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气体压缩点火发动机的工作原理

气体压缩点火发动机的工作原理

马自达的skyactivx发动机是世界上第一个使用压缩点火的商用汽油发动机。马自达

在2017年夏天,马自达宣布了一项声明:这家汽车公司找到了一种制造客车用压缩点火汽油发动机的方法。马自达声称其新引擎可以将燃油经济性提高20%至30%,这对于汽油发动机来说是一个相当大的成就。

在深入研究这项技术之前,值得注意的是压缩点火发动机并不是一个新概念。f1赛车使用的是压缩点火发动机,其他几家汽车制造商也试图为乘用车开发一种商业上可行的车型。但马自达的引擎,被称为skyactivx,将是第一个大规模生产和商业化的这种引擎。多亏了马自达的动力培训工程师Jay Chen, HowStuffWorks能够了解这个突破是如何实现的。不过,首先我们得看看引擎的基本功能。

发动机的工作方式有两种:点火式和压缩式。火花点火式发动机(点燃式发动机)运用于大多数汽油车。在这些类型的发动机中,火花塞在燃烧室内点燃燃料,而燃料和空气混合物也被压缩。这是一个非常简化的过程,当然,只是为了说明这两种引擎类型之间的主要区别。火花点火发动机遵循一个循环,需要精确的定时工作,但是在各种条件下都是可靠的。

压缩点火发动机的操作更像柴油机。柴油机的设计用于更高的压缩(需要更重的部件和更坚固的结构),并且使用电热塞作为热源,而不是火花塞。电热塞加热压缩室,反过来又增加了燃烧室内的压缩。当燃料被添加到燃烧室时,它被喷在电热塞的尖端,但是这个过程更多地依赖于压缩而不是燃料和电热塞的接触。

如果我们关注的是汽油,你可能会想,为什么要解释柴油机的工作原理呢?简单地说,就是为了说明压缩的重要性。改进汽油发动机的最佳方法是找出如何增加压缩,从而使发动机燃料燃烧效率更高。

压缩点火汽油发动机结合了这些过程的最佳部分。发动机被编程为通过调节排气门和进气门的正时来捕获发动机气缸中的空气(通常是发动机排气)。燃料喷射器向捕获的废气中添加燃料,由于捕获的混合物处于非常高的压缩下,因此相对少量的燃料也能够被点燃。

压缩点火发动机甚至可以分为两种不同的类型。

  • 均质充量压燃点火(HCCI):这类型发动机将空气和燃料混合,然后将混合气体压缩,直到点燃。马自达的发动机将是第一款批量生产的HCCI发动机。
  • 汽油直接压缩点火(GDCI):这类型发动机将汽油喷射到已经被压缩的空气和废气混合物中。

这两种引擎的主要区别在于燃料的加入过程,通过调整发动机的周期和时间来实现。否则,发动机的功能是相似的;压缩是最重要的因素。

压燃式发动机的优缺点

气体压缩点火发动机的工作原理

SKYACTIV-G 2.0升发动机具有2.5升发动机的动力和1.5升柴油发动机的效率。马自达

压缩点火发动机有几个优点,至少有许多缺点。它的好处是:

  • 它比火花点火发动机使用的燃料少
  • 它更有效地使用燃料(换句话说,实际点火和过热损失的能量更少)
  • 由于使用较少的燃料,汽车污染较少

马自达动力传动系统工程师Jay Chen解释道:“简单地说,火花点火就像点燃报纸的火苗,让火焰慢慢地爬过报纸。”“(压缩点火)更像是自燃,燃料和空气达到临界压力和温度,整个电荷同时改变相位,从而同时释放所有的能量。”通过几乎同时释放所有的能量,(压缩点火)可以获得更多的动力(因为它发生之前使用膨胀比)同时使用少两到三倍的燃料和更低的燃烧温度,这进一步减少了浪费的热能和污染物质生成“。

听起来不错,对吧?问题是这些引擎真的很挑剔——如果它们易于设计和使用,我们现在就可以驱动它们了。即使你不熟悉柴油发动机,你也可能听说过在次优条件下它们会很不方便。部分原因在于柴油本身,它在极冷的温度下有“凝胶”的倾向。汽油没有这种问题,即使在低温条件下也能保持液态。但是压缩点火仍然会受到天气和其他环境条件以及燃料质量等因素的影响。

“到目前为止,压燃式内燃机只存在于稳定的实验室条件下,或原始车辆原型太粗糙,不能用于生产,”Jay Chen说。

换句话说,如果气缸里的压力和温度没有得到很好的维持,这个过程就不能工作。温度过冷会损坏发动机的敏感部件。如果发动机太热,就会开始爆震(当燃料和空气混合物变得太热并在错误的时间引爆时发生的一种状况),从而浪费燃料,导致引擎运转不畅。火花点火发动机也会受太冷或太热影响,但容错范围要大得多。

使压缩点火发动机可靠地工作取决于空气,燃料和废气的精确组合,以完美的比例混合,在完美的压缩下,在正确的时间施加适量的热量。众所周知,没有人能够用压缩点火燃气发动机制造汽车,所以这个过程需要进一步完善。

汽油发动机的未来

气体压缩点火发动机的工作原理

马自达宣布这一消息后不久,汽车行业的专家们就开始猜测大众市场的压缩点火发动机能否“拯救”燃气发动机。也就是说,随着汽车行业朝着混合动力和电力技术的方向发展,这种燃气发动机的效率是否足以成为一个可行的竞争者呢?

