高壓縮比的秘密 拆創馳藍天2.0L發動機

發動機基本信息

馬自達曾經依靠轉子發動機闖出了一片天地。在那些難忘的日子里，轉子發動機承載著馬自達的夢想，在勒芒取得了驕人的成績。然而，隨著時間的推移，馬自達的轉子發動機已經失去了它的榮耀（查成交價|參配|優惠政策），它再也沒能拿出震驚世界的技術。就在人們為之嘆息的時候，馬自達在2010年展出了創馳藍天的設計理念。作為這一概念最重要的部分——動力總成，直到今天，它仍然被許多謎團所包圍。壓縮比是多少？電動VVT的結構是什么？獨特的4-2-1排氣歧管會影響排放嗎？所有這些問題都縈繞在我們心中。今天，我們終于有機會撥開這層迷霧了！沒錯！我們要做的就是拆一臺創馳藍天發動機！

●轉子發動機之王馬自達的鳳凰涅槃

這段馬自達無情拋棄壽命極短的轉子發動機技術的歷史，成為了贏得勒芒24小時耐力賽冠軍的動力源泉，為汽車發展史增添了濃墨重彩的一筆。

馬自達轉子之父山本健一和被稱為“轉子47壯士”的47位工程師提出的“技術永遠是創新”的口號，一直是馬自達的生存之道。

2021年年中，馬自達總統山野隆志宣布將結束RX-8的使命，這也意味著轉子發動機在未來很長一段時間內只會繼續作為馬自達的精神象征。在當今競爭激烈的市場中，沒有“核心”技術的車企很難生存。因此，全新的創馳藍天技術挑起了“技術馬自達”的大旗，想要延續轉子發動機時代的輝煌。

●我們即將拆解的2.0L創馳藍天汽油發動機

為了進一步了解創馳藍天的動力總成技術，我們打算拆解一臺2.0L創馳藍天汽油發動機。發動機在中國長安馬自達南京工廠制造。據長安馬自達工程師介紹，這款發動機的國產化率在60%左右。其中，進氣門電控可變氣門正時系統的步進電機、高壓燃油噴射系統、缸體、缸蓋、活塞和火花塞等仍暫時使用進口零部件。

●發動機“動態壓縮比”分析

為了便于本文對創馳藍天發動機的分析，除非另有說明，文中提到的“壓縮比”是指“動態壓縮比”。

下面分析奧托循環和米勒循環的時候提到了膨脹比，我們先來看看。發動機的膨脹比在數值上等于幾何壓縮比，是指最大氣缸容積與燃燒室容積之比。

●發動機基本信息

代號為PE-VPR的2.0L直列四缸自然吸氣缸內直噴發動機雖然沒有突出的動力參數，但其動力輸出不及1.6L渦輪增壓直噴發動機。但低速時的油耗率相比同類型的2.0L直噴自然吸氣發動機和小排量渦輪增壓發動機有一定的優勢。

在相同排量、相同進氣/供油的情況下，與日產MR20DD發動機相比，馬自達PE-VPR發動機在動力和扭矩輸出方面更具優勢。與采用渦輪增壓直噴技術的福特1.6L EcoBoost發動機和大眾1.4T EA211發動機相比，馬自達PE-VPR發動機在扭矩輸出參數上遜色不少。

如何實現13:1超高壓縮比

●分析創馳藍天汽油機13:1超高壓縮比的由來。

大多數歐美廠商更傾向于發動機小型化，采用渦輪增壓和直噴技術，使得發動機在增強動力的同時擁有更好的油耗表現。對此，馬自達中國技術中心董事總經理、副總裁Kazuo水野彩香先生認為，發動機的線性動力輸出特性是馬自達一直堅持的技術取向，而渦輪增壓發動機很難達到完美的線性輸出特性，渦輪增壓技術也不是全新的技術。相比之下，95號汽油14:1的超高壓減速比才是真正的創新。

如何用普通汽油實現高壓縮比？

一般來說，壓縮比較高的發動機必須使用辛烷值較高的汽油，以避免發動機爆震引起的發動機振動和功率下降。但是用國內市場上的92號和95號汽油達到13:1的超高壓縮比，似乎有點違背科學。馬自達是怎么做到的？讓我們詳細解釋一下。

國產創馳藍天汽油機實現了高負荷工況下壓縮比為13的奧托循環。但部分負荷區采用米勒循環。

奧托循環是一種發動機熱力循環，是定容加熱的理想熱力循環。它的顯著特點是壓縮比等于膨脹率。米勒循環是膨脹/壓縮比不等的發動機的熱力循環。由于膨脹比大于壓縮比，可以更好地利用燃燒后廢氣中仍然存在的高壓，燃油效率高于奧托循環。然而，米勒循環發動機的低扭矩輸出和高速爆發力不如奧托循環發動機。因此，部分混動車型多采用米勒循環發動機，用電動機來彌補發動機特性的不足，使整個混動動力總成運行更加平穩，具有更好的動力輸出特性。

