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

　　馬自達(dá)將于2011年上半年推出的配備新一代發(fā)動(dòng)機(jī)的“德米歐（Demio）”，可在無(wú)馬達(dá)助推的情況下實(shí)現(xiàn)30km/L的10·15模式燃效。馬自達(dá)于10月20日發(fā)布的新一代車輛技術(shù)“SKYACTIV”在汽車業(yè)界引起了巨大反響。這是因?yàn)?0km/L的燃效與在馬自達(dá)發(fā)布之前的10月8日本田所發(fā)布的“飛度混合動(dòng)力車”相同。

促進(jìn)企業(yè)增強(qiáng)實(shí)力

圖1　新型手動(dòng)變速箱“SKYACTIV-MT” 實(shí)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(zhuǎn)向系統(tǒng)、（b）后懸掛系統(tǒng)。馬自達(dá)表示，該系統(tǒng)兼具準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)向功能以及舒適的乘坐感受。

　　馬自達(dá)開發(fā)的新一代車輛技術(shù)“SKYACTIV”由以下6項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)成。

（1）作為汽油發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)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(dòng)機(jī) “SKYACTIV-G”（參照?qǐng)DA ）

（2）作為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了14.0這一世界最低壓縮比的綠色柴油發(fā)動(dòng)機(jī) “SKYACTIVD”（參照?qǐng)DA ）

（3）提高了傳導(dǎo)效率的自動(dòng)變速箱“SKYACTIV-Drive”（參照?qǐng)DA ）

（4） 實(shí)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(dòng)變速箱“SKYACTIV-MT”（參照?qǐng)D1）

（5） 實(shí)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?qǐng)DA ）

（6） 兼具準(zhǔn)確轉(zhuǎn)向功能及舒適乘坐感受的高性能輕量底盤“SKYACTIV-Chassis”（參照?qǐng)D2）

　　這些關(guān)鍵技術(shù)將在本文逐步詳細(xì)介紹。其實(shí)馬自達(dá)SKYACTIV的最大特點(diǎn)不僅僅是發(fā)動(dòng)機(jī)或者車體的改進(jìn)，而在于對(duì)車輛整體進(jìn)行了統(tǒng)一更新。

　　例如新型汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。由于可提高排氣效率，因此，比以往加長(zhǎng)了的排氣歧管（Manifold）。這是這款新型汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的最大特點(diǎn)。因?yàn)橄鄳?yīng)地要占據(jù)更大空間，所以排氣歧管無(wú)法安裝到以往車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)室內(nèi)。此次通過同時(shí)更新車架及發(fā)動(dòng)機(jī)，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(duì)生產(chǎn)規(guī)模較大的廠商而言，同時(shí)更新車架及發(fā)動(dòng)機(jī)是相當(dāng)困難的。“正因?yàn)楸竟臼且?guī)模不太大的廠商，所以才做到了”（馬自達(dá)）。

　　另外在各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)方面，馬自達(dá)超越排氣量及車輛尺寸的差異而采用相同的基本構(gòu)造，借此實(shí)現(xiàn)相同設(shè)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(dá)的目的是將關(guān)鍵技術(shù)的更新與企業(yè)實(shí)力的增強(qiáng)掛起鉤來。

將壓縮比提高到14.0

　　此次馬自達(dá)開發(fā)SKYACTIV的最大目標(biāo)是提高燃效。與豐田及本田將混合動(dòng)力技術(shù)定位于燃效提升技術(shù)的核心不同，馬自達(dá)的基本出發(fā)點(diǎn)是首先全面改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)及變速箱等基礎(chǔ)技術(shù)，在此基礎(chǔ)上再導(dǎo)入制動(dòng)能量再生以及混合動(dòng)力等電動(dòng)化技術(shù)的“構(gòu)件（Building Block）”戰(zhàn)略。

　

　

 

　　馬自達(dá)的方針是不僅改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dá)車的平均燃效比2008年提高30％。力爭(zhēng)通過發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)提高15～20％；通過變速箱的改進(jìn)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(jī)構(gòu)等合計(jì)提高30％。

　　其中最具特點(diǎn)的是，新型汽油發(fā)動(dòng)機(jī)由于實(shí)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(dòng)機(jī)的壓縮比方面，在標(biāo)準(zhǔn)汽油規(guī)格下為10.0左右。馬自達(dá)表示，如果將壓縮比從10.0提高到15.0，則有望實(shí)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)相比，提高了約15％。燃料消耗量比已有的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)更少。

 

　　之所以此前壓縮比停留在10左右，是因?yàn)闊o(wú)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(diǎn)溫度。馬自達(dá)重點(diǎn)關(guān)注的是不能從燃燒室排放出來的高溫殘留氣體。如果按照?qǐng)D形來考慮的話，壓縮比為10.0的發(fā)動(dòng)機(jī)上的活塞即使到達(dá)上止點(diǎn)，汽缸內(nèi)燃燒氣體仍會(huì)有10％的殘留。

　　馬自達(dá)的計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)殘留氣體溫度為750 ℃、新氣溫度為25 ℃時(shí)，如果殘留氣體占10％，那么壓縮上止點(diǎn)的溫度會(huì)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(diǎn)也不會(huì)上升。

加長(zhǎng)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(duì)觸媒進(jìn)行激活，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)大多采用盡量縮短排氣歧管、并將觸媒配置在發(fā)動(dòng)機(jī)后面的構(gòu)造。然而，如果到排氣歧管集合點(diǎn)的距離太短的話，就會(huì)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(huì)到達(dá)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(huì)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(jìn)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(jié)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(dá)采用了增加排氣歧管長(zhǎng)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(gè)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(zhǎng)。馬自達(dá)通過采用卷成環(huán)狀的“Loop型排氣管”，實(shí)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(zhēng)的事實(shí)。
　

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

　　為此，新型汽油發(fā)動(dòng)機(jī)在活塞的上表面設(shè)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(shí)現(xiàn)了即使推遲點(diǎn)火時(shí)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(jìn)之外，馬自達(dá)還著手降低發(fā)動(dòng)機(jī)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(wú)需后處理即可減少NOx

　　新型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)SKYACTIV-D的特點(diǎn)是，由于實(shí)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(zhǎng)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(dá)造的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、以及同類競(jìng)爭(zhēng)車的發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的常識(shí)，成功地使燃效得到提高，這其中有2個(gè)理由。一個(gè)理由是，降低壓縮比使燃燒狀況得到了改善；另一個(gè)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?yàn)槿剂吓c空氣的均勻混合可促進(jìn)燃燒。在以往那樣壓縮比較高的發(fā)動(dòng)機(jī)中，活塞上止點(diǎn)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(huì)在燃料與空氣尚未充分混合時(shí)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(dòng)機(jī)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(qū)動(dòng)力的沖程就會(huì)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(dòng)機(jī)（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(qū)動(dòng)力的活塞移動(dòng)沖程就會(huì)變短。但是，在SKYACTIV-D（下）中由于是在上止點(diǎn)附近噴射燃料，所以，用于產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力的活塞移動(dòng)沖程增長(zhǎng)。

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