除了第一眼看到的外觀造型,一部汽車的靈魂所在,就是能夠讓車輛發動、行走、達到「代步工具」功能的「引擎」!「引擎」這個發展超過130年的出力機體,大多藉著燃燒燃料的方式,產生爆炸進而推動引擎運作而出力,達到驅動車輛行走的目地。所以各家車廠無不費盡心思,利用各種科技來增進工作效率,像是可變氣門正時+揚程、提高壓縮比、零件輕量化、缸內直噴供油、渦輪+機械增壓等等琳瑯滿目的科技及技術,為了就是能夠完整發揮燃料的燃燒效率。

所以現在許多車廠所推出的引擎,多半具備了各式高科技的引擎技術,至於能夠壓縮空氣、發揮比自然進氣更高效能的渦輪增壓,也變得十分普及且常見!以渦輪增壓的作用來說,利用壓縮空氣、提高引擎壓縮比、熱工作效率等原理來提高輸出動力及改變油耗,雖然成效有目共睹,但是對於Mazda這家規模不算太大的日本車廠來說,與其額外採用渦輪增壓、考量周邊因應的配置與花費,為什麼不從最基本的、也就是引擎本身的工作效率著手?

其實Mazda是很有資格講這句話的,論究發揮引擎輸出效能,Mazda獨步全球的Rotary轉子引擎威力相信大家都不陌生,而且說到缸內直噴、渦輪增壓技術的把玩,上一代Mazda MPS車系「DISI直噴+渦輪」的性能演出,很多人應該也記憶猶新,但是Mazda在現今一片渦輪浪潮中選擇回歸自然進氣的原點,回到最基本的發揮引擎輸出效能,再去考量渦輪增壓等外在輔助方法,坦白說,這個擇善固執的觀念和想法,就是日本人令人佩服的地方。


嚴格來說,Mazda為了提升車輛性能、節省油耗所做的改變,不單僅只引擎科技,像是變速箱傳輸效率、高剛性車體、底盤輕量化工程等項目,都是其修改強化的重點所在,而這個概括總成的改變,Mazda給予了「Skyactiv」名稱。

至於整體影響最大的引擎科技,能夠不用渦輪增壓,就可以創造不錯的動力及亮眼油耗,對於喜好研究車輛科技、做事錙銖計較的小編來說,光是從官方網站的圖片或是影片動畫的介紹,實在有隔靴搔癢的遺憾!如果能藉著實際引擎的拆解,親手拿著活塞、連桿等這些活脫又真實的引擎零件,去瞭解Mazda Skyactiv科技的奧妙,那感覺一定很棒!

所以我們真的就找來一顆Mazda 3的Skyactiv-G引擎,然後痛快的給它拆光分解了!!!


左(由上至下):汽缸本體、活塞、活塞環、插銷、連桿、大波斯、曲軸  (左側由上至下):正時鍊條+導板、機油泵浦齒輪+鍊條+曲軸正時齒輪、機油泵浦

中(由上至下):曲軸箱、曲軸固定蓋、高壓噴油嘴

右1(由上至下):汽缸頭、氣門、氣門彈簧、凸輪軸普利盤、凸輪軸、凸輪軸固定蓋、搖臂機構

右2:4-2-1排氣管頭段


在講解硬體結構及學理科技之前,我們先來瞭解一下Skyactiv科技中的「Skyactiv-G」汽油引擎的由來!Mazda第一顆Skyactiv引擎的搭載車款,為2011年6月問世的第三代Demio(也就是Mazda 2),引擎為1.3升自然進氣型式,高達14.1的壓縮比創下市售自然進氣引擎的紀錄,也正式掀起Mazda Skyactiv科技的序幕!

以現今Skyactiv科技中的引擎系統來看,主要分為汽油引擎的Skyactiv-G和柴油引擎的Skyactiv-D二大類,至於此次拆解的Skyactiv-G引擎是從Mazda 3而來,這顆排氣量2.0升並採用Skyactiv科技的出力機體,在Mazda 3上可以發揮165hp/21.4kgm最大動力,其實單以自然進氣的標準來看,該輸出已經擁有以往2.3升甚至2.5升排氣量的水準,也廣泛採用於CX-3、CX-5、Mazda 6及MX-5等車款上,算是Mazda現行主力搭載引擎的代表。


Skyactiv-G引擎五大科技介紹

為了從沒有使用到的70%燃油浪費中找回最佳燃燒效率,Skyactiv-G汽油引擎進行了「引擎零件輕量化」、「提高壓縮比」、「缸內直噴供油」、「Dual S-VT進排氣可變氣門正時」、「4-2-1排氣系統」五項進化改變,讓輸出動力與節能油耗能夠完美兼具。


科技1:引擎零件輕量化

(圖為鋁合金汽缸本體,並採開放式水道設計)
引擎的輕量化是Mazda Skyactiv-G首要任務,像是汽缸本體、曲軸箱這類大型配件,到活塞、連桿、曲軸等運作零件,都有必要進行偷輕減重。坦白說,與其錙銖計較引擎機件的輕量減重,Mazda大可以用其他方式,達到提升輸出性能和油耗節能的目地!

