這次應Mazda Taiwan的邀請,我們來到了日本Mazda的地盤廣島參加「Mazda Asian Tech Forum」科技論壇。既然是科技論壇,重點當然是擺在新一代SKYACTIV技術的宣傳,不過會中也宣布了Mazda對於新產品的開發時程與目標,並讓與會媒體實際試駕與體驗。而在眾多新一代SKYACTIV技術中,最受人矚目的當然就是明年即將誕生的下一代汽油引擎「SKYACTIV-X」,因為它可是全世界首具即將步入量產階段、結合火星塞點火與壓縮點火技術的引擎。當然,這具引擎會是明年新一代Mazda 3的主要武器之一,當然要先來來好好地瞭解它!



  


|Mazda的新技術導入計畫|







在介紹新技術前,我們先來看看Mazda在研發上到底有何計畫吧!去年八月,Mazda在一項技術說明會上公佈了名為「Zoom-Zoom宣言2030」的計畫,揭示了品牌到2030年為止對於旗下技術開發的目標,這項計畫共分為「地球」、「社會」、「人」三大領域。所謂的「地球」領域簡單來說就是加強環境保護,從石化燃料的採集到車輛行走的這段過程中降低二氧化碳排放量,這可透過車輛油耗的改進以及電動化,加上生產過程中利用綠能發電、污染抑制等方式達成,以期在2030年時能比2010年消減50%的排放量,2050年則可比2010年降低90%之多。至於在「社會」領域,則是以Mazda Proactive Safety主動預應安全理念為基礎,將 i-ACTIVSENSE 系統逐步普及於旗下車款;此外,Mazda也正研發自家的Co-Pilot Concept自動駕駛科技,以期在2025年成為每款新車的標準配備。最後在「人」的領域中,則是要提供更多駕駛樂趣,持續讓產品實踐「人馬一体」與「魂動」等設計理念且不斷進化。看到這裡,大家應該都還是「霧煞煞」吧?沒關係,我們繼續看下去。
 
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換個更簡單的說明方式,便是Mazda針對上述的每一個領域,都推出了對應的技術,就像「地球」領域可透過內燃引擎與電動化的科技進步達成,「社會」領域則為自動駕駛與車連網,「人」的部分則透過底盤平台與設計來達成目標。因此從圖表上可看出,其實Mazda現有的各項技術都將沿用至2021年以後,但最值得注意的其實是2019年,包括嶄新的SKYACTIV-X汽油引擎、混合動力、電動輔助車型、新一代的Mazda Connect使用介面、第二代的魂動設計語彙、第二代SKYACTIV-Body & Chassis等新科技都將誕生;2020年後則會再加入第二代SKYACTIV-D、PHEV,以及Co-Pilot自動駕駛科技。這也意味著,2019年誕生的Mazda 3,將會有令人耳目一新的外觀、車體、底盤、人車介面,以及SKYACTIV-X引擎,是不是令人相當期待? 有一點值得注意之處便是,正當眾家車廠已經不看好內燃引擎的發展潛力紛紛轉而投入大筆資源進行「電動化」的同時,Mazda仍未放棄內燃引擎的改進工作,因此在Mazda的計畫中,原有的SKYACTIV-G與SKYACTIV-D汽、柴油科技在2021年以前仍會逐步改良進化,柴油部分會推出第二代SKYACTIV-D,至於剛剛一直提到的「SKYACTIV-X」,當然就是新世代的汽油動力,由於它是採用全新模式運作的動力系統,因此Mazda並未稱它為第二代SKYACTIV-G,而是將其獨立給了它一個「X」名號。也就是說,以後Mazda旗下個車款,都會依照車款定位與市場的不同,提供SKYACTIV-G、D、X三種動力選項。