Jay Chen表示,马自达的动力来自于这样一种信念:“通过挤压内燃机的每一点效率(与完善内燃机后的电气化结合),我们可以提供一种为汽车提供动力的方法,与纯电池电动车相同或更少的二氧化碳排放,而纯电池电动车是由各种形式的化石燃料发电厂驱动的。

换句话说,马自达认为,随着不断的创新,汽油发动机驱动的汽车至少可以和电动汽车一样高效,甚至可能更高效。让我们来看看这个在压缩点火技术上的突破与之前有什么不同。

2007年,顺应汽车潮流推出了由压燃式发动机驱动的Saturn Aura(土星光环),与普通Aura相比,燃油消耗降低了15%[来源:Markus ]。当时,通用汽车预计将在2015年推出一款带有压缩点火引擎的汽车,但仅仅几年后,Saturn品牌就被关闭了,通用汽车逐渐将重点转向电动和插电式混合动力汽车,如雪佛兰Volt。

大约在同一时间,梅赛德斯 – 奔驰正在开发一种名为DiesOtto的压缩点火系统,福特也有一个正在开发的项目。然而,这些发动机都没有实现生产的绿灯,而现代的经验可能有助于解释为什么。

除了马自达,现代汽车也取得了最大的进步,并在2013年左右首次曝光。该公司设计的压缩点火式发动机没有火花塞或电热塞,目标发布日期为2023。

尽管取得了可喜的进展,但现代汽车公司在2016年透露,发动机部件的强度还不足以应对该技术所需的压缩强度。当然,可以设计更强的发动机部件,即缸体,曲柄和轴承。这就是柴油发动机的工作原理。它只是非常昂贵,而那些更强大的部件增加了汽车的重量并降低了整体效率。现代一直计划使用涡轮增压器来增加动力并保持必要的压缩,但是他们发现他们还需要增压器,这进一步削弱了预算。最后,现代对这些动力系统产生的污染量并不满意。最后,该项目的成本要高得多,并且不如计划的那么干净和高效。

马自达的开发工作几乎与其竞争对手一样长久。

“在第一代Skyactiv推出之前,skyactivx就一直在计划之中,”马自达工程师陈解释说。“路线图的第一步是马自达在2009年推出的Skyactiv技术。当时关键的改进是应用了非常规的高发动机压缩比来提高发动机整体效率和动力系统性能。这是通过现有技术的协同结合来实现的(在那之前)人们认为生产发动机是不可能的。

用外行的话来说:“Skyactiv”是马自达提高压缩效率的策略,而马自达不得不稍微修改一下以使即将到来的skyactivx运转起来。马自达在这一修修补补的结果是,在混合动力中加入了一个火花塞,这样引擎就可以根据当时效率最高的发动机在压缩和点火之间进行切换。这听起来似乎与高压缩引擎技术的基本原理相悖,但陈说这是可行的。

我们称之为火花控制压缩点火(SPCCI)的这一突破,极大地扩展了压缩点火操作和控制的可用范围,并为CI(压缩点火)和SI(火花点火)燃烧模式(在skyactivx)之间无缝过渡提供了解决方案,”陈说。

更简单地说,火花塞是神奇的成分,使发动机能够平稳运行并根据不同的条件进行调整,并且只有在绝对必要时才能使用。马自达的发动机设计用于监控自身并根据当前环境条件,驾驶汽车的方式以及驾驶员的偏好和设置等因素调整其操作

马自达想出这个主意之后,又花了两年的时间来开发这个引擎,在此期间又做出了一个重要的决定。配备skyactivx引擎的车辆将配备超级充电器,以提高马力规格,这将改善驾驶动力,并有助于说服潜在买家尝试这项新技术。

最后一个大问题,什么时候才能买到?马自达的一位发言人说,公司还不能透露哪些车型将是第一批配备skyactivx引擎的车型,以及何时能上市。我们也不知道用压缩点火发动机驱动的车辆是否会比用火花点火发动机驱动的同类车辆花费更多。不过,可以肯定的是,马自达将率先推出这种技术,其他制造商几乎肯定会效仿。

howstuffworks

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