畢竟單靠「輕量化」要有明顯的進步,其實並非藉著引擎內部的改變就可以很「有感」,而且改換這些以輕量材質製造、且又特別針對外型切削偷輕的零件,也會增加額外的製造成本,鮮少有車廠願意在一般市售車投注這種極致要求的心血,多半在高性能且彰顯自家招牌的指標性車款才會採用,或是乾脆省去這類開發成本,直接選擇渦輪增壓或成效比較明顯的其他技術取代。

所以Skyactiv-G願意選擇「輕量化」之路,實在值得掌聲鼓勵,至於輕量化除了可以減少重量的額外負擔,像是肩負動力生產重要關鍵的活塞、連桿和曲軸,若採用輕盈的材質製作就可降低運作時的負擔,連同像是活塞環等摩擦機件也改換低阻抗的材質,就可以讓引擎作動時能夠更為平滑順暢,動力輸出也更直接、損耗程度也大為減少。


(圖為活塞環、活塞、活塞插銷、連桿)
根據Mazda官方資料顯示,相較於前代MZR引擎,Skyactiv-G心臟的活塞減少20%、連桿15%以及曲軸6~8%的輕量化,以及採用低阻抗的材質,因此總共削減了10公斤重量以及減少30%摩擦力。


(圖為Skyactiv-G引擎連桿,為了減重輕量化在連桿柄處的寬度明顯細瘦許多,並也向內挖空來偷輕,在與活塞結合處的插銷插孔也設有讓機油流入潤滑的機油孔)


(圖為曲軸箱、曲軸、大波斯)
早先在引擎輕量化的改造工程中,多半先從上半部採用鋁合金材質著手,因此下半部的曲軸箱仍多為鑄鐵材質設計,就效能表現來說,鑄鐵材質比較能夠承受高溫、高壓的曲軸箱工作環境,但重量較高對於整體負擔仍是有一定程度影響,不過現今許多車廠已經解決這個問題,即便採用鋁合金曲軸箱也能承受嚴苛的工作環境,又能達到輕量化及高散熱性的目地。


(圖為曲軸,在造型有如斧頭的「大端」有深淺不一的鑽孔,主要作為配重之用,以因應曲軸高速運轉時的重量平衡,也能夠對應更高轉速的運作環境。)

MZR x Skyactiv-G二代重量比一比

(圖為上一代Mazda 3搭載的MZR 2.0升引擎) (引擎協力:SRR翔展)
為了驗證Skyactiv-G引擎是否真的有進行輕量化,我們找來上一代MZR引擎的內部零件以及電子秤,進行錙銖計較的實際秤重。不過在秤重前,我們可以看出MZR的活塞、連桿造型較為方正且結構「粗勇」,不像Skyactiv-G來的輕薄與細瘦。


(圖為MZR引擎的單顆活塞總成,除了活塞本體,活塞環及插銷都與活塞結合未卸除)
MZR引擎的單顆活塞總成重量,經過電子秤重後的重量得為436公克。先不說活塞頂部的平頂造型,從其活塞裙長度就大概能看出其較具「份量」的感覺。


(圖為Skyactiv-G活塞總成,包含活塞、插銷及活塞環)
經過實際秤重,單顆Skyactiv-G活塞總成的重量為346公克,比起MZR引擎活塞少了90公克,因此光是一顆引擎的活塞總重量差異就有360公克。活塞輕盈的重點是藉著縮短活塞裙長度,以及厚度的薄型化處理,如此一來才能夠達到減重的目地。


(圖為MZR引擎的連桿,除了連桿本體連同固定螺絲也一併算入重量。)
經過實際秤重,單根MZR連桿總成的重量為502公克。從其方正又厚實粗勇的造型來看,想必重量就不太輕盈。


(圖為Skyactiv-G引擎的連桿總成,除了連桿本體連同固定螺絲也一併計算。)
單從連桿造型來看,Skyactiv-G連桿的桿身採用漸縮設計,藉此能夠減少不必要的重量,至於與曲軸結合地方的「肉」也盡可能精簡,如此才能夠將重量減至484公克,與MZR連桿單根差距為18公克,而單顆引擎的總重也達到72公克的差距。