|SKYACTIV-X到底是什麼?|


(點擊小圖可放大)如前述,Mazda認為內燃引擎仍有不小的潛力有待發揮,而他們的研究重點,便是擺在如何讓引擎更一步地接近「理想燃燒」的狀態。上圖即為SKYACTIV汽油與柴油引擎的發展方向,我們先專注於左半部的汽油引擎。其實與舊式代引擎相較,SKYACTIV-G已經透過全球最高的壓縮比、米勒循環、降低運轉阻抗等手法而達到了極高效率,而他們將推出的下一代汽油引擎SKYACTIV-X(紅色虛線部分),則又提高了壓縮比,並透過接下來要介紹的火花控制壓燃點火、稀薄燃燒等方式達到更出色的油耗表現。有多出色?原廠說明可較SKYACTIV-G提升20~30%之多,甚至達到或者超越SKYACTIV-D;至於扭力輸出則可較SKYACTIV-G於全速域提升10%、最高30%的表現! 眾多Mazda的車迷們,對於SKYACTIV-G、SKYACTIV-D等科技想必都十分熟悉,因此我們在這裡不再贅述,但「SKYACTIV-X」又是什麼?在技術文件中,Mazda開宗明義地解釋,「SKYACTIV-X是一種採用汽油壓縮點火技術的引擎,雖然使用燃料為汽油,但卻採取柴油的燃燒方式」。看到這裡想必大部分人又是一頭霧水?
 
內燃引擎的點火方式依照燃料特性的不同,大致上可分為「火花點火」與「壓縮點火」兩種方式。一般的汽油引擎皆採取火花點火(Spark Ignition,以下簡稱SI),也就是利用火星塞點燃混合油氣,此種方式的好處是可精準地控制點火時間,但缺點則是混合油氣的燃燒是從點火點擴散至各處因此燃燒速度較慢,這也意味著混合氣爆燃過程損失了不少作功於活塞上的時間。
 
至於壓縮點火(Compression Ignition,以下簡稱CI),則是利用設定極高的壓縮比,讓燃燒室中產生高溫與高壓促使混合油氣自燃,柴油引擎便是採用此種點火方式,特性是燃燒室內的混合油氣幾乎是同時開始燃燒,因此燃燒時間短而快速,也就是說在活塞一開始下移行程時便能提供強大的爆燃力道推動活塞下移,加上採用壓縮點火後可以更高的空燃比運作、又沒有節氣門而降低泵損失pumping lossing,都讓柴油引擎一直都有較高的熱效率。


接著來看看右圖引擎熱效率與壓縮比的關係圖表,這張圖表說明了汽油引擎在奧圖循環這種等容循環中,理論熱效率與「壓縮比」和「比熱比」成正比(當然實際熱效率低了多),因此提高壓縮比與工作氣體的比熱比便成為了新世代引擎的開發目標,雖然Mazda已經讓SKYACTIV-G引擎擁有全球最高的14:1壓縮比,不過這次又讓SKYACTIV-X達到更驚人的16左右,當然也讓熱效率得以提升。此外,隨著壓縮比的增高熱效率的成長則逐漸趨緩,因此提升比熱比也成為了另一個手段,具體作法則是盡量加大空燃比達成稀薄燃燒並降低燃燒溫度。


一般SI引擎運作時的空燃比大概都隨著不同的轉速、負載狀況而在理論空燃比(14.7)附近變動,想要更省油當然要讓混合油氣愈稀愈好,不過達到理論空燃比的兩倍以上則難以點火,即使點火成功火焰也無法傳播擴大燃燒範圍;Mazda也發現,若採用CI方式點火輔以極高的壓縮比後,即使是高達36.8的空燃比也可於缸內多處同時燃燒,在這種超稀薄燃燒的狀態下,當然對於油耗表現有極大幫助。


好了,既然汽、柴油引擎各有各自的優點,那將兩者的優點摻在一起不就是具完美的引擎了嗎?其實從很久以前開始便有不少車廠都這麼想過,因此後來誕生了一種名為HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition)的均質充量壓縮點火技術(註1),簡單來說,這就是同時具備SI與CI點火方式,並讓極微稀薄的混合油氣也能燃燒的技術,2007年賓士推出的DiesOtto概念引擎便是如此,同時期的GM、VW也都曾進行過此技術的研究,其中當然也包括Mazda!

(註:「均質」即為進入汽缸內的混合油氣濃度是均勻的;相對的則是常用於稀薄燃燒的「成層燃燒」,也就是由於汽缸內混合油氣過稀無法點燃,因此會在火星塞周圍製造較濃的混合油氣幫助點火。)


以往的HCCI看來完美,但實際上CI點火僅能在極狹窄的範圍運作(如低負載、中低轉速),其他時候則依舊為SI點火,而且燃燒模式的切換、燃燒溫度控制也是尚未完全克服的問題,因此此項技術後來並未真正量產;不過Mazda在這領域倒是相當堅持,最後終於克服難題催生了結合SI與CI點火的SKYACTIV-X。


在SKYACTIV-X引擎上,Mazda採用了他們稱為SPCCI (Spark Controlled Compression Ignition)的點火方式。大家請注意HCCI與Mazda SPCCI的命名差異,後者以「Spark Controlled」取代了前者的「Homogeneous Charge」,這代表什麼?

