更新：为了便于理解，我拿来了官方的视频，有兴趣大家可以看看。

视频地址：http://v.youku.com/v_show/id_XMzI1ODc4MzQwMA

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                                                                      前言

为什么发在昂克赛拉论坛？因为根据相关信息，第一个使用Skyactiv-X发动机车型是第四代马自达3昂克赛拉。

我知道第二代创驰蓝天技术的文章我早晚会写，但是说实在我并不是特别愿意对这种技术类的文章码字，主要是内容晦涩，很多人都不容易看懂，而且对于普通消费者来说，并不需要了解这东西是啥，怎么运作的，只要知道多大动力、省不省油、多少钱就可以了。但是作为了一个马粉，马自达黑科技就是马粉信仰的精神食粮，所以本着授业谈不上，算是解惑吧，我还是决定码字去说说新技术，我知道这种帖子并不会多吸引人，完全看下去的人也不多，虽然打心眼里我也需要观众，所以如果你有兴趣，看看无妨，以后也可以成为吹牛X的资本。所以我尽量写的浅入深出，所以文章会分两个部分，一个是简单版，绝大部分人看完之后相信会有个大改的了解，第二部分是进阶版，对于那些喜爱钻研的人可以看看。我的文章全部来自官方资料，所以我肚子墨水有限，如有错误请批评指正，毕竟学术的东西不能有半点虚假；如果有问题可以大家探讨，看完文章就是对我最大的支持。

与第一代创驰蓝天一样，第二代创驰蓝天也是一揽子的解决方案，机械部分包含发动机、底盘、车身和变速箱，软件辅助部分包含四驱系统、主动安全系统（第一代为i-Activsense，第二代为MAZDA CO-PILOT CONCEPT）以及电气电动化辅助系统（第一代为i-STOP+i-ELOOP，第二代为HEV、EV与PHEV混动技术），外表再配上魂动设计，这样一台标准的马自达车款就诞生了。在内燃机方面，第一代创驰蓝天发动机Skyactiv-G汽油机、Skyactiv-D柴油机收到了广泛好评，创驰蓝天发动机旨在尽可能的挖掘燃料潜力，在与之前的内燃机相比较低的能源消耗下产生相同的动力，并相应减少排放。为此马自达也做了相当多的方案和技术，我就不再赘述了，2019年，马自达将全面普及第二代创驰蓝天内燃机，包括全新的汽油机Skyactiv-X以及2020年的新一代Skyactiv-D柴油机，与此同时第一代的Skyactiv-G/D也会进行改良用以降低整车成本。这里我就简单解析Skyactiv-X发动机这个全新的产物。

之所以马自达没有把Skyactiv-X成为第二代Skyactiv-G是因为，Skyactiv-X是一款全新模式的内燃机，结合了汽油机和柴油机的特点，利用柴油机的原理去燃烧汽油，所以马自达单独将它分支出来，SKYACTIV-X既不属于SKYACTIV-G汽油机系列，也不属于Skyactiv-D柴油机系列，以后，Skyactiv-X会与于Skyactiv-G汽油机和Skyactiv-D柴油机共同面向市场，这三种是平行的产品线，这个定位这一点是我们要清楚的。

2017年8月，马自达正式发表了SKYACTIV-X这一系列的全新发动机，同时在10月份的法兰克福的马自达技术论坛上进一步阐明了Skyactiv-X的相关技术，虽然Skyactiv-X的全部数据还没有被官方完全公开，那么我们就只用现有的官方数据来简单解析一下这个全新的产物吧。

                                                                           一、简单版

在第一代Skyactiv-G汽油机上，我们看到马自达为了提高热效率，进行了一些列举措，大体就是针对汽油机提高压缩比，提高发动机的比热率，缩短燃烧时间，调整点火时间，降低散热损失，提高进排气压力（采用米勒循环）和减少摩擦，等等一系列的措施。但是马自达在这个路上继续前进，在自然吸气这条路上，也终于不可避免的走到了HCCI（匀质充能压燃）这一领域。实际上，目前各大车厂都或多或少的都对HCCI（匀质充能压燃）这一技术进行了研发，但是目前都没有进行成功的商用，所以这么看来，马自达的速度是相当快的，经过了长达近10年研发，终于搞出了马自达终极内燃机之前的一步，这就是Skyactiv-X。