對于馬自達創馳藍天發動機來說，用普通汽油實現13:1的超高壓縮比的關鍵是在高負荷區實現壓縮比為13的奧托循環。至于如何實現，請繼續往下看。

如何快速準確地控制壓縮比；

由于實際壓縮比在發動機實際工作過程中是不斷變化的，發動機計算機如何精確控制？利用可變氣門正時系統實現進氣門延遲關閉可以改變實際壓縮比，但現在廣泛使用的可變氣門正時系統是基于油壓的。油壓的建立和穩定取決于油溫和發動機潤滑系統的工作狀況。為了更好地“馴服”高壓縮比的猛獸，馬自達找到了電裝公司，引進了電動閥相位調節器。

這樣，依靠電機來控制閥門相位，可以避免液壓調節系統的缺點，并且可以快速穩定地控制閥門角度。

上圖中，步進電機驅動發動機進氣凸輪軸上的行星齒輪減速機構，可以快速準確地控制進氣凸輪軸的正時，實現復雜的發動機循環模式切換。之所以采用行星齒輪機構進行減速，是因為步進電機具有速度快、輸出扭矩相對較低的特點。如果直接用步進電機驅動凸輪軸，很可能會因步進電機輸出扭矩不足而導致“失步”，無法實現氣門正時的精確調整。

采用這種電機控制的VVT系統后，進氣側的VVT機構不再需要傳統液壓控制VVT系統設置在缸蓋上的油路，結構更加簡潔。在下面的拆卸過程中，我們可以看到控制進氣門正時的步進電機的內部結構。

獨特的4-2-1排氣歧管

●獨特的4-2-1排氣歧管

之后，創馳藍天汽油機的氣門正時機構如何實現奧托循環和米勒循環的切換。接下來，我們將研究當發動機達到13:1的超高壓縮比時，如何盡可能避免爆震。秘密在于一個叫做“4-2-1排氣歧管”的部件。4-2-1排氣歧管在民用車中似乎說的不多，但在改裝車中卻是常見的技術。最顯著的效果是抑制排氣干擾，提高氣缸的排氣效率，增強發動機的低速扭矩輸出。

從上圖可以看出，如果使用4-1排氣歧管，在2000-8000rpm的工作范圍內，排氣沖程相鄰的兩個氣缸的排氣壓力會相互干擾，導致廢氣殘留增加，氣缸溫度升高，高溫會導致空燃比提前點火，導致爆震。4-2-1排氣歧管可以避免上述干涉現象，從而緩解發動機爆震現象。

為了增強掃氣效果，發動機的進氣門和排氣門的重疊角需要足夠大，以在燃燒后排出廢氣。然而，當進氣門和排氣門的重疊角增加并且出現排氣干擾時，不能保證良好的掃氣效果。因為來自其他氣缸的排氣高壓波會影響相鄰氣缸的排氣節奏，增加爆震概率。上面提到的4-2-1排氣歧管可以很好地解決排氣干擾問題，從而使得與普通汽油實現13:1的超高壓縮比成為可能。

“氣門重疊角是當進氣門和排氣門同時打開時，曲軸在排氣沖程結束時旋轉的角度”

值得注意的是，在以往采用歧管噴射的自然吸氣發動機中，如果進氣門和排氣門的重疊角設置過大，氣門正時設置不合理，在掃氣過程中，含有汽油的新鮮混合氣會白白進入排氣歧管，增加油耗。馬自達創馳藍天汽油機是直噴式發動機，燃油噴射發生在發動機的壓縮沖程。也就是說，排氣沖程中用來“掃氣”的是來自進氣門的取之不盡的新鮮空氣體！因此，馬自達在設定發動機的氣門重疊角時，只需要保證“掃氣效果”，而不考慮燃油的浪費。

4-2-1排氣歧管的缺點:

解決了13:1的高壓縮比問題，現在來討論排放問題。汽車上的三元催化轉化器必須達到400-800℃，才能高效地將汽車尾氣轉化為環保氣體。因此，如何在暖機工況下使三元催化轉化器快速升溫，降低尾氣排放，是所有汽油機必須考慮的問題。

創馳藍田汽油機現已達到歐六排放標準。但發動機排氣歧管過長，必然導致三元催化轉化器升溫緩慢。工程師在冷車怠速階段采用了排氣溫度較高的奧托循環，延遲了點火時間，提高了怠速，保證了三元催化轉化器能夠快速達到最佳工作溫度，降低了排放。顯然，這臺發動機在冷車怠速階段的油耗會相對較高。對于發動機最高排放能達到什么標準的問題，日本工程師沒有給出確切的答復。

