有很多原因能解釋為什么不是所有人都愿意開電動(dòng)汽車。你可能已經(jīng)想到了兩三個(gè)原因，但讓我加一個(gè)，我相信你肯定沒有想到。它是電動(dòng)車的一個(gè)大障礙，但很少被提及。

這就是內(nèi)燃機(jī)，它絕沒有停滯不前。它在發(fā)展，而且發(fā)展得很快。

馬自達(dá)的火花塞點(diǎn)火控制壓燃點(diǎn)火（SPCCI）系統(tǒng)是最能詮釋這種靈活不懈、努力進(jìn)取的例子，該系統(tǒng)計(jì)劃在2019年末以新型內(nèi)燃機(jī)的形式與購(gòu)車的公眾見面。馬自達(dá)借用了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)，將燃料-空氣混合物壓縮到自燃點(diǎn)，而不是像汽油發(fā)動(dòng)機(jī)那樣用火花塞點(diǎn)火。這是繼20世紀(jì)70年代開始快速發(fā)展的電控燃油噴射之后，內(nèi)燃機(jī)取得的最大進(jìn)展。

這款新型發(fā)動(dòng)機(jī)在某些條件下以壓燃方式運(yùn)行，就像柴油發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，在另一些情況下以火花塞點(diǎn)火方式運(yùn)行，就像標(biāo)準(zhǔn)的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)一樣。它將以創(chuàng)馳藍(lán)天-X（Skyactiv-X）的名稱銷售，采用馬自達(dá)當(dāng)前的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)創(chuàng)馳藍(lán)天-G（G代表汽油）。“我們稱之為創(chuàng)馳藍(lán)天-X，因?yàn)樗诤狭似秃筒裼图夹g(shù)。”馬自達(dá)動(dòng)力總成工程師陳杰（Jay Chen，音）在新聞發(fā)布會(huì)上表示。

馬自達(dá)宣稱，2.0升四缸創(chuàng)馳藍(lán)天-X的扭矩比創(chuàng)馳藍(lán)天-G大10%到30%，燃料功率高20%到30%。因此，使用2.0升創(chuàng)馳藍(lán)天-G作為參考，創(chuàng)馳藍(lán)天-X的扭矩介于224到264牛米之間。如果將其用在緊湊車型馬自達(dá)3中，并假設(shè)它只有最低限度的混合動(dòng)力設(shè)計(jì)，那么它油耗將為百公里6.36到5.88升之間（合每加侖37到40英里）。但馬自達(dá)尚未宣布創(chuàng)馳藍(lán)天-X將搭載哪款車型首次亮相。

確實(shí)，純電動(dòng)汽車的數(shù)據(jù)表現(xiàn)更好。美國(guó)環(huán)境保護(hù)署認(rèn)定雪佛蘭Bolt EV的電動(dòng)汽車當(dāng)量為 119每加侖英里數(shù)（mpg，即1.98升/100千米）。另一方面，Bolt充電一次只能行駛383千米，而搭載創(chuàng)馳藍(lán)天-G發(fā)動(dòng)機(jī)的馬自達(dá)3，加一箱汽油可行駛785公里。

“創(chuàng)馳藍(lán)天-X最重要的一點(diǎn)是證明了內(nèi)燃機(jī)并沒有死去，電動(dòng)汽車也不是穩(wěn)操勝券。”行業(yè)咨詢公司太平洋汽車的總裁喬治?彼得森（George Peterson）說道，“在電動(dòng)車的成本和行程問題得到解決之前，內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)還是富有活力的。”

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要想理解SPCCI的工作原理，要從3種內(nèi)燃機(jī)——柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，標(biāo)準(zhǔn)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)以及SPCCI的先驅(qū)、名為均質(zhì)壓燃（HCCI）的發(fā)動(dòng)機(jī)——的基本點(diǎn)火原理開始。

在理想的燃燒中，每個(gè)烴分子和一個(gè)氧分子配對(duì)，生成水和二氧化碳。分子間存在化學(xué)上的理想比率，工程師稱之為λ=1。如果有更多氧氣，在稀薄燃料條件下燃燒，λ就大于1。這對(duì)降低燃料消耗來講是好的。并且，因?yàn)橄”∪紵圈?1的燃燒溫度低，產(chǎn)生的氮氧化物污染也較低。