科技2:提高壓縮比

提高壓縮比,是自然進氣引擎除了加大排氣量之外,另一項提升性能動力的方式。依照各個地區及市場的汽油辛烷值及品質不同,Mazda Skyactiv-G汽油引擎的壓縮比多半設定在13.1~14.1之間,提高壓縮比可以提升引擎動力的原因很簡單,我們從壓縮比計算公式(活塞下死點汽缸總容積÷活塞上死點的燃燒室容積)來看,壓縮比越高代表活塞到達上死點時爆炸壓力也愈大,所以才有切削缸頭或換凸頂活塞減少燃燒室容積、提高壓縮比的方式,高熱的工作效率也帶來高動力輸出,這就是提高壓縮比會性能的原因。

不過提高壓縮比帶來的高熱,會讓活塞還沒到達上死點時,汽油就已經爆炸,對於引擎動力的減損和耐用度都有一定程度的影響。為了提高壓縮比,Mazda採用凸頂式活塞來縮減燃燒室容積而將壓縮比提高到14.1,同時也因應爆震的可能性,能夠降低溫度的供油則採用缸內直噴系統來解決。

 此外,這顆凸頂活塞的上端設有一個凹槽,這個凹槽功能頗多,第一個就是能夠將爆炸的火源及熱能集中,避免高壓縮比可能發生的提前爆炸產生在其他地方,況且如果沒有這個凹槽,活塞最尖的地方直接與高熱油氣碰觸可能因此造成失溫而爆炸不均,因此這凹槽也有熱能儲存的功用。第二個就是造成渦流效應,因為缸內直噴供油的油量少於傳統的歧管噴油方式,所以將少量的供油藉著渦流效應充份的讓汽油與空氣混合,就能夠達到最佳燃燒效能。

科技3:缸內直噴供油

缸內直噴供油這個技術,以日本車廠為例,其實早在1996年的時候,Mitsubishi就以GDI為名推出這個取代在進氣歧管噴油的劃世代供油科技,藉著直接在燃燒室供油,獲取更直接且有效的汽油燃燒效能。這個科技雖然立意很好,但是直噴供油系統除了需具備能夠高壓供油的噴油嘴、高壓汽油泵浦之外,周邊系統也得同步修正搭配。

像是進氣管路要更直接、須要能夠渦流效應的活塞頂造型、解決高溫而產生的NOx廢氣以及能夠精確控制及計算噴油時機的電腦系統,才算是一個成熟的直噴供油系統。不過因Mitsubishi無法解決使用GDI缸內直噴供油產生的問題,即便後續推出的Sigma引擎針對GDI直噴供油的問題予以改良,但是像是採用四個觸媒解決NOx廢氣過高的這類頭痛醫頭、腳痛醫腳的治標方式,不僅造成額外的成本浪費也無法根治問題,最終只能放棄研發。

Mazda對於缸內直噴供油的研發,在上一代車型像是MPS高性能版本就有搭載採用,不過從上一代DISI系統再進化而來的Skyactiv科技,Mazda對於噴油嘴的設計又更為精進。以Skyactiv-G引擎配置的缸內直噴供油為例,一個高壓汽油噴油嘴就設計六個噴油孔,能夠更完整的讓燃油發揮霧化效果,至於位於低壓汽油泵浦、汽油油軌間的高壓汽油泵浦,這個缸內直噴供油的「靈魂人物」,可以用高達3000PSI壓力將汽油加壓,然後輸入到油軌及噴油嘴後將汽油噴出。同時也藉著缸內直噴供油,Skyactiv-G引擎才能夠解決高壓縮比帶來的高熱,以及排氣頭段較長、容易失溫的問題,是Skyactiv科技中相當重要的關鍵系統!

科技4:Dual S-VT進排氣可變氣門正時

嚴格來說可變氣門已經不算是個「高科技」系統,更別說整合可變氣門揚程的複合式控制系統,在世界各家車廠來說都是十分常見的技術。可變氣門正時這個利用油壓來驅動凸輪軸普利盤,來改變氣門開啟和關閉時間的機構,可分為進氣端和排氣端二種,藉著改變進氣時機以及進排氣正重疊時間,達到強化低速扭力以及增強高速性能的目地。

Skyactiv-G引擎在進、排氣門都設有可變氣門正時的系統,這個名為Dual S-VT的可變科技,在於節能省油方面,Skyactiv-G引擎藉著「晚關」進氣端的氣門、縮短進排氣重疊時間,減少原本低速或怠速狀態時的廢氣回流,以及解決採用4-2-1頭段較長、觸媒升溫慢的情形,至於排氣門的可變行程,則可依照進氣門的開啟時機,在高速衝刺狀態加大進排氣門重疊的時間,以加強排氣效能的方式達到提升動力的目地。


Mazda Skyactiv-G的S-VT可變氣門正時系統,用來改變凸輪軸頂壓氣門時間的關鍵,就是由電腦驅動油壓而推動的普利盤,而其設計的目地是在於節省油耗及減少廢氣回流與加快觸媒升溫的結果。