Skyactiv-X最大的特点就是使用汽油，但是用柴油机的点火燃烧方式，也就是压燃。

首先，我们对比一下普通的火花塞点燃和马自达压燃发动机的差异。

第一是两个名词，SI（火花塞点燃）发动机需要装备火花塞并由火花塞来点燃发动机，而CI（压燃）发动机则是直接通过高压来实现燃料点火。

第二点则是特别重要的地方，SI发动机的火焰是从火花塞点燃的地方开始，传播到气缸内其他地方，CI发动机则是在压到高温之后，气缸内的温度上升，达到汽油着火点，然后所有的汽油一起燃烧，这样就大大加快了燃料燃烧的速度。

第三点则是很多传统SI发动机都会维持14.7:1的理论空燃比，而CI发动机空燃比则达到了非常稀薄的程度，根据马自达自己的描述，这种程度大约是理论空燃比的两倍，这种空燃比是无法实现火花塞点火的。

了解了SI（火花塞点燃）和CI（压燃）的差异，我们就需要了解为什么我们要使用CI。首要原因在上面一段的第二条已经说明了，提升热效率的一个重要方式就是稀薄燃烧，但是过于稀薄的油气混合物则无法通过火花塞点燃。而让整个油气混合物一起被压缩到足够的温度，那么就成了一个好办法。

实际上这里还需要指出一个事实，就是当前很多直喷发动机都实现了稀薄燃烧，但是这种直喷的方式是先喷出较少的汽油，雾化后得到稀薄的油气混合物，然后再喷出一团汽油，在第二团汽油来不及完全混合空气之前火花塞就通过点燃第二次喷出汽油实现稀薄油气混合物的点火。但是这个方式缺点之一就是颗粒物和氮氧化物排放过高，同时第二次喷出的汽油未得到充分混合，燃烧也是存在浪费的。

第二个促使我们要采用CI（压燃）发动机的原因则是燃烧速度，SI（火花塞点燃）发动机在点燃之后火焰从火花塞处传播到气缸各个角落，这一过程是需要时间的，这个时间里活塞正在向下移动，因此火焰爆发的力量就会部分的传递到气缸壁上。但是CI发动机由于是所有的汽油一起被压燃，因此燃烧速度快，燃烧产生的能量能在更短的时间内传递给活塞，这样就相当于更高效率的利用了燃料燃烧产生的能力。看下面这个图就可以很形象的想象出来，SI发动机的燃料燃烧时候活塞已经向下走了一段了，这时候不可避免热烈会从气缸壁上散发，而CI发动机则快的多。

明白了CI发动机的好处之后，开发CI发动机遇到的困难就是紧接着的主题了。传统的HCCI（匀质充能压燃）发动机最大的问题就是CI的工作范围非常狭窄，而且从CI切换到SI的过程非常不顺畅。当发动机转速过低的时候，常常会出现低温导致失火，也就是点不燃。而转速过高的时候则常常会因为点燃时间过短出现失火，在压力较高的区域则容易出现爆震。

那么马自达就解决了这两个问题，具体解决的方法，它叫“可控压燃”，也就是CCI。

如何实现可控压燃呢？就是保留并利用火花塞，注意火花塞在这里不是起点火作用的，接下来到了最关键的细节部分。

我们知道火花塞产生火花的时候，是产生了一个高温的电弧，这个电弧就像一个火球，它是有温度和压力的。而在CI发动机的活塞压缩到顶点然后即将开始向下进入做功冲程的时候，火花塞开始工作了。

这个时候的火花塞发出的电弧，就像一个从上方向下的小型活塞一样，如上图所示，在真正的活塞还来不及开始向下走，同时气缸内油气混合物由于过于稀薄没有被压燃的时候，给整个气缸内加了一把压力，于是一下子突破了压燃所需要的临界点，把整个气缸内的油气混合物给点燃了，如下图所示。于是马自达把这种技术叫做SPCCI（火花塞控制的压燃）。看到这里，真的是要佩服马自达工程师的奇思妙想。

