馬自達發布了新一代車輛技術“SKYACTIV”。這是一個將發動機、變速箱、車體及底盤等汽車的基本部分全部更新的巨大項目。在無馬達助推的情況下可實現30km/L的燃效、無論汽油發動機還是柴油發動機的壓縮比均達到14.0、車體重量減輕100Kg等等。本文將對達成上述劃時代性能的SKYACTIV技術進行一次全面剖析。
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| 圖A 馬自達新一代技術“SKYACTIV”的關鍵部分。（左上）實現了高達14.0的壓縮比的新一代高效率直噴汽油發動機“SKYACTIV-G”、（右上）實現了14.0這一較低壓縮比的新一代柴油發動機“SKYACTIV-D”、（左下）新一代自動變速箱“SKYACTIV-Drive”、（右下）新一代輕量高剛性車體“SKYACTIV-Body” |
馬自達將于2011年上半年推出的配備新一代發動機的“德米歐（Demio）”，可在無馬達助推的情況下實現30km/L的10·15模式燃效。馬自達于10月20日發布的新一代車輛技術“SKYACTIV”在汽車業界引起了巨大反響。這是因為30km/L的燃效與在馬自達發布之前的10月8日本田所發布的“飛度混合動力車”相同。
促進企業增強實力
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圖1 新型手動變速箱“SKYACTIV-MT” 實現了輕快的換擋感觸以及大幅度的輕量化及小型化。 |
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圖2 新型底盤“SKYACTIV-Chassis” （a）前懸掛系統及轉向系統、（b）后懸掛系統。馬自達表示，該系統兼具準確的轉向功能以及舒適的乘坐感受。 |
馬自達開發的新一代車輛技術“SKYACTIV”由以下6項關鍵技術構成。
（1）作為汽油發動機實現了14.0這一世界最高壓縮比的高效率直噴汽油發動機 “SKYACTIV-G”（參照圖A ）
（2）作為柴油發動機實現了14.0這一世界最低壓縮比的綠色柴油發動機 “SKYACTIVD”（參照圖A ）
（3）提高了傳導效率的自動變速箱“SKYACTIV-Drive”（參照圖A ）
（4） 實現了輕快的換擋感觸以及大幅度的輕量化和小型化的手動變速箱“SKYACTIV-MT”（參照圖1）
（5） 實現了較高剛性以及最高水平的碰撞安全性的輕量車體“SKYACTIV-Body”（參照圖A ）
（6） 兼具準確轉向功能及舒適乘坐感受的高性能輕量底盤“SKYACTIV-Chassis”（參照圖2）
這些關鍵技術將在本文逐步詳細介紹。其實馬自達SKYACTIV的最大特點不僅僅是發動機或者車體的改進，而在于對車輛整體進行了統一更新。
例如新型汽油發動機。由于可提高排氣效率，因此，比以往加長了的排氣歧管（Manifold）。這是這款新型汽油發動機的最大特點。因為相應地要占據更大空間，所以排氣歧管無法安裝到以往車輛的發動機室內。此次通過同時更新車架及發動機，使采用這種排氣歧管成為可能。在變速箱及懸掛系統方面亦是如此。
對生產規模較大的廠商而言，同時更新車架及發動機是相當困難的。“正因為本公司是規模不太大的廠商，所以才做到了”（馬自達）。
另外在各項關鍵技術方面，馬自達超越排氣量及車輛尺寸的差異而采用相同的基本構造，借此實現相同設備下的“柔性”生產，并將研究開發的效率提高30％，將生產投資減少20～60％。馬自達的目的是將關鍵技術的更新與企業實力的增強掛起鉤來。
將壓縮比提高到14.0
此次馬自達開發SKYACTIV的最大目標是提高燃效。與豐田及本田將混合動力技術定位于燃效提升技術的核心不同，馬自達的基本出發點是首先全面改進發動機及變速箱等基礎技術，在此基礎上再導入制動能量再生以及混合動力等電動化技術的“構件（Building Block）”戰略。
關鍵字：馬自達 SKYACTIV
馬自達的方針是不僅改進發動機及變速箱，還將使車體重量減輕約100kg，從而在2015年之前使全球銷售的馬自達車的平均燃效比2008年提高30％。力爭通過發動機的改進提高15～20％；通過變速箱的改進提高4～7％；通過減輕車體重量提高3～5％；另外加上怠速停止機構等合計提高30％。
其中最具特點的是，新型汽油發動機由于實現了14.0的壓縮比，此舉大幅提高了效率，將燃效及扭矩比以往提高了15％（圖3、4）。以往汽油發動機的壓縮比方面，在標準汽油規格下為10.0左右。馬自達表示，如果將壓縮比從10.0提高到15.0，則有望實現約9％的熱效率提升。
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圖3 SKYACTIV-G的扭矩特性 與已有的汽油發動機相比，提高了約15％。 |