據編輯介紹，鑒于創馳藍天發動機4-2-1排氣歧管相對較長的固有特點，不可能像一些新發動機那樣在預熱工況下采用排氣歧管附近的三元催化轉化器來提高排放標準。為了進一步減少暖機條件下的HC排放，馬自達只能尋求新的催化轉化器或其他技術手段。歐七排放標準預計在2018-2021年實施。我們將拭目以待，看看馬自達能采取什么對策！

拆解排氣管/VVT電機/高壓油泵

●發動機的拆卸

“只說不練假姿勢，只練傻乎乎的姿勢，甚至說什么姿勢都練”。前面我們講解了如何實現國產2.0L創馳藍天汽油機13:1的高壓縮比以及4-2-1排氣歧管的功能。接下來，我們將徹底拆解真實的發動機，通過真實的事情進一步了解這款特殊的創馳藍天汽油發動機。

拆解4-2-1排氣歧管/進氣VVT電機/高壓汽油泵:

4-2-1排氣歧管和進氣VVT馬達是這臺2.0L發動機最特殊的兩個部件。在拆卸的過程中，我們首先要注意這兩個部分。

更多精彩視頻，均在車載家庭視頻頻道。

“創馳藍天發動機視頻分析，3分32秒是排氣干擾分析，4分24秒是掃氣效果分析”

編輯摘要:

現在市場上，像創馳藍天汽油機那樣用電機來調節氣門正時的還是很少見的。用電動機代替傳統液壓調節氣門正時的方法，可能你我都想過，但直到近幾年才投入實際使用，我認為是步進電機小型化和電控技術共同進步的結果。與氣門正時調節電機相比，4-2-1排氣歧管對于實現13:1的超高壓縮比更為重要。因為排氣干涉現象是實現高壓縮比的死敵，只有4-2-1排氣歧管才能解決這個問題。

拆解噴油嘴/配氣機構

分解噴油器/氣門機構:

我們拆解的2.0L創馳藍天汽油發動機采用高壓缸內直噴技術，噴射壓力可高達206Bar。缸內直噴是指燃油噴嘴安裝在氣缸內，燃油在高壓下直接噴入氣缸與進氣混合，使燃油霧化更細致，燃燒效率更高。此外，該發動機的進氣門采用了電機控制的VVT系統。電機的旋轉可以通過行星齒輪減速和扭矩增加快速準確地調節進氣門正時，從而實現發動機各種工作循環的快速切換。

編輯摘要:

對于直噴發動機來說，使用多孔噴嘴并不是什么新鮮事。大多數直噴發動機都使用這種噴嘴，區別僅在于孔的數量和噴射角度。這款創馳藍天汽油發動機的特別之處在于凸起的頂部活塞，上面有深坑。由于凸形活塞頂部向上凸起，燃燒室容積減小，壓縮比增大?；钊敳康陌伎涌梢允谷加蛧娚湓诨鸹ㄈ浇纬蓪訝罨旌蠚怏w，有助于穩定燃燒。此外，活塞頂上的凹坑也解決了燃燒初期火焰與活塞頂接觸造成的冷卻損失問題。

拆解潤滑系統/曲軸連桿機構

分解潤滑系統/曲軸連桿機構:

創馳藍田汽油機整機重量減輕10%，其中活塞及活塞銷減輕20%，連桿軸減輕15%，曲軸主軸頸減輕6-8%。發動機整體質量的下降對降低車輛油耗有積極意義。此外，創馳藍田汽油機通過改進氣門傳動機構，降低活塞環張力，實現了發動機整體機械阻力降低30%。這一系列改進使創馳藍天汽油發動機效率更高。

編輯摘要:

這臺創馳藍天2.0L汽油發動機最大的技術亮點是電機控制的進氣門正時系統和4-2-1排氣歧管。此外，還有低張力活塞環、輕量化活塞/連桿/曲軸、活塞裙部低摩擦涂層、深凹凸頂活塞、6孔多角度噴嘴、變排量油泵等。都是值得技術愛好者關注的技術點。

個人認為，馬自達創馳藍天發動機確實有其獨特之處。與歐美發動機大致配備渦輪、高壓直噴、雙VVT等不同。，它創造了具有非常強大的功率參數的產品；與國內自主品牌不同，他們是在盲目采用主義，把經濟效益放在第一位。從這臺創馳藍天發動機中，我們可以看到馬自達的“工匠精神”。敢于走尋常路，把技術做到極致，這似乎就是日本汽車人骨子里的“血性”。創馳藍天的技術不僅僅局限于發動機，變速箱也是它的重要組成部分。我們會在11月帶來創馳藍天變速箱的拆解文章，敬請關注。