高压缩比的秘密 拆创驰蓝天2.0L发动机

发动机基本信息 马自达曾经依靠转子发动机闯出了一片天地。在那些难忘的日子里，转子发动机承载着马自达的梦想，在勒芒取得了骄人的成绩。然而，随着时间的推移，马自达的转子发动机已经失去了它的荣耀，它再也没能拿出震惊世界的技术。就在人们为之叹息的时候，马自达在2010年展出了创驰蓝天的设计理念。作为这一概念最重要的部分——动力总成，直到今天，它仍然被许多谜团所包围。压缩比是多少？电动VVT的结构是什么？独特的4-2-1排气歧管会影响排放吗？所有这些问题都萦绕在我们心中。今天，我们终于有机会拨开这层迷雾了！没错！我们要做的就是拆一台创驰蓝天发动机！

●转子发动机之王马自达的凤凰涅槃

这段马自达无情抛弃寿命极短的转子发动机技术的历史，成为了赢得勒芒24小时耐力赛冠军的动力源泉，为汽车发展史增添了浓墨重彩的一笔。

马自达转子之父山本健一和被称为“转子47壮士”的47位工程师提出的“技术永远是创新”的口号，一直是马自达的生存之道。

2021年年中，马自达总统山野隆志宣布将结束RX-8的使命，这也意味着转子发动机在未来很长一段时间内只会继续作为马自达的精神象征。在当今竞争激烈的市场中，没有“核心”技术的车企很难生存。因此，全新的创驰蓝天技术挑起了“技术马自达”的大旗，想要延续转子发动机时代的辉煌。

●我们即将拆解的2.0L创驰蓝天汽油发动机

为了进一步了解创驰蓝天的动力总成技术，我们打算拆解一台2.0L创驰蓝天汽油发动机。发动机在中国长安马自达南京工厂制造。据长安马自达工程师介绍，这款发动机的国产化率在60%左右。其中，进气门电控可变气门正时系统的步进电机、高压燃油喷射系统、缸体、缸盖、活塞和火花塞等仍暂时使用进口零部件。

●发动机“动态压缩比”分析

为了便于本文对创驰蓝天发动机的分析，除非另有说明，文中提到的“压缩比”是指“动态压缩比”。

下面分析奥托循环和米勒循环的时候提到了膨胀比，我们先来看看。发动机的膨胀比在数值上等于几何压缩比，是指最大气缸容积与燃烧室容积之比。

●发动机基本信息

代号为PE-VPR的2.0L直列四缸自然吸气缸内直喷发动机虽然没有突出的动力参数，但其动力输出不及1.6L涡轮增压直喷发动机。但低速时的油耗率相比同类型的2.0L直喷自然吸气发动机和小排量涡轮增压发动机有一定的优势。

在相同排量、相同进气/供油的情况下，与日产MR20DD发动机相比，马自达PE-VPR发动机在动力和扭矩输出方面更具优势。与采用涡轮增压直喷技术的福特1.6L EcoBoost发动机和大众1.4T EA211发动机相比，马自达PE-VPR发动机在扭矩输出参数上逊色不少。
如何实现13:1超高压缩比
●分析创驰蓝天汽油机13:1超高压缩比的由来。

大多数欧美厂商更倾向于发动机小型化，采用涡轮增压和直喷技术，使得发动机在增强动力的同时拥有更好的油耗表现。对此，马自达中国技术中心董事总经理、副总裁Kazuo水野彩香先生认为，发动机的线性动力输出特性是马自达一直坚持的技术取向，而涡轮增压发动机很难达到完美的线性输出特性，涡轮增压技术也不是全新的技术。相比之下，95号汽油14:1的超高压减速比才是真正的创新。

如何用普通汽油实现高压缩比？

一般来说，压缩比较高的发动机必须使用辛烷值较高的汽油，以避免发动机爆震引起的发动机振动和功率下降。但是用国内市场上的92号和95号汽油达到13:1的超高压缩比，似乎有点违背科学。马自达是怎么做到的？让我们详细解释一下。