(圖為Skyactiv-G引擎的缸頭燃燒室)
位於上方且造型較大的圓形孔位為進氣門、下方的孔位則為排氣門,在二個進氣氣門之間後方的扇形孔位為噴油嘴置放位置,至於位於正中央的圓孔則是火星塞孔位。


根據我們實際量測,Skyactiv-G引擎的氣門重量與MZR引擎同為156公克(一個汽缸配置的進氣門、排氣門、進氣門彈簧、排氣門彈簧各一),看似輕量化工程並未針對上座多做改變,不過據官方提供的數據顯示,Skyactiv-G進、排氣門等配件因採低摩擦材質的關係,氣門運作時的阻抗及慣性因此減低54%,進氣效能也提高13%水準。

科技5:4-2-1排氣管頭段

這個造型獨特且對於汽油燃燒效能也有影響的4-2-1排氣管頭段,也是Skyactiv-G引擎特別的地方!一般來說,通暢的排氣路徑對於引擎性能來說是個加分的設計,以進氣、壓縮、爆炸、排氣四個行程來看,如果可以越順暢的將汽缸內的廢氣排出,連帶著也會讓汽缸更通暢的將空氣吸入,不過這個理論比較適用於重負載和高速行駛狀態,對於低速行駛甚至怠速的時候,就不見得是個好的設計。


(圖為一、四缸,二、三缸的4-2頭段設計)
所謂通暢的排氣路徑,就是俗稱4-1-1的排氣路徑,其中4-1就是四缸廢氣排出後匯集於一根排氣管然後向後導出,至於4-2-1的排氣設計則是將四缸的排氣先分別依一、四缸及二、三缸予以匯集,然後再將這二根排氣管的廢氣一起集中排出。

以排氣路徑來說,4-1頭段自然比4-2來的短捷,也是現今多數車款採用的主力,不過較短的排氣路徑以及四缸通通匯流一起的設計,在高速狀態的確可以達到快速排氣的功效,但是在低速或是怠速狀態,可能因為排氣重疊的關係,四缸分別排出廢氣堵在匯流處造成回流。當高溫的廢氣流回排氣門,會連帶將缸頭的溫度提高,高熱的缸頭溫度則會拉高燃燒室溫度而造成爆震。


(圖為一、四缸和二、三缸匯流處,以及頭段觸媒及含氧感知器置放位置。)
為了解決這個問題,Skyactiv-G按照四缸點火順序的設計,先將一、四缸和二、三缸的排氣分別統整,解決四缸排氣重疊的亂流情形,同時也藉著各二缸的整合拉長管徑,避免排氣路徑較短而回流,原本因廢氣回流高熱造成爆震的情形也一併解決。

不過拉長排氣頭段也會帶來一些問題,像是靠著廢氣「加熱」分解有毒物的觸媒轉換器,因為路徑過長、排氣管溫度降低,造成在怠速時溫度較低,連帶影響觸媒無法到達工作溫度、空氣汙染的問題。這個情形Skyactiv-G引擎先利用我們眼見「包圍式」頭段造型,利用頭段包圍加快觸媒升溫(也能節省空間),同時也利用S-VT可變氣門正時系統減少進排氣重疊時間,以及改變點火時機、缸內直噴供油壓力等方式,解決觸媒升溫不易的問題。

沒有渦輪增壓,一樣高性能、一樣很環保

輕量化減重的引擎零件、提高壓縮比的凸頂凹槽活塞,是奠定Skyactiv-G引擎對於減少運作慣性、提升高壓縮比、強化動力,又能節省油耗十分重要的硬體架構。


缸內直噴供油、Dual S-VT可變氣門正時系統,一個精確控制油量的供油機構以及一個控管進排氣時機的系統,除了本身對於性能及油耗都有一定影響力的作用,綜合二者的作動方式,也可以改變及解決為了避免廢氣回流4-2-1頭段可能產生的觸媒低溫情形。

綜觀上述五大項的重點科技,Skyactiv-G引擎不需要採用時下當紅的渦輪增壓,一樣可以創造亮眼的動力輸出,以及節能高水準的油耗表現,此外再搭配提高傳輸效率的變速箱、高剛性材質打造的車體架構,以及輕量化、實現「人馬一體」操控精神的底盤,整合為Mazda引以為傲的Skyactiv科技。


最後,為了此次「小惡魔汽車教室」編輯部特別拍攝Skyactiv-G引擎科技介紹的影片,藉著小編實際的解說(初次登場很緊張勿大鞭)以及動畫的輔助,希望能夠讓網友們更瞭解Mazda Skyactiv-G引擎科技的奧妙之處。