我们还要注意且指出的是，这里火花塞起的不是点燃的效果，而是增加气缸内的压力。这和SI的最大区别在于实现的燃烧是从火花塞处开始通过火焰传播开，还是整个气缸内一起开始燃烧。马自达的技术方案显然属于后者。说完了上面的压燃方法，还有一个非常重要的技术，就是马自达引入了一个额外的空气供应装置，提升气缸的填充率和压力。根据马自达的发布会信息，应该就是机械增压器。马自达这款新发动机估计为直列4缸，排气量为2L左右，配备高响应“空气供给机”（增压器）、ERG冷却器、动态可变阀门机构等部件。

提升缸内压力的原因主要是提高高负载时候气缸内的空气量，这样就扩大了CI的工作范围。如下图所示，马自达的CI发动机在压燃的工作区间要远远大于传统的HCCI发动机。而且在CI和SI之间的切换也做到了平稳过度。

最后我们就来说说，马自达的SPCCI“火花塞控制压燃”发动机到底带来了什么好处。总结下来就是如下三点，更强的性能，更低的油耗以及由此带来的更加愉悦的驾驶体验。

关于性能方面，首先是提升了动力响应水平，如下两幅图。马自达说是使用了更小摩擦力的进气阀门，其实还有个原因个人猜测就是上面提到的使用了机械增压器。这两者合起来提升了发动机在40KM/h速度时候再加速的响应时间。而对比对象则是某厂的小排量涡轮增加的车型。从40km/h开始加速3秒内搭载Skyactiv-X的车可以多走1.7米。

而具体的发动机动力输出见下图，在95号汽油（国外）的时候，2000到3000转的时候扭矩比之前的创蓝发动机高了20%左右，而91号汽油（国外）则提升了30%。这里要解释一下图里的有趣的现象，就是压燃发动机使用91号汽油最大扭矩来的早得多，而扭矩下降的更快。具体原因可能只有马自达工程师才知道了。

第二个优势就是燃油经济性了。按照如下两幅图的展示，我们看到黄色的高效率区域被极大的扩大，而中间区域则出现了效率更高的深黄色区域。虽然我们不知道具体是多少。

下面这幅图则是很早之前马自达就公布过的，Skyactiv-X发动机比现在的Skyactiv-G汽油机省油了20%到30%。下面图片则是展示2000转的时候，在各个不同的BMEP值下Skyactiv-X发动机都大幅提升了燃效。

那么最后我们来一个关于性能和油耗的总结。如下图所示。搭载2.0的Skyactiv-X的马自达3在碳排放上已经看齐了Mazda 2 1.5DE，也就是1.5升柴油版的马自达2。而40公里/小时的再加速性能上则已经达到了MX-5 2.0的水平。

最后马自达还引用了美国EPA（环保署）在SAE发表的发动机研究论文，论文指出即使是这一代的Skyactiv-G汽油机，也已经在2000转，BMEP值从2到8的时候发动机热效率领先其他所有的对手。其中包括福特1.0和1.6的Ecoboost发动机，PSA的1.6T发动机，大众的第三代EA888 Gen IIIB（也就是第三代EA888改进型）以及咨询机构RICARDO在2012年预测的发动机水平。

马自达在其技术远景规划中，仍然包含了插电车型和纯电车型和HEV混动车型。而且明确的说出，要提供适合各个市场的技术，也就是说，再倔强，技术再强的厂商也不得不在各国市场和法规前低头，推出满足市场和法规要求的车型，比如说纯电动车等等。马自达坚定的认为，对于车辆的排放法规要求，不应该指定技术路线，而是根据实际排放水平来制定法规。也就是说，不管你是什么技术，只要能降低排放达标，就应该是允许销售的，不过无论如何，了解之后作为马粉，十足的崇拜这些以人见光夫为首的这些脑洞大开的工程师们。

                                                                              二、进阶版

不知道上面的简单版是否看懂了么，如果没看懂请省略以下文字。

马自达的SKYACTIV-X发动机，能够在油气混合气体中空气达到理论空燃比2倍以上的条件下实现超稀薄燃烧，从而提高了发动机的热效率。对于过量空气系数（λ）约超过2的超稀薄混合气体而言，通常的火花塞点火方式是难以实现燃烧的。而马自达通过扩大超稀薄混合气体在气缸内多点压燃的成立范围，实现了HCCI超稀薄燃烧。