国产创驰蓝天汽油机实现了高负荷工况下压缩比为13的奥托循环。但部分负荷区采用米勒循环。

奥托循环是一种发动机热力循环，是定容加热的理想热力循环。它的显著特点是压缩比等于膨胀率。米勒循环是膨胀/压缩比不等的发动机的热力循环。由于膨胀比大于压缩比，可以更好地利用燃烧后废气中仍然存在的高压，燃油效率高于奥托循环。然而，米勒循环发动机的低扭矩输出和高速爆发力不如奥托循环发动机。因此，部分混动车型多采用米勒循环发动机，用电动机来弥补发动机特性的不足，使整个混动动力总成运行更加平稳，具有更好的动力输出特性。

对于马自达创驰蓝天发动机来说，用普通汽油实现13:1的超高压缩比的关键是在高负荷区实现压缩比为13的奥托循环。至于如何实现，请继续往下看。

如何快速准确地控制压缩比；

由于实际压缩比在发动机实际工作过程中是不断变化的，发动机计算机如何精确控制？利用可变气门正时系统实现进气门延迟关闭可以改变实际压缩比，但现在广泛使用的可变气门正时系统是基于油压的。油压的建立和稳定取决于油温和发动机润滑系统的工作状况。为了更好地“驯服”高压缩比的猛兽，马自达找到了电装公司，引进了电动阀相位调节器。

这样，依靠电机来控制阀门相位，可以避免液压调节系统的缺点，并且可以快速稳定地控制阀门角度。

上图中，步进电机驱动发动机进气凸轮轴上的行星齿轮减速机构，可以快速准确地控制进气凸轮轴的正时，实现复杂的发动机循环模式切换。之所以采用行星齿轮机构进行减速，是因为步进电机具有速度快、输出扭矩相对较低的特点。如果直接用步进电机驱动凸轮轴，很可能会因步进电机输出扭矩不足而导致“失步”，无法实现气门正时的精确调整。

采用这种电机控制的VVT系统后，进气侧的VVT机构不再需要传统液压控制VVT系统设置在缸盖上的油路，结构更加简洁。在下面的拆卸过程中，我们可以看到控制进气门正时的步进电机的内部结构。
独特的4-2-1排气歧管
●独特的4-2-1排气歧管

之后，创驰蓝天汽油机的气门正时机构如何实现奥托循环和米勒循环的切换。接下来，我们将研究当发动机达到13:1的超高压缩比时，如何尽可能避免爆震。秘密在于一个叫做“4-2-1排气歧管”的部件。4-2-1排气歧管在民用车中似乎说的不多，但在改装车中却是常见的技术。最显著的效果是抑制排气干扰，提高气缸的排气效率，增强发动机的低速扭矩输出。

从上图可以看出，如果使用4-1排气歧管，在2000-8000rpm的工作范围内，排气冲程相邻的两个气缸的排气压力会相互干扰，导致废气残留增加，气缸温度升高，高温会导致空燃比提前点火，导致爆震。4-2-1排气歧管可以避免上述干涉现象，从而缓解发动机爆震现象。

为了增强扫气效果，发动机的进气门和排气门的重叠角需要足够大，以在燃烧后排出废气。然而，当进气门和排气门的重叠角增加并且出现排气干扰时，不能保证良好的扫气效果。因为来自其他气缸的排气高压波会影响相邻气缸的排气节奏，增加爆震概率。上面提到的4-2-1排气歧管可以很好地解决排气干扰问题，从而使得与普通汽油实现13:1的超高压缩比成为可能。

“气门重叠角是当进气门和排气门同时打开时，曲轴在排气冲程结束时旋转的角度”

值得注意的是，在以往采用歧管喷射的自然吸气发动机中，如果进气门和排气门的重叠角设置过大，气门正时设置不合理，在扫气过程中，含有汽油的新鲜混合气会白白进入排气歧管，增加油耗。马自达创驰蓝天汽油机是直喷式发动机，燃油喷射发生在发动机的压缩冲程。也就是说，排气冲程中用来“扫气”的是来自进气门的取之不尽的新鲜空气体！因此，马自达在设定发动机的气门重叠角时，只需要保证“扫气效果”，而不考虑燃油的浪费。

4-2-1排气歧管的缺点:

解决了13:1的高压缩比问题，现在来讨论排放问题。汽车上的三元催化转化器必须达到400-800℃，才能高效地将汽车尾气转化为环保气体。因此，如何在暖机工况下使三元催化转化器快速升温，降低尾气排放，是所有汽油机必须考虑的问题。

