发动机DUAL S-VT技术.doc

Dual S-VT是双可变气门正时控制系统+电子控制节气门

提到创驰蓝天发动机，大家的第一印象就是省油，它的特点仅是省油吗？创驰蓝天发动机的开发理念如何来的？创驰蓝天发动机用了哪些技术来实现它的开发目标？创驰蓝天发动机相关的一系列名词是什么意思？创驰蓝天发动机和涡轮增压发动机对比又如何

什么是汽油发动机？
一般车用发动机分为两种，以汽油（gasoline）为燃料的汽油机和以柴油（diesel）为燃料的柴油机，所以创驰蓝天汽油机称为Skyactiv-G，创驰蓝天柴油机称为Skyactiv-D。目前，由于油品和政策原因，国内柴油乘用车尚难以普及，Skyactiv-D目前也未引入国内，因此我们研究的重点是Skyactiv-G。为了便于了解Skyactiv-G的特点，我们先来了解一下汽油发动机的工作原理。右边图示是一个缸内直喷汽油机的完整工作流程，包括进气、压缩、排气、做功、排气四个行程，活塞上下往复运动，把汽油燃烧的热量转化为驱动汽车奔跑的动能。

PS.:汽油机与柴油机都属于内燃机，即燃料在发动机内部燃烧。除活塞式的汽油机，马自达独有的转子发动机也是汽油机
马自达的目标—探寻理想的发动机
虽然汽油机是乘用车使用最早且应用最广泛的发动机，但是它是理想的发动机吗？
当然不是，事实上汽油发动机只能够利用燃料30%的能量，另外70%以各种形式被浪
费掉。

因此，各大汽车公司都在寻求提升汽油机燃料利用效率的方法，最终出现了两条技术路线，一个就是用涡轮增压，一个就是混合动力。这两种技术有两个共同点：都在发动机外部寻求较复杂的解决方法；都认为发动机本身没有太多改进的余地。

但是马自达的工程师不这样认为，他们先明确了理想发动机应该具备的三个特征，即高效清洁排放、可靠性，以这三条来衡量，涡轮增压和混合动力都不能算是理想的发动机。马自达的工程师决定从零开始，从发动机本身寻找改进的方法，找出了发动机内部最基本的可控因素，并对它们逐一改进，最终成功开发出Skyactiv-G，真正拥有高效率、清洁排放和可靠性的理想发动机。
提升发动机效率—提高压缩比
提升汽油机效率最好的方法就是提高压缩比，这是发动机的基本理论。压缩比就是活塞在下止点时气缸容积与活塞在上止点时气缸容积的比值，一般发动机压缩比为11：1左右。

为什么压缩比提高会提升效率呢？以弹簧为例，压缩的程度越多产生的反弹力就越强；以射箭为例，弓被拉得越开，射出去的箭就会越远。对于发动机来说，压缩比越高，燃烧相同量的燃料，得到的动能就越多，因此发动机的效率就会越高，而Skyactiv-G的压缩比提升至13：1。
PS.:柴油机拥有较高的压缩比，因此柴油机拥有较高的燃料利用效率。

为何高压缩比未广泛应用？
既然提高压缩比可以有效提升汽油发动机的效率，但是各汽车厂商并未广泛采用，因为高压缩比会产生爆震，这会严重影响发动机的正常工作，所以目前绝大多数汽油机的压缩比在11：1左右。

PS. 汽油的标号：90#，93#，97#就是抗爆震指数，数字越大抗爆震效果越好，但价格也越贵。

通过对比图可以看到，发动机正常工作时，空燃混合物被火花塞点燃，火焰从中心往边缘均匀传播，火焰膨胀产生的能量推动活塞往下运动。如果压缩比提高，空燃混合物被过度压缩后温度升高，易发生自燃，自燃的火焰与火花塞点燃的火焰发生碰撞，发出金属敲击声，这就是爆震，俗称敲缸。防止爆震的关键在于阻止空燃混合物自燃，降低气缸温度、控制火传播速度和选择高标号汽油是主要的办法。像左图所示那样，多数发动机压缩比都不高，主要是为了避免爆震。空气被增压后温度会升高，因此涡轮增压发动机必须把压缩比降至10：1且需使用97#汽油来防止爆震，因此涡轮提升发动机效率的效果大打折扣。高性能车发动机应用了高级的技术，并且使用高标号汽油，所以可以达到相对较高的12.5：1的压缩比。Skyactiv-G达到了13：1（海外达到14：1）的超高压缩比，燃料利用效率得到极大提升，并且仅使用93#汽油，因为马自达研发出完善的防止爆震的先进技术。
防止爆震的方法—4-2-1排气

Skyactiv-G使用的是普通93#汽油，因此它防止爆震的主要方法之一就是降低气缸内的温度。马自达的工程师发现，一般发动机是采用4-1的排气系统，即4个排气管经过较短的行程就汇聚在一起，这会使某一排气管的高温废气体回流至另一排气管，甚至进入气缸，导致气缸内温度升高。如果采用4-2-1排气方法，即4个排气管先汇聚成两股，这两股再汇聚成一股，这样4个排气管的高温废气就不会互相影响，气缸内不会因为废气回流而升温。