然而，讓稀薄混合燃料燃燒并沒有那么容易。“混合物中的燃料越少，點(diǎn)燃就越難，”陳杰解釋道，“就像要點(diǎn)燃點(diǎn)火液不足的烤肉爐一樣。”

HCCI和SPCCI發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的解決方案是：壓縮空氣-燃料混合物，直到它的溫度足夠高、壓力足夠大，最后自發(fā)點(diǎn)燃為止。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)也使用這種壓縮點(diǎn)火，但它們首先將純凈空氣壓縮進(jìn)燃燒倉(cāng)中，然后噴入柴油燃料。只有這樣燃料才能燃燒起來。

這個(gè)順序很重要，因?yàn)榛鹧媸怯扇剂蠂娙朦c(diǎn)擴(kuò)散到燃燒室的其余部分的。前面擴(kuò)散火焰的高溫導(dǎo)致柴油排放出特有的煙灰顆粒和氮氧化物。

在HCCI燃燒中，在壓縮沖程，空氣和燃料在汽缸內(nèi)混合，并均勻擴(kuò)散到整個(gè)燃燒倉(cāng)，就像在直噴型汽油發(fā)動(dòng)機(jī)中一樣。只有在擴(kuò)散和混合之后，它們才被壓縮到自動(dòng)點(diǎn)火點(diǎn)，就像在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中一樣。

因此，在傳統(tǒng)的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)中，燃燒開始于火花塞；在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中，燃燒開始于燃油噴射器；在HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)中，燃燒立即發(fā)生在整個(gè)燃燒室。這會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)烈的燃燒反應(yīng)，與其他兩種類型的發(fā)動(dòng)機(jī)相比，HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力沖程期間向下對(duì)活塞施加更大的力。在壓縮沖程中，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油發(fā)電機(jī)都必須在活塞仍在向上移動(dòng)時(shí)點(diǎn)燃燃料，當(dāng)活塞在接近其沖程頂端時(shí)，使氣缸壓力達(dá)到峰值。

“這意味著活塞仍在向上移動(dòng)時(shí)，已經(jīng)形成壓力，”陳杰說，“活塞不得不對(duì)抗當(dāng)前的壓力。”

“如果我們進(jìn)行壓縮點(diǎn)火，它可以在非常短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生，我們實(shí)際上可以把活塞上止點(diǎn)的壓力峰值作為目標(biāo)。”陳繼續(xù)說，上止點(diǎn)是一個(gè)行業(yè)術(shù)語(yǔ)，在這一點(diǎn)，汽缸容量處于絕對(duì)最小值。“這樣一來，所有能量都立即得到釋放，然后砰的一聲！以最大的力量向下推動(dòng)活塞。燃燒相同數(shù)量的燃料，壓縮點(diǎn)火可以比傳統(tǒng)的火花塞點(diǎn)火得到高得多的壓力。”

要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)需要以非常高的壓縮比運(yùn)行，就像柴油發(fā)動(dòng)機(jī)一樣。美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（提供數(shù)據(jù)的外部資源單位之一）的數(shù)據(jù)顯示，HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)通常以高達(dá)14:1的壓縮比運(yùn)行。傳統(tǒng)渦輪增壓汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比通常為10:1左右，而柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，例如公羊皮卡上常見的康明斯5.9升渦輪增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，其運(yùn)行壓縮比是17.2:1。

然而，HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)并不總能控制好自發(fā)燃燒的時(shí)間，使自發(fā)燃燒剛好發(fā)生在活塞通過壓縮沖程的上止點(diǎn)，并向下移動(dòng)開始做功沖程。因?yàn)樗鼈兯幍沫h(huán)境變化迅速，需要駕馭混亂的極高溫放熱化學(xué)反應(yīng)，根本無法實(shí)現(xiàn)精確控制 。

正如陳杰所說：“只要汽缸內(nèi)的空氣和燃料達(dá)到臨界溫度和壓力，就會(huì)發(fā)生燃燒。”

