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记者丨Adrian
责编丨听雪吃火锅
随着“搭载SKYACTIV-X的马自达3 Axela和CX30即将进入国内”的消息越炒越热，HCCI（均质压燃）技术再一次成为了的热点。本期就回头再来聊聊这项技术，以及我对它未来的展望。
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看到“压燃”二字，肯定有朋友说，这东西我知道，柴油机不就是这样么？的确，柴油引擎是压燃没错，但是它和汽油引擎的压燃有本质的区别，汽油机的压燃是一种全新的燃烧模型。别怕，本期内容不牵扯任何公式，尽量用最简洁的语言说明白。首先，简单说两句柴油机的压燃是怎么回事，所谓的压燃，其实并不准确，柴油引擎在压缩冲程中仅仅是压缩空气，到达上止点之后才喷油，然后利用高温空气将柴油引燃。如果把整个燃烧过程切开来看，高压喷射的柴油在刚刚喷油的时候并没被点燃（滞燃期），因为燃油周围没有足够的氧气。之后，油滴逐渐扩散开来，获得了足够的氧气开始燃烧（急燃期）。随着燃烧的进行，火焰逐渐散开，燃烧室的内温度达到峰值（后燃期）。
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这张图能更直观的看到柴油燃烧的过程
总之，柴油引擎的燃烧方式是扩撒燃烧，从开始燃烧到完全释放完能量需要一个过程。正是由于这样的特性，所以柴油引擎可以很低转速运行，比如船舶上那些每分钟只有几十、一百来转的低速柴油机。那么汽油引擎的均质压燃又是怎么一回事呢？其实它和普通的汽油引擎是一样的，在吸气冲程内将混合气体注入气缸，在压缩的上止点时，缸内温度达到混合气体的闪点，从而引燃混合气。
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接下来的问题是，汽油引擎为什么要做均质压燃，有什么好处么？简单来说均质压燃是为了提升热效率，让燃料更快的燃烧、释放能量，从而接近理想的奥拓循环。为了更清楚的理解，先要倒回去说说传统汽油引擎的工作方式。类比于之前的柴油引擎，虽然汽油引擎燃烧速度快，但同样会有一个过程，最开始的火焰是火花塞引起的，而后火焰会以火花塞为中心逐渐扩散开来。既然是一个过程，那么在活塞位于上止点时点火显然就晚了，因为当混合气完全燃烧、释放能量时，活塞已经处于下行状态了，燃料中的化学能并没有被充分利用。为了提升效率，引擎设计时会有点火提前角的概念，也就是在活塞上行处于上止点之前，火花塞就点火，当活塞处于上止点之时，混合气体正好全部燃烧。但是即便是点火角提前了，燃烧依旧不够完美，因为最靠近火花塞那部分混合气被点燃时，活塞还在上行，所以这部分能量被浪费了。而在均质压燃汽油引擎中，燃料和空气完全是预先混合的，并且是稀薄混合气（空气多燃料少），供油方式一般为歧管喷射。混合气体达到某个临界点时，会自发点火。由于缸内混合气是均匀的，温度也几乎一样，所以自发点火会迅速在缸内各处发生，快速完成燃烧，所以汽油压燃是将燃烧过程尽可能的压缩成一个时刻，这就更加接近完美的燃烧模型。
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除了燃烧快之外，均质压燃汽油引擎缸内温度会更低。我们知道内燃机是将化学能转换为热能，然后再把热能转化为机械能，所谓“热效率”就是热能转化为机械能的效率。低温燃烧损失的热量就会更少，另外散热系统能耗也会更低，从而提升整体的热效率。前两天看到一篇论文，是东京工业大学发的，他们在稀薄燃烧的基础上加入了水喷射系统，目的还是进一步降低气缸内温度，实现更低温度条件下的燃烧，最终指示热效率提高到了52%。既然对提高效率有这么大的帮助，为什么只有马自达在搞均质压燃，其他厂商却无动于衷。背后的最重要的原因是，均质压燃并不完美。最让工程师们头疼的是，如何控制点火时刻。柴油引擎是简单的，它压缩的是空气，所以喷油就做功，不喷油就不做功。但汽油压燃引擎不行，它压缩的是混合气体，而混合气对于温度是极其敏感的，温度低了压不着，温度高了会早燃爆震。
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举个例子，比如冬天冷启动的情况，空气温度很低，引擎也是凉的，此时混合气体一定是无法压燃的。相反，在高负荷的工况下，缸内温度提升，爆震、早燃的风险自然会大幅的飙升。点火难以控制衍生出另一个问题，汽油压燃引擎的工作区间很窄，只能在特定的工况、转速下工作。那么其余的工况怎么办？当然是像传统引擎一样用火花塞点火了，马自达就是这样做的，压燃只存在于某些特定的工况，更多的情况下依然是款传统引擎。另外要说一点的是，汽油压燃引擎的动力爆发是弱项，大家不要看马自达引擎输出功率高就认为是压燃的功劳。之前也提到了，稀薄燃烧是汽油压燃引擎必要条件，而稀薄混合气的能量低，导致同等排量下其升功率只有普通引擎的一半。至于马自达SKYACTIV-X引擎的高功率，那是其他技术赋予的，能确定在最大功率点一定不是采用压燃的点火模式。
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虽然汽油压燃技术本身有很大的局限性，但也有很多手段可以优化。比如以前提到的水喷射技术，它可以拓宽汽油压燃引擎的工作区间，在高负荷状况下，用水的潜热效应为气缸降温，保证在压燃前不会产生爆震。水喷射这项技术在很多高性能跑车上都有应用，比如宝马M4GTS、保时捷911GT2，目的就是在高负荷时减少爆震，从而进一步压榨发动机的潜力。所以水喷射和汽油压燃结合是可以进一步提升热效率，同时还能拓展汽油压燃引擎的工作范围，一举两得，另外一个更加务实，更加简洁的方式是加速混动系统，让电动机来调节引擎的运行工况。就像本田的iMMD技术，引擎更像是一个发电机，他在绝大数情况下都运行在最高热效率区间。同样的道理，虽然汽油压燃引擎的工作区间很窄，但是有电动机，可以让他尽可能的在压燃区运行。除此之外还有一些细节可以优化，比如火花塞。即便加入了水喷射，加入了混动，但也不可能达到100%压燃，在部分状况下还是需要点燃的。现在有一项技术是将火花塞做成一个预燃室，油气混合物会在预燃室中点燃，然后用这股火焰来点燃气缸内的混合气。这项技术的目的还是加速燃烧，最早好像是F1雷诺车队搞出来的，现在也要逐步下放到民用市场了。
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这样看下来马自达的SKYACTIV-X引擎只是压燃技术的初步尝试，它并没有发挥出汽油压燃引擎的全部实力。当然我也期待未来加入了很多辅助技术后的压燃技术，想想超过50%热效率的引擎还真令人期待呢。