事实上，高性能车能够实现较高的压缩比，除了使用高标号汽油外，更重要的是它拥有与4-2-1排气类似的排气系统，可以说，Skyactiv-G使得F1的技术出现在民用车上。
防止爆震的技术—缸内直喷

传统发动机在气缸外的进气道里喷油，汽油的雾化效果、和空气的混合均匀程度以及喷油量的精度都不理想。Skyactiv-G采用了目前汽油机中领先的高压缸内直喷技术，汽油以20MPa的喷油压力（一般缸内直喷仅16MPa左右）从极为细小的六孔喷嘴中直接喷入气缸，汽油可以得到迅速雾并与空气混合，形成理想的混合气，抑制异常燃烧的产生。同时，喷油量得到精准控制，这也是Skyactv-G节油的重要原因。
汽油直接喷到气缸里雾化的过程也会吸收热量，好像沐浴冲水的效果一样，可以降低气缸内的温度，达到了抑制爆震的效果。
防止爆震的技术—凹孔活塞

传统汽油机的活塞顶部是平面的，而Skyactiv-G的活塞顶部是凸起的，并在活塞中间做成一个凹孔。被压缩的空燃混合物集中于凹孔内，点火更加迅速并且集中，便于火焰从中间往边缘均匀传播，最大程度阻止爆震产生。
提升发动机效率—降低进排气损耗

双可变气门正时技术（Dual S-VT）
气门是用来控制发动机进气和排气的机构，如同人的呼吸器官。发动机转速和负荷变化时，进气量也随之变化，但与转速一致的进排气节奏跟不上发动机的需求，就好像人在高速奔跑时呼吸节奏跟不上一样。因此，可变气门正时可以实现随着发动机转速与负荷变化调节气门打开或者关闭的时间。Skyactiv-G进排气门均采用可变正时技术，实现发动机更加畅快的呼吸，因而能够大大降低进排气的损耗。
Skyactive-G的可变气门正时有一项特别的技术，就是进气门正采用电子控制，而传统的正时都是油压控制。油压控制易受温度影响而反应滞后，而电子控制可在任何情况下实现迅速精准的响应，因此，即便发动机冷机启动时，进气门启闭时间也可做到精确控制。得益于这项技术，发动机的进气损耗降低了13%。
提升发动机效率—发动机整体减重

减轻发动机的重量，意味着发动机自身的负担更低，因而发动机的效率更高。Skyactiv-G 把发动机的主要部件进行全面革新，达到了发动机整体减重约10%。通过结构创新，在强度不变甚至更提高的前提下，活塞和活塞销减重20%，连杆减重15%，曲轴减重8%…
提升发动机效率-降低机械损耗

发动机内部有大量的运动机构，像气门、活塞、水泵等。只要发动机启动，它们就一直在运动各部件之间就会有摩擦产生。以气门为例，发动机1分钟转2000转时，气门每分钟上下往复1000次，因此摩擦产生的机械损耗是相当可观的，特别是发动机高速运转时损耗更加严重，而损耗的能量都来源于发动机的动力。因此要提升发动机的效率，必须降低机械摩擦损耗。经过一系列改进，Skyactiv-G 成功实现机械损耗整体降低30%。上图是其中一部分降低机械损耗的部件。

传统发动机要提升动力必须增加油耗，而要降低油耗就必须牺牲动力，动力和油耗互相制约，不可兼得，这也是其他汽车厂商对发动机做了无数改进也无法解决的矛盾。马自达的工程师们以理想的发动机为目标，从发动机的最基本原理入手，寻求革新发动机的因素，采用提高压缩比、降低进排气损耗、发动机减重和降低机械损耗等方式，实现理想发动机的目标，Skyactiv-G最终可以实现中低速扭矩提升15%，油耗降低15%两者同时实现的惊人成就。
对比涡轮增压发动机
目前，越来越多的厂商推出小排量涡轮增压发动机，并宣传其发动机动力强劲、更省油。的确，通过涡轮增压能够提升进气效率，使得小排量发动机可以输出大排量发动机的动力，但动力输出并不够线性，并且需要一个复杂的系统来支持。

相对于自然吸气发动机，涡轮增压发动机增加了涡轮和涡轮冷却系统，特别强化的发动机主要零件，用来冷却被压缩空气的中冷器。增加的这些部件都会增加发动机的重量和成本，反而降低了发动机的效率和可靠性，而用户的购买成本和使用成本都会增加。
另外，为了防止爆震，涡轮增压发动机的压缩比反而更低，这又使得它的效率打了折扣。从上述这些角度来看，涡轮增压发动机不能算是理想的发动机。

而Skyactiv-G相对于传统的发动机，主要对发动机内部结构进行革新，不增加任何附件，仅替换几个部件，因而重量进一步降低，所以它可以实现与传统发动机相同的可靠性。另外，
Skyactiv-G还具高效率、清洁排放的特点，因而用户购买和使用成本不会有任何增加。所以，对比涡轮增压发动机，Skyactiv-G才是真正的高效省油的发动机。