Compression Ignition,RCCI)可以使发动机在最佳燃烧管理策略和热力学条件下提升燃油燃烧效率并降低尾气排放。通俗来讲,就是使用更加活跃易燃的柴油取代火花塞,来点燃气缸内的汽油混合气。

(1)RCCI压燃发动机如何实现压燃?

首先,RCCI发动机想要实现压燃,需要采用两类燃料,一种是不太容易燃烧的低化学反应燃料(例如汽油);另一种则是相对容易燃烧的高化学反应燃料(例如柴油),但RCCI发动机能够应用于更多的新型燃料上,汽油与柴油只是目前最为容易实现的搭配。

RCCI发动机在吸气及压缩行程中与传统发动机并没有什么两样,位于进气歧管中的喷油器将会喷射出汽油与空气混合并进入气缸当中,而此时位于气缸顶部的喷油嘴会适当喷射出一小部分柴油预先与汽油混合气进一步融合。当活塞上行至接近顶端时,由于空燃比较大,混有柴油、汽油的混合气并无法实现压燃,而此时位于气缸内的喷油嘴再次喷射一次柴油,增加高化学反应燃料的浓度,以在高压强的缸内环境中突破压燃临界点,实现气缸内混合气的点燃。

除了高压缩比能够带来的高燃油经济性外,在第二次柴油喷射时,柴油将吸收一部分缸内的温度,从而降低燃烧温度,抑制燃烧所产生的有害物质(NOx和Soot)以达到降低排放的优势。此外,通过调整汽油与柴油的比例,就调节了缸内燃料的十六烷值,从而实现控制燃烧相位的目的。正是因其有控制燃烧相位的能力,RCCI的可工作区域要宽得多。

(2)RCCI压燃发动机目前面临着哪些难题?

RCCI压燃发动机,需要采用两种不同的燃料,这就意味着搭载RCCI压燃发动机的车辆在加注燃油时需要分别加注两种不同的燃料。同时,还需要配备两套完全独立的燃油供给系统。

最后,由于RCCI使用了柴油这类高化学反应的燃料,因此发动机工作时将会相对暴躁,特别是在高负荷运转时,可能会产生剧烈的震动,同时需要发动机材质能够抵抗更高的压力,故RCCI发动机的体型和质量将会较大。

相关标签: HCCI RCCI 压燃发动机
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