创驰蓝田汽油机现已达到欧六排放标准。但发动机排气歧管过长，必然导致三元催化转化器升温缓慢。工程师在冷车怠速阶段采用了排气温度较高的奥托循环，延迟了点火时间，提高了怠速，保证了三元催化转化器能够快速达到最佳工作温度，降低了排放。显然，这台发动机在冷车怠速阶段的油耗会相对较高。对于发动机最高排放能达到什么标准的问题，日本工程师没有给出确切的答复。

据编辑介绍，鉴于创驰蓝天发动机4-2-1排气歧管相对较长的固有特点，不可能像一些新发动机那样在预热工况下采用排气歧管附近的三元催化转化器来提高排放标准。为了进一步减少暖机条件下的HC排放，马自达只能寻求新的催化转化器或其他技术手段。欧七排放标准预计在2018-2021年实施。我们将拭目以待，看看马自达能采取什么对策！
拆解排气管/VVT电机/高压油泵
●发动机的拆卸

“只说不练假姿势，只练傻乎乎的姿势，甚至说什么姿势都练”。前面我们讲解了如何实现国产2.0L创驰蓝天汽油机13:1的高压缩比以及4-2-1排气歧管的功能。接下来，我们将彻底拆解真实的发动机，通过真实的事情进一步了解这款特殊的创驰蓝天汽油发动机。

拆解4-2-1排气歧管/进气VVT电机/高压汽油泵:

4-2-1排气歧管和进气VVT马达是这台2.0L发动机最特殊的两个部件。在拆卸的过程中，我们首先要注意这两个部分。

更多精彩视频，均在车载家庭视频频道。

“创驰蓝天发动机视频分析，3分32秒是排气干扰分析，4分24秒是扫气效果分析”

编辑摘要:

现在市场上，像创驰蓝天汽油机那样用电机来调节气门正时的还是很少见的。用电动机代替传统液压调节气门正时的方法，可能你我都想过，但直到近几年才投入实际使用，我认为是步进电机小型化和电控技术共同进步的结果。与气门正时调节电机相比，4-2-1排气歧管对于实现13:1的超高压缩比更为重要。因为排气干涉现象是实现高压缩比的死敌，只有4-2-1排气歧管才能解决这个问题。
拆解喷油嘴/配气机构
分解喷油器/气门机构:

我们拆解的2.0L创驰蓝天汽油发动机采用高压缸内直喷技术，喷射压力可高达206Bar。缸内直喷是指燃油喷嘴安装在气缸内，燃油在高压下直接喷入气缸与进气混合，使燃油雾化更细致，燃烧效率更高。此外，该发动机的进气门采用了电机控制的VVT系统。电机的旋转可以通过行星齿轮减速和扭矩增加快速准确地调节进气门正时，从而实现发动机各种工作循环的快速切换。

编辑摘要:

对于直喷发动机来说，使用多孔喷嘴并不是什么新鲜事。大多数直喷发动机都使用这种喷嘴，区别仅在于孔的数量和喷射角度。这款创驰蓝天汽油发动机的特别之处在于凸起的顶部活塞，上面有深坑。由于凸形活塞顶部向上凸起，燃烧室容积减小，压缩比增大。活塞顶部的凹坑可以使燃油喷射在火花塞附近形成层状混合气体，有助于稳定燃烧。此外，活塞顶上的凹坑也解决了燃烧初期火焰与活塞顶接触造成的冷却损失问题。
拆解润滑系统/曲轴连杆机构
分解润滑系统/曲轴连杆机构:

创驰蓝田汽油机整机重量减轻10%，其中活塞及活塞销减轻20%，连杆轴减轻15%，曲轴主轴颈减轻6-8%。发动机整体质量的下降对降低车辆油耗有积极意义。此外，创驰蓝田汽油机通过改进气门传动机构，降低活塞环张力，实现了发动机整体机械阻力降低30%。这一系列改进使创驰蓝天汽油发动机效率更高。

编辑摘要:

这台创驰蓝天2.0L汽油发动机最大的技术亮点是电机控制的进气门正时系统和4-2-1排气歧管。此外，还有低张力活塞环、轻量化活塞/连杆/曲轴、活塞裙部低摩擦涂层、深凹凸顶活塞、6孔多角度喷嘴、变排量油泵等。都是值得技术爱好者关注的技术点。

@2019

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