Morning.W

撰文

Mazda 提供

攝影

69,139

2014

11月

24

當所有車廠無所不用其極追求效率,最終紛紛投入油電混合動力系統、雙離合器變速箱。Mazda 卻不這麼做,這群渾身是膽的汽車工程師選擇從最根本的地方做起,從零出發,打造出世上最優異的引擎與變速箱。

從根本做起,找尋尚未發揮的七成功力

在 Mazda 想法中,打造 SKYACTIV 全新動能科技的首要之務不是跟隨其他車廠走一樣的路,而是審慎思考傳統引擎是否還有進化的空間?一般來說,汽油引擎在運轉時只發揮三成功力,換言之,大約 70%燃油無法被有效轉換成行駛動能。為了改善這項困難,追求更理想的燃燒狀態是當務之急,為此,Mazda 想出一個解決方案,那就是開發超高壓縮比 SKYACTIV-G 高效汽油引擎,徹底提升燃燒效率。

Mazda 於 2011 年發表超高壓縮比 SKYACTIV-G 高效汽油引擎,徹底提升燃燒效率。

在搭載 SKYACTIV-G 高效汽油引擎的新世代 MAZDA 車款中,我們看見這具新世代高效能直噴汽油引擎做出 13:1~14:1 超高壓縮比;為何壓縮比數據並非固定單一數據?原因很簡單,全球各大汽車市場的環境與條件不盡相同,Mazda 引擎工程師必需進行因地制宜的設定,其中,燃油品質(尤其是辛烷值)是最重要的設定參數,如果該市場無法供應品質純正的高辛烷值汽油,那就必需適度降低壓縮比。透過壓縮比調整,即可讓 SKYACTIV-G 高效汽油引擎廣泛運用於世界各地。

若單論數據,SKYACTIV-G 高效汽油引擎的壓縮比甚至比 Ferrari 458 Italia、Porsche 911 GT3 等高性能自然進引擎還要高,堪稱世界第一!這具全球首創 13:1~14:1 高壓縮比的量產汽油引擎,燃燒效率獲得具體改善,不但扭力輸出加強約 15%,油耗表現也一併優化約 15%。

依照理論,提升引擎壓縮比可以增加一次燃燒的力量,在不增加排氣量的情況下,高壓縮比引擎擁有較優異的輸出扭力。傳統汽油引擎的壓縮比約為 10:1~12:1 之間,若單純將壓縮比從 10:1 提升至 15:1,熱效率可以改善約 9%,然而,壓縮比並非毫無限制,首先,爆震是最難纏的障礙。

壓縮比不能無限提高,抑制爆震是首要任務

進氣、壓縮、燃燒、排氣,這是四行程引擎的基本運作過程,油氣在活塞運行至上死點油火星塞點燃,這就是最完美的燃燒。可是,一顆壓縮比過高的引擎,汽油往往在活塞來到上死點之前就產生自燃現象,提早燃燒的高溫火球與活塞運行方向相互抵抗,一上一下的逆向運作,所以造成爆震,俗稱敲缸。

SKYACTIV-G 高效汽油引擎用心研發減少回流的 4-2-1 排氣系統、凹頂式活塞、缸內直噴、多孔噴油嘴等,並已將這具超高壓縮比汽油引擎,配備於 Mazda6 及 CX-5 車款上。

爆震是不正常的燃燒現象,除了損耗機件,更帶來異常高溫。

如何抑制爆震?Mazda 工程師發現,如果能讓高溫廢氣可以順利排出燃燒室,就能有效降低壓縮行程時活塞上死點的溫度,減少回流的高溫排氣的辦法之一,就是採用 4-2-1 排氣頭段,透過精心設計的排氣路徑,讓排氣管內部的高壓波必需花更多時間才能抵達其他汽缸,這是一種特殊回壓設計,可以減少排氣殘留量。

這套 4-2-1 排氣頭段是精心設計的結果,透過加長排氣路徑,讓排氣管內部的高壓波必需花更多時間才能抵達其他汽缸,進而減少排氣殘留量,降低爆震機率。

加長排氣頭段還可以提高扭力,特別拉長了排氣管頭/中段長度約 600 公釐,而為了節省引擎室空間,特地採用環繞式的排氣管路設計。不過,這套 4-2-1 排氣系統也有一個缺點,那就是加長排氣路徑會降低排氣溫度,延長觸媒轉化器的暖機時間,後果是冷車時廢氣汙染排放情形不佳。

SKYACTIV-G 高效汽油引擎採用造型特殊的凸頂活塞,在多孔噴油嘴的協助下,噴入引擎室的燃料可以順利維持在火星塞附近(頂部凹槽),藉以減少爆震,優化燃燒效率。