而HCCI的难点在于能够实现压燃的范围过窄。与柴油相比，辛烷值较高难以自燃的汽油在低负载域的气缸内的温度难以升高，无法燃烧，而在高负载域又燃烧过于激烈。尤其是在高转速域，压燃点火的时间甚至无法配合活塞的高速运动。为此，马自达开发出了被称为“SPCCI（spark controlled compression ignition：火花塞控制压燃）的独自技术，把HCCI超稀薄燃烧的适用范围扩大到了气缸的整个实用领域。实现SPCCI的关键在于高压缩比、火花塞辅助点火、ERG(排气再循环)以及提供压缩空气的增压器这几个环节上。

通常HCCI的成立范围比较狭窄，而马自达此次在气缸的实用领域基本上都实现了HCCI。

超高压缩比对于在整个低负载域实现稀薄混合气体点火起着重要作用。增大燃烧室内的压力，就可以提高温度，由此可增大混合气体的热能，在不容易点火的低负载域使得汽油燃料更容易压燃。提高压缩比，还有一个重要的好处就是可以提高理论热效率值。马自达现行的汽油发动机“SKYACTIV-G”，作为量产机实现了14:1这一世界最高的压缩比，而新一代发动机则达到了18:1，这与柴油发动机基本同水准。为了能够赶上活塞高速运动的速度，在低负载域下的中-高转速，充分利用了SPCCI中的火花塞辅助压燃技术，由此来配合活塞的运动，实现在整个工作流程中的早期自动压燃。

纯粹的HCCI不使用火花塞，而马自达把火花塞用于压燃点火的辅助手段。在超稀薄的燃料混合气体中火花塞即便发射火花，也基本上不会燃烧。但是经过长期的研究发现“发射火花后会慢慢出现火焰并不断扩展的情况，如同压缩燃烧室内的混合气体一样”（早稻田大学名誉教授大圣泰弘）。马自达在其有关SPCCI的说明中提到了“膨胀火焰球”现象，就是指火焰慢慢扩展开来的现象。通过膨胀火焰球，再配合活塞的上下运动压缩混合气体，就能稳定地产生自燃状态。

火花塞点火辅助的时机应该是在喷射燃料后、活塞到达上止点之前。此时，火花塞周围产生小的火焰，配合着火焰的慢慢扩展，活塞向上止点方向运动。查看马自达的多项技术专利可以发现，马自达是通过在高转速域增加火花塞的点火次数，让压燃状态尽快出现的。点火辅助还能促进低温燃烧的出现，有利于在低负载的高转速区域尽早出现自燃状态。也即发射火花让混合气体提高温度，让汽油燃料分子之间的结合尽快解除掉，出现低温氧化反应以及之后的低温蓝火焰反应。气缸内的温度被快速提高，就能够快速出现自点火的火焰反应。

分析马自达“第5569468号”专利可以发现，通过在超稀薄混合气体中点火，产生低温氧化反应和低温蓝火焰反应，从而促进真正的热火焰反应出现。来自火花的热离子所产生的一氧化氮（NO）和氧离子簇能够促进低温氧化反应后出现的蓝火花反应。用ERG加热内部，冷却外部，而在低负载的低转速域，则有可能基本上不使用火花塞的辅助点火。由于此时有足够的时间用于压燃，所以需要防止的倒是不要让压燃出现得太早。在高压缩比的基础上，通过内部EGR的负气门重叠角（NVO：negative valve overlap）来促进低负载、低转速域的压燃点火。NVO可实现将进气阀和排气阀同时关闭的状态。