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圖4 SKYACTIV-G的燃效特性 與已有的汽油發動機相比，提高了約15％。燃料消耗量比已有的柴油發動機更少。 |
之所以此前壓縮比停留在10左右，是因為無法避免爆震（Knocking，異常燃燒）的發生。要想不產生爆震，則必須降低壓縮上止點溫度。馬自達重點關注的是不能從燃燒室排放出來的高溫殘留氣體。如果按照圖形來考慮的話，壓縮比為10.0的發動機上的活塞即使到達上止點，汽缸內燃燒氣體仍會有10％的殘留。
馬自達的計算結果顯示，當殘留氣體溫度為750 ℃、新氣溫度為25 ℃時，如果殘留氣體占10％，那么壓縮上止點的溫度會上升160 ℃。相反，如果將殘留氣體的量從8％減少一半，降至4％，那么即使將壓縮比從11.0提高到14.0，壓縮上止點也不會上升。
加長排氣歧管
此前，在減少殘留氣體的過程中存在的障礙是排氣歧管。近年來，由于可先行對觸媒進行激活，因此，發動機大多采用盡量縮短排氣歧管、并將觸媒配置在發動機后面的構造。然而，如果到排氣歧管集合點的距離太短的話，就會像圖5（a）上部所示的那樣，第3氣筒的排氣閥打開后產生的較高排氣壓力，正好會到達排氣閥與吸氣閥兩者均打開的交疊（Overlap）狀態下的第1氣筒。一度排放出去的尾氣又被吹回燃燒室內，高溫殘留氣體因此便會不斷增加。
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圖5 采用4－2－1排氣系統 （a）如果采用較短排氣歧管的配置（上），則第3氣筒的排氣閥打開后產生的較高排氣壓力，正好進入排氣閥與吸氣閥兩者均打開的交疊狀態下的第1氣筒。其結果是，一度排放出來的尾氣被吹回燃燒室內，高溫殘留氣體不斷增加。如果采用4－2－1排氣系統（下），則可避免這種現象，從而減少殘留氣體。（b）巻成環狀后體型縮小了的4－2－1排氣系統。 |
為了避免這種現象，馬自達采用了增加排氣歧管長度的4－2－1排氣系統。通過首先將4條流路匯集成2條、然后再匯集成1條的方式，使各個氣筒間的距離保持在相同狀態。
要想減少殘留氣體，提高有效區段的扭矩，以往需要600mm的管長。馬自達通過采用卷成環狀的“Loop型排氣管”，實現了節省空間〔圖5（b）〕，但即便如此，就像前面提到的那樣，排氣歧管比以往更占地方卻是不爭的事實。
這種排氣系統的問題是，由于到觸媒之間的距離太長，尾氣的溫度下降，觸媒的激活會被延緩。雖然如果推遲點火時間，則可提高尾氣溫度，但燃燒會由此變得不穩定。
為此，新型汽油發動機在活塞的上表面設置了空腔（Cavity），通過在火花塞周圍形成較濃的混合氣，成功地實現了即使推遲點火時間仍可保持燃燒的穩定的性能。除了上述在燃燒方面的改進之外，馬自達還著手降低發動機各部件的摩擦損失，最終總體上減少了2成左右的磨擦損失。
無需后處理即可減少NOx
新型柴油發動機SKYACTIV-D的特點是，由于實現了14.0的壓縮比，因此，可不使用尿素SCR（選擇性還原觸媒）以及NOx（氮氧化物）吸收還原觸媒（LNT）等昂貴的NOx后處理裝置，就能滿足歐洲Euro6、北美Tier2Bin5、日本“后新長期規定”等全球的尾氣規定。燃效也比以往提高了約20％（圖6）。
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圖6 SKY-D的燃效特性 與以往馬自達造的柴油發動機、以及同類競爭車的發動機相比，燃效提高了約20％。 |
之所以能夠顛覆“提高壓縮比可使熱效率增高”這一發動機設計的常識，成功地使燃效得到提高，這其中有2個理由。一個理由是，降低壓縮比使燃燒狀況得到了改善；另一個理由是，摩擦損失比以前減少。
之所以通過降低壓縮比就能改善燃燒狀況，是因為燃料與空氣的均勻混合可促進燃燒。在以往那樣壓縮比較高的發動機中，活塞上止點的溫度及壓力非常高。如果在此狀態下向燃燒室內噴射燃料的話，會在燃料與空氣尚未充分混合時發生著火，燃料的一大部分因燃燒而形成高溫，使得NOx（氮氧化物）的生成不斷增加，由于是在氧氣不足的情況下燃燒，因而煤煙的生成量也增多。
為了避免這種現象，以往的柴油發動機是等活塞略微下降、燃燒室的壓力及溫度降低之后，再噴射燃料。然而，這樣一來由于是活塞開始下降之后才開始燃燒燃料，因此用于產生驅動力的沖程就會縮短（圖7）。
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圖7 雖然降低了壓縮比但燃效卻得以提高的理由 在壓縮比較高的老式柴油發動機（上）中，為了避免將燃料噴射到高溫高壓的燃燒室內，活塞是略微下降后才噴射燃料的。因此，用于產生驅動力的活塞移動沖程就會變短。但是，在SKYACTIV-D（下）中由于是在上止點附近噴射燃料，所以，用于產生驅動力的活塞移動沖程增長。 |
新型柴油由于壓縮比較低，因而可時上止點的溫度及壓力降低。即使在上止點噴射燃料，由于距離著火的時間增長，因此，燃料與空氣可充分混合，從而實現了均勻燃燒。