為此,Mazda 工程師為 SKYACTIV-G 高效汽油引擎採用極為特殊的凸頂式活塞,在活塞頂端設計一個圓形凹槽,在多孔噴油嘴的協助下,噴入引擎室的燃料可以順利堆積在火星塞附近,點燃油氣時不會產生爆震,因而維持引擎燃燒的穩定度。

反其道而行,全球最低壓縮比 SKYACTIV-D 潔勁柴油引擎

不同於汽油引擎,提高壓縮比是所有柴油引擎的重點,因為柴油引擎不使用火星塞點燃油氣,而是讓在高溫高壓狀態下讓油氣產生自燃,進而產生動力。

高壓縮比柴油引擎並非百利無害,例如,碳微粒與氮氧化物就是個嚴重的問題,為了改變以上情況,Mazda 工程師竟然逆向操作,發展全球最低壓縮比的 SKYACTIV-D 潔勁柴油引擎。一般來說,柴油引擎的壓縮比多半為 16:1~18:1,SKYACTIV-D 潔勁柴油引擎卻只有 14:1,這數字不禁令人感到匪夷所思。不過,當我們看到 Mazda6 柴油版的輸出動力,這具引擎擁有 175 匹最大馬力,以及 42.8 公斤米最高扭力,根據歐規測試數據,平均油耗每公升可達 19 公里 (歐規),可以見得,低壓縮比的柴油引擎的性能效率毫不遜色。

壓縮比 14:1 的 SKYACTIV-D 潔勁柴油引擎,是目前全球最低壓縮比的柴油引擎。

進一步探究,原來 SKYACTIV-D 潔勁柴油引擎採用一套兩階段開啟的雙渦輪增壓系統,讓低速、中速、高速反應變得順暢且線性,有效提升引擎扭力表現。並且導入輕量化的運轉機件,藉以減低機械摩擦力,呈現更出色的引擎轉速質地。再搭配壓電式噴油嘴以及獨家專利 VVL 可變汽門揚程系統,整體效率更上層樓。

兩階段開啟雙渦輪增壓系統效率極佳,無論低、中、高速反應都十分線性,充分提升引擎扭力表現。

值得一提的是,在不使用 NOx 氮觸媒轉化劑等昂貴設備之下,SKYACTIV-D 潔勁柴油引擎輕鬆超越包括歐洲 Euro6、北美 Tier2Bin5、日本 Post 新長期規定等的廢氣排放規定。除此之外,這具低壓縮比柴油引擎設計還帶來輕量化的成果,讓引擎運轉更順暢、更省油。

SKYACTIV-DRIVE 全速域鎖定變速箱,集各種優點於一身

解決了動力,接下來的重點是變速箱。一具變速箱將大幅影響一部汽車的燃油效率與動態表現,假如,新世代 Mazda 變速箱能夠精準反應駕駛者的想法,將引擎效能發揮得淋漓盡致,前端的引擎研發才不至於徒勞無功。

開發初期,Mazda 工程師為這具 SKYACTIV-DRIVE 全速域鎖定變速箱立下兩大方針,自排變速箱的傳動感受是否能手排變速箱並駕齊驅?自排變速箱可以提供更多的駕馭樂趣?原因很簡單,當擁有動力隨傳隨到、平順換檔感受的能力,新世代的 Mazda 自排車款才能創造符合「Zoom Zoom」的品牌精神。

SKYACTIV-DRIVE 全速域鎖定變速箱融合不同型式變速箱的優點於一身,運轉順暢、動力隨傳隨到,整體樂趣足以媲美手排車款。若與市面上的自排變速箱做比較,可以提高 4%~7%的燃油效益。

為了達到媲美手排的目標,Mazda 首先為 SKYACTIV-DRIVE 全速域鎖定變速箱採用全速域鎖定驅動設計,藉此減少動力損耗,並且還將鎖定區域增加至每個檔位。此外,全新設計的多片式離合器更是居功厥偉,不僅能增加鎖定時的傳輸效果,更能有效降低運轉頓挫,讓引擎動力獲得忠實傳輸。

研發期間,Mazda 特地改善離合器反應與鎖定控制精準度,以避免動力傳輸時因滑差導致的溫度上升,進而提升離合器的可靠性。若與市面上的自排變速箱做比較,SKYACTIV-DRIVE 全速域鎖定變速箱可以提高 4%~7%的燃油效益。就市面上使用最廣泛的汽車變速箱來說,CVT 的優點是重量輕、換檔無鈍挫,雙離合器的換檔速度快、動力傳輸效率高,換檔平順精緻度以及對應大扭力輸出的組件強度,還是比不上技術純熟,經久耐用的扭力轉換器形式自排變速箱,SKYACTIV-DRIVE 全速域鎖定變速箱成功集合傳統自排、CVT、雙離合器變速箱三者優勢於一身,並且帶來不亞於手排車的駕馭感受,各項表現堪稱面面俱到。