上图可以看出在（a）现行火花塞点火发动机中让超稀薄混合气体燃烧的状态（发动机转速为750rpm、空燃比为29.4），图中可见基本没有出现燃烧。（b）马自达开发的新技术下的超稀薄混合气体压燃的状态（发动机转速为750rpm、空燃比为36.8），图中可见多处处于燃烧状态。具体做法是，在排气行程活塞到达上止点之前尽早关闭排气阀，保留尾气。到达上止点后活塞开始下行，压力开始下降的时候打开吸气阀。由于存在进气阀和排气阀同时关闭的状态，所以称之为NVO。NVO将高温气体封闭在气缸内，可以提高气缸的温度。在NVO期间喷射燃料的话，混合气体的高温就会让燃料自燃。NVO是HCCI中的常见手法。马自达使用可变阀门机构调整NVO出现的时刻并为此获得了多项专利。把HCCI领域扩展到高负载领域之所以重要，是因为有外部EGR（冷却EGR）环节。在马自达统领发动机开发的人见光夫常务执行役员就表示，在冷却EGR环节将燃烧后冷却过的排气（不活性尾气）导入气缸，可以抑制过于激烈的自燃，不活性尾气对于抑制压燃运转过程中的噪音非常有益。过去的HCCI，碰到高负载状态，自燃变得激烈，会产生较大的噪音。马自达还透露了新一代发动机配备了“空气供给机”（增压器），配备增压器的目的是提供空气，以便在中负载到高负载状态下保持超稀薄混合气体状态。

为了抑制高负载域的爆燃，通过冷却EGR导入了冷却后的尾气。排气量特别大的情况另当别论，对于一定程度抑制了排气量的发动机的自然吸气技术，由于需要提高扭矩增加燃料，就无法导入空气使得气缸内达到超稀薄状态。为此需要通过空气供给机向气缸内压入空气来实现超稀薄状态。但超稀薄燃烧下的尾气能量很小，为了提供充分的压力，马自达为增压器做了特殊的改进，另外，马自达的此款新发动机在全负载、最高转速附近未采用超稀薄燃烧，而是切换成火花塞点火，以便实现接近理论空燃比的燃烧状态。

伴随着扭矩的增高，超稀薄程度会下降。过量空气系数（λ）低于2.2开始产生NOx时就切换成理论空燃比燃烧状态。但是在压燃的超稀薄燃烧状态和火花塞点火的理论空燃比燃烧状态之间切换时，会碰到一个棘手的问题——那就是无法实现空气过剩率在1～2之间这种高不成低不就的状态。这种状态会产生很多用三元系触媒也无法去除的氮氧化物（NOx）。也就是说无法将空气过剩率从2以上迅速改变成1的理论空燃比燃烧状态，燃烧容易出现不稳定现象，同时也会让驾驶者感到异样。对此，马自达的专务执行役员藤原清志表示，马自达通过SPCCI，对于两种燃烧状态的切换实现了“完全控制”。而实现“完全控制”的技术，正是前面提到的辅助点火和NVO。在切换领域附近使用辅助点火的火花塞，便于从压燃状态直接切换成火花塞点火状态。NVO能够用于切换到高转速状态。在马自达公开的专利“特愿2007-258819”中，通过NVO，在气缸内温度不断上升的情况下不喷射燃料，可以防止在提早压燃状态的同时，又保证在切换到火花塞点火状态时不会出现点火过早现象。马自达取得了有关切换时喷射燃料、控制EGR的诸多专利。其他日系车企的一位研究发动机的技术人员表示，“要想顺畅地切换两种燃烧状态，需要考虑到所有的条件，对燃料喷射量、喷射时机、可变阀门的位移量和阀门动作时机、EGR量的指标逐一通过实验来确定”，由此可见马自达为此花费了诸多心血。

切换时碰到的问题是，超高压缩比虽然对实现超稀薄燃烧很有效，但在此状态下切换为火花塞点火的理论空燃比燃烧状态时，会在切换瞬间产生爆震现象。为了抑制爆震，马自达采用了可变压缩比技术。但马自达表示并未使用机械式改变压缩比的构造。估计是通过提前关闭吸气阀或者延迟关闭排气阀的米勒循环来减少吸入的空气量，由此来抑制爆震的。这种做法实际降低了压缩比。但是如果是单纯的米勒循环又会降低扭矩，所以为了避免降低扭矩，空气供给机应该起着重要作用。

