實測萬事得
Skyactiv-X vs Skyactiv-G

Posted 24/02/21

紙上談兵了多次的萬事得全新引擎科技,實際測試過後有了新眉目。

WORDS:龍慶祥 / PICTURES:KENJI LEUNG

Mazda Skyactiv-X的SPCCI引擎的出現,由醞釀吹風到讓傳媒測試pre-production,現在終於到港發售。前後整整幾年,它不是一般三分鐘熱度的花俏gimmick,相反它的確是有內涵、有意思的創新設計,而且有點複雜,所以對內燃機了解愈多的粉絲討論便愈熱烈。廠方的介紹資料說它結合了汽油引擎的高轉和柴油引擎的壓燃、高效率、低轉扭力大的特性。這是一種商品介紹的說法,沒有錯但並沒有解說甚麼,廠方也製作了一套很精美的動畫片,但保證你和我一樣,看了之後疑團更多。記憶中我寫這個題目也有兩三次,最初還是半信半疑,隨着廠方公布資料多了才逐漸明白是怎麼回事,這次正式試駕過之後了解似乎又深了一點。

將空氣和燃機加壓在汽缸內燃燒以獲得動力是內燃機的基本原理,要明白SPCCI,我們首先不要管柴油汽油,最重要是明白兩件事,第一是燃燒前一剎那燃料和空氣是如何分佈,如果燃料已氣化並跟空氣均勻分佈的叫均質填充homogeneous charge(HC),相反燃料是一團團不均勻分佈的叫分層填充stratified charge(SC)。第二是如何點着燃料,常見的方式是火嘴點火spark ignition(SI)和壓燃compression ignition(CI),後者即是用壓力形成的高溫點火。由於填充和點火各有兩種變化,於是我們得出四種可能性:HCSI、HCCI、SCSI以及SCCI。

HCSI
HCSI是汽油引擎一貫的做法,汽油跟空氣一起進入汽缸一起壓縮所以很均勻,然後以火嘴點火。

SCCI
這是柴油引擎一貫的做法,因為柴油太黏稠無法氣化,於是先將空氣以高壓縮比加壓產生高溫,然後將柴油霧化注入。但即使霧化了,柴油的分子團體積還是很大,於是燃燒好像剝洋蔥一樣,表面的燃燒後再一層層往裏面燒,這是「分層(stratified)」這個名字的由來。熱效率會較好,但燃燒速度慢,引擎轉速不能太高。

SCSI
有SCSI的嗎?有的,自從汽油引擎缸內直噴(GDI)出現後,很多廠家以這個方式做貧燃引擎,將少量汽油直接噴到汽缸內,然後向火嘴噴一點油幫助點火,這樣就能在低燃油比例下運作達到省油效果,由於汽油直噴不夠時間做成均質填充,所以成為SCSI。

HCCI
剩下一個是HCCI,顧名思義,是均質填充加上壓燃,其實當年Otto先生研究內燃機的時候正希望做成這樣。最初他以煤氣作燃料跟空氣混合,可以做到很均勻,他並進一步希望加壓燃點,但燃料和空氣混合後再加壓會變得十分不穩定。無法準確把握點火時間和壓力兩者的關係,試過多次都失敗,最終以火嘴引燃才獲得成功,最終成了HCSI。

HCCI如果成事的話有甚麼好處?第一,高壓縮比能提升效率;其二,瞬間同時燃燒所有燃料,引擎溫度沒那麼高,NOx會少一點。但汽油和空氣混合後加壓到14:1已是極限,而且汽車引擎的工作狀況很多變化,速度時快時慢,負荷時高時低,引擎的溫度和壓力多變很難控制它點火的時機,逐漸大家都忘記了這個完美的Otto Cycle。近幾十年,因為油耗和排放受關注,於是工程師們再度打開這個祖師爺留下來的錦囊,可惜還是因為上述的困難無功而還。

另一條路:SPCCI
Mazda的SPCCI採用一種折衷的辦法來獲得壓燃。它用上相當高的壓縮比,但仍然控制在自然壓燃的水平以下。汽油從進氣岐管噴注,隨空氣進入汽缸,確保混合均勻但很稀的比例,在適當的時候另一個噴咀在火嘴附近噴一些汽油然後點火,增加汽缸內壓力令汽油引燃。來到這裏可能大家不禁會問,這跟普通汽油引擎或GDI貧燃引擎有甚麼分別?

SPCCI比預料中更多登場時間

關鍵在於點火速度上的分別,傳統的spark ignition,火焰由火嘴開始一直往外擴散,其速度大約20到100m/s之間,而且很容易受燃料濃度影響,太濃和太稀都會阻慢速度,甚至熄火,因此貧燃引擎轉速一般都比較低。而SPCCI靠的是壓力,點火後小火球產生的壓力是以波動形式傳播,空氣中的壓力波速度即是音速,約350m/s(還未計算溫度影響),可見兩者速度實在相差太遠。一般汽油引擎的燃燒過程中,一半時間耗在火焰擴散,如熱能釋放要20度曲軸角,它就佔去10度,SPCCI能一下子去掉這一半時間,同時因為它的壓縮比高,燃料比例稀,一下子就完成燃燒過程,得出快速兼潔淨的燃燒結果。

「新引擎的中低段扭力明顯比Skyactiv-G來得爽朗」

Skyactiv-X的實際表現
理論了解過,SPCCI實際駕駛時的表現又如何?這次安排了兩部同款Mazda3作比較,一部是Skyactiv-X,另一部則是Skyactiv-G。新引擎的中低段扭力明顯比Skyactiv-G來得爽朗,但如果你期望有柴油引擎那種綿韌,這個誤會可能太美麗了,這是一副徹頭徹尾的汽油引擎。因為瞬間燃燒壓力急速上升,引擎初段會有點輕微的knock sound,Mazda特意在引擎艙內加了一個隔音罩,效果還是不錯的。

Skyactiv-X引擎的最前方有小小的機械增壓器協助

我一直懷疑,雖然用spark control可以增加對點火時機的控制,但汽油壓燃畢竟還會受溫度和壓力影響的,它的工作範圍會不會很窄?但實測它在一千至五千轉之內基本上全程都是用SPCCI mode,理論上在CI mode之下若發現不穩定,可透過調整valve timing微調壓力或延遲點火,最重要是如何精確地監控汽缸內的溫度和壓力,這方面Mazda做得不錯。

引擎上面這塊不比V8引擎細的隔板,隔音效果相當不俗。

2020年了,沒有turbo,兩公升不到二百匹,Mazda到底心裏想的是甚麼?這問題確實要有相當車齡的人才能領略。從二千年開始,汽油引擎的方向為貧燃的缸內直噴,儘管低扭很好,但轉速愈來愈慢,波箱段數愈來愈多,引擎的工作彷彿被波箱搶走了。工程先賢窮幾十年精力發展出來的寬闊power band和高轉力量,曾幾何時在八、九十年代給過我們這些平民司機無比的快樂。但是「節能減排」四個字像孫悟空頭上的金剛箍,現在高轉引擎只能保留於昂貴的跑車上,SPCCI無須犧牲我們所喜愛的駕駛模式,能少點依靠波箱,讓引擎好好地衝往高轉,又同時能合乎現代省油水平。這就是Mazda想做的事,不知道我猜得對不對。

原文來自《TopGear極速誌》 2020年10月 第145期