第一,SPCCI雖然是一種CI點火,但「Spark Controlled」火星塞控制其實是SPCCI的一大重點。秘訣便是,火星塞在CI狀態下的主要任務不是為了點火,因為過稀的混合油氣無法點燃,就算點燃後火焰也無法擴散,因此火星塞的任務其實是為了在跳火後在周圍形成一個膨脹火焰球(Air Piston),這個火焰球可配合壓縮行程瞬間讓缸內壓力提高到突破CI燃燒的臨界點,讓其餘混合油氣同時自燃,而透過火星的點火時機與次數的變化,即可控制燃燒室的壓力與溫度,這便是為何Mazda宣稱這是一種「Spark Controlled」的CI。


第二,SKYACTIV-X引擎是以極高空燃比也可運轉的目標而設計,為了讓火星塞能夠成功點火製造膨脹火焰球,Mazda摒除了以往HCCI均質燃燒的概念而採用類似成層燃燒的手法,利用特殊的活塞設計與噴油嘴的多次噴射,在火星塞周圍製造出較濃的混合氣幫助燃燒。由上圖右方空燃比與NOx關係圖表中則可看出,SKYACTIV-X可針對SI與CI配置出不同且幾乎不會產生NOx的空燃比。


相較以往的HCCI,SKYACTIV-X引擎透過SPCCI燃燒擴大了不少壓縮點火的可控制與作用範圍,在高轉速域也能與SI點火有順暢的切換,這些優點便是SKYACTIV-X得以能夠成為全球首具結合SI與CI之量產汽油引擎的原因。

SKYACTIV-X運作說明影片



|SKYACTIV-X的優勢|


 相較於一般汽油引擎,Mazda宣稱SKYACTIV-X因為節氣門的阻抗更低因此擁有更靈敏的應答性,並可維持順暢地加速感直到高轉速域;當然,大幅增進的油耗與輸出表現更是重點。順道一提,雖然原廠並未公佈最大輸出數據,但根據日本媒體掌握的消息,Mazda在開發之初的「目標」為190hp/23.5kgm,比起現行SKYACTIV-G引擎的數據確實高出不少。

|SKYACTIV-X引擎近距離接觸|


前1
前2
後1
後2
這次的Mazda Asian Tech Forum科技論壇中,Mazda也展出了一具SKYACTIV-X引擎正好讓我們可好好端詳。與SKYACTIV-G一樣,這是一具2.0升排氣量的橫置直列四缸引擎,也依舊採用進氣在前、排氣在後的反置式設計。上方可清楚看見每缸的火星塞與缸內直噴高壓噴油嘴,高壓共軌系統為了等長因此刻意製作了複雜的彎曲,除此之外也具備壓力Sensor以便隨時監控缸內壓力隨時調整點火與供油方式。 
外觀正面最大的差異,便是多出了一具以皮帶驅動的魯式機械增壓器,不過有趣的是,這具增壓器並非為了增加動力而配置,而是為了在CI點火的範圍內提供迅速進氣拉高空燃比,在SI點火時則會透過離合器切斷空氣供給,或許是因為這個緣故,原廠在資料中稱其為「High response air supply」而非Supercharger。


在訪談中,原廠工程師證明SKYACTIV-X運用了Miller Cycle的概念,因此進、排氣側當然也都具備可變氣門正時機構;而在不少車廠推出的新世代引擎中,導入更多的EGR(廢氣再循環)已經成為降低溫度、穩定燃燒、並提高空燃比增進熱效率的有效方式之一,SKYACTIV-X也不例外,因此可變氣門正時機構下方的長方形盒狀物體,即為水冷式的EGR Cooler。


|下一代Mazda 3原型車即將現身!|


看完了SKYACTIV-X引擎的介紹後,是不是對這項Mazda的新科技有了深刻的印象?而本次技術論壇,原廠也安排了一輛搭載SKYACTIV-X動力,以及新一代SKYACTIV-Body & Chassis的Prototype車型讓大家試駕,聰明的你應該猜到,這就是明年將要發表的下一代Mazda 3原型車,想知道更多細節,請別錯過我們的試駕報導!
 
文章連結:Mazda 3次世代原型車日本試駕 全新SKYACTIV技術加持大進化