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因?yàn)镠CCI燃燒只能在適當(dāng)?shù)呢?fù)載條件和發(fā)動(dòng)機(jī)速度下進(jìn)行，所以HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)需要火花塞以傳統(tǒng)的點(diǎn)火模式運(yùn)行。這時(shí)挑戰(zhàn)就開始了。在HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)中，壓縮點(diǎn)火是自發(fā)的，因此很難確切知道汽缸的空氣和燃料混合物何時(shí)會(huì)被點(diǎn)燃。如果我們青睞的這種迅速而強(qiáng)力的燃燒在做功沖程中過早發(fā)生，而活塞還處于壓縮沖程的上升過程中，則發(fā)動(dòng)機(jī)可能發(fā)生災(zāi)難性損壞。但發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載、節(jié)流閥位置以及溫度是在不斷波動(dòng)的，如果在某一個(gè)瞬間它們突然產(chǎn)生高于壓燃所需的壓縮比，那么這種過早的點(diǎn)火就很難被阻止。

馬自達(dá)巧妙地解決了這個(gè)問題，最初讓發(fā)動(dòng)機(jī)只噴射很少一部分燃料。這個(gè)方案能確保混合燃料很稀薄，無論條件如何都不會(huì)提前點(diǎn)燃。“然后在壓縮沖程中，在更高壓力下噴射大量的燃料。燃料會(huì)霧化，但沒有同樣足夠的時(shí)間來加熱，這樣也就沒有足夠的時(shí)間達(dá)到自動(dòng)點(diǎn)火的溫度閾值。”陳杰解釋道。

那么，如何把握這種稀薄混合燃料在循環(huán)中最合適的時(shí)機(jī)點(diǎn)火呢？馬自達(dá)針對(duì)該問題提出了一個(gè)創(chuàng)造性解決方案，即使SPCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比為大約16:1，剛好低于該發(fā)動(dòng)機(jī)中壓縮點(diǎn)火的閾值。

早些時(shí)候，在溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載、節(jié)氣閥位置和轉(zhuǎn)速不適于壓縮點(diǎn)火的情況下，HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)需要火花塞來執(zhí)行傳統(tǒng)的操作。但馬自達(dá)的工程師們意識(shí)到，通過操縱壓縮艙的條件，可以在艙內(nèi)用火花塞進(jìn)行局部點(diǎn)火。擴(kuò)散的火焰前緣增加了整個(gè)燃燒倉(cāng)的壓力，有效地提高壓縮比，使整個(gè)燃燒倉(cāng)立刻觸發(fā)燃燒。

這又造成了點(diǎn)火液的問題：如何在燃料混合物過于稀薄而無法點(diǎn)燃的情況下，點(diǎn)燃這個(gè)高壓火球？馬自達(dá)的解決方案是，靠近火花塞創(chuàng)建一個(gè)不那么稀薄的區(qū)域，僅憑壓縮即可比較容易地點(diǎn)火。這樣火花塞即可點(diǎn)燃火球，火球膨脹會(huì)增加整個(gè)汽缸的壓力，引發(fā)壓力點(diǎn)火。換句話說，火花塞的作用不是點(diǎn)火，而是助燃。

創(chuàng)建這樣一個(gè)局部的“不那么稀薄的區(qū)域”并不容易。“我們不能只是把燃料放進(jìn)去，然后讓它的濃度略微增加，因?yàn)樗鼤?huì)（和艙內(nèi)其他的一切物質(zhì)）相混合。”陳杰解釋道，“為了隔離這個(gè)‘不那么稀薄的區(qū)域’，使該區(qū)之外仍然非常稀薄，我們引入了汽缸渦流。”

就像咖啡師創(chuàng)造藝術(shù)拉花一樣，也可以讓引入汽缸中的空氣-燃料混合物按照精心設(shè)計(jì)的圖形旋轉(zhuǎn)。但馬自達(dá)工程師們沒有畫出異想天開的心形，而是引導(dǎo)氣流以火花塞為平靜的颶風(fēng)眼，像颶風(fēng)一樣旋轉(zhuǎn)。