马自达预计这种实现了超稀薄燃烧的新一代汽油发动机的燃料消耗率要比现行的“SKYACTIV-G”发动机最高改善20～30％（上图）。而且通过配备空气供给机（增压器），使得扭矩在整个工作领域平均提高10%以上，最多提高30%。

从展示的机器实物来看，Skyactiv-X不像Skyactiv-G那样为4-2-1构造，而是普通的4-1布局，机械增压器上可以看到组合了水冷式冷却器。HCCI容易受到燃烧室温度以及吸气温度的影响，现阶段压缩时的燃烧室温度必须控制在上下浮动3℃以内，这几乎是不可能实现的。对此，马自达采用的对策是，不控制燃烧室温度，而是通过控制压力来扩大燃烧室的温度范围。这就是马自达的SPCCI，一种把不可能变为可能的技术。这样做的结果是在燃烧室温度上下浮动50℃的范围内，依然能够实现压燃，从而扩大了转速范围。发动机上部的高压共轨配管为了等长，进行了复杂的弯曲。其前部为直接式点火线圈，燃烧室内还配备了缸内压力传感器。但是，HCCI是稀薄燃烧方式下的燃烧方法，即便采用SPCCI也无法实现所有转速领域内的压燃。马自达介绍说，现状是从比怠速状态稍高的转速（1000rpm左右）到4000rpm为止的3000rpm区间内，实现SPCCI燃烧的。如果是稀薄燃烧状态，上述区间是无法全部对应行驶状态的。虽然在理论空燃比时仍可使用SPCCI技术，但马自达的SPCCI技术实际上是在理论空燃比SI、理论空燃比SPCCI、稀薄燃烧SPCCI这三种燃烧模式之间相互切换的。

为了扩展HCCI的支持领域而采用的SPCCI，将火花塞点火导致的燃烧转变为压力，从而提高了缸内压力。理论空燃比SPCCI大量使用EGR(排气再循环)，以减少实际燃烧时燃料和氧气的用量。具体做法是从按照负载调整EGR的流量（负载越少，EGR流量越大），从理论空燃比SPCCI切换到增加空气量的稀薄燃烧SPCCI。做此切换需要的是被称为高响应空气供给机的吸气元件，也就是机械增压器。

实现SPCCI时，首先预喷燃料在气缸内形成低浓度燃料混合气体，然后在火花塞附近喷射形成高浓度混合气体并且点火，利用燃烧形成的压力让低浓度混合气体出现压燃。这是一种SGDI（喷雾式直喷技术）和HCCI相结合的技术。相对于以往的Skyactiv-G，Skyactiv-X燃烧室的形状固然不同，但实现SPCCI所需要的只有高响应空气供给机、共轨式燃料提供装置、以及为了精确控制点火时刻而测量燃烧室内压力的CPS（缸内压力传感器）三种零部件。实际上SPCCI控制的内容不止火花塞点火的时刻、燃料喷射时刻以及喷射回数，还有为了让活塞运动带来的缸内压力上升快速传递，以提高火焰传播速度的涡流控制等，这些都要比Skyactiv-G来得更复杂。EGR还向高响应空气供给机输送尾气，所以在EGR冷却器的前段还配备了过滤尾气中PM粒子的过滤器、以及让产生的扭矩更加稳定，以实现顺畅行走的ISG（起动机发电一体机）。

最后来看看国内，目前国内的信息相当稀少，但是因为马自达要将这款发动机推向全球市场，所以本地化工作是必须要做的，因为发动机测试不像新车测试，不需要过多伪装，台架测试后，实车测试个人估计已经在进行中了，由于国内油品的关系，18年会普及乙醇汽油，所以还是会相应的降低压缩比，传闻是由18:1降至16:1，即使这样压缩比也是市场最高的。根据第一代创驰蓝天从国外发布到国内上市的时间来看，不会早于2019年，也就是说最快会在2020年国内上市，这还是测试顺利而且国内测试比较早的情况。

总之无论如何，马自达实现了很多厂家不敢想象的东西，在这个涡轮增压和混动的世界中，不断的挖掘自然吸气的极限，就是这种精神也值得人们尊敬。

资料来源：
MAZDA JAPAN
日经技术在线