“我們通過汽缸蓋上的端口設(shè)計(jì)在汽缸中產(chǎn)生這種旋渦，同時(shí)我們還有精益增壓器幫助傳送大量的氣流。”陳杰說，“氣流越多，或是流動(dòng)得越劇烈，我們就能得到越多的湍流和渦流。”創(chuàng)馳藍(lán)天-X發(fā)動(dòng)機(jī)將額外的一些燃料注入到這個(gè)被隔絕開的湍流中，注入量剛好足夠讓火花塞點(diǎn)燃火球，在精準(zhǔn)的瞬間引發(fā)整個(gè)汽缸內(nèi)的自發(fā)壓縮點(diǎn)火。

研究HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的其他汽車制造商（特別是通用汽車和奔馳公司）在發(fā)動(dòng)機(jī)從HCCI模式平穩(wěn)切換為傳統(tǒng)火花點(diǎn)火模式時(shí)遇到了一些問題。主要是當(dāng)轉(zhuǎn)換發(fā)生時(shí)，車輛會(huì)有大約1秒鐘失去一部分動(dòng)力。如果某些駕駛條件組合在一起，要求發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁地反復(fù)切換模式，這個(gè)問題就會(huì)很明顯。

通用汽車公司堅(jiān)持認(rèn)為，這些問題并不重要。“我們?cè)?007—2008年間所展示的通用汽車HCCI開發(fā)車輛就已表明，駕駛性能和模式轉(zhuǎn)換并不是商業(yè)化生產(chǎn)的主要障礙。”通用汽車發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)集團(tuán)經(jīng)理保羅?納吉（Paul Najt）說。在他看來，商業(yè)化的主要挑戰(zhàn)是如何將HCCI和其他技術(shù)（例如選擇性汽缸暫停）經(jīng)濟(jì)地組合在一起，實(shí)現(xiàn)更好的燃料經(jīng)濟(jì)性。

陳杰解釋，SPCCI從HCCI切換到傳統(tǒng)火花點(diǎn)火沒有任何問題，因?yàn)樗粫?huì)將火花塞打開又關(guān)閉。它只是改變火花塞的使用方式——點(diǎn)燃燃料混合物或提升壓力使其自燃。

“因?yàn)闊o論是壓縮點(diǎn)火模式還是火花塞點(diǎn)火模式，火花塞都一直在運(yùn)行，這就可以將壓縮點(diǎn)火的范圍擴(kuò)大到遍及大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載情況，”陳杰說，“只有在發(fā)動(dòng)機(jī)速度非常高的情況下，我們才切換回火花點(diǎn)火模式。”

這就是SPCCI與HCCI的不同之處。“在傳統(tǒng)的HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)中，每次模式切換都會(huì)有瞬間的停頓，”陳杰說，“而這種停頓會(huì)導(dǎo)致駕駛性能的降低。你每次踩油門時(shí)，都可能出現(xiàn)卡頓，然后在模式轉(zhuǎn)換時(shí)又會(huì)出現(xiàn)卡頓。這樣駕駛性能就有問題，這就是傳統(tǒng)的HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)從未進(jìn)入市場(chǎng)的原因。它在實(shí)驗(yàn)室表現(xiàn)很好，或許它作為概念很好，但客戶不會(huì)接受它。”

對(duì)于SPCCI，馬自達(dá)通過為發(fā)動(dòng)機(jī)配備快速電子氣門正時(shí)致動(dòng)器，設(shè)法克服這些問題。馬自達(dá)還增加了傳感器，可以在每次點(diǎn)火時(shí)直接測(cè)量每個(gè)汽缸的燃燒壓力。這種高速監(jiān)控讓管理發(fā)動(dòng)機(jī)的計(jì)算機(jī)對(duì)緊鄰點(diǎn)火區(qū)的汽缸沖程進(jìn)行調(diào)整，確保其以最佳狀態(tài)運(yùn)行。

在SPCCI切實(shí)投入生產(chǎn)的道路上，克服HCCI早期應(yīng)用中的駕駛性能問題可能是一項(xiàng)最重要的成就。但陳杰說，他最為自豪的事實(shí)是，馬自達(dá)完全依靠現(xiàn)成部件，促進(jìn)了燃燒前沿技術(shù)的提升。

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馬自達(dá)在汽車界的排名并不靠前。其汽車年銷售量為156萬輛，與豐田的1000萬輛相比是小巫見大巫了。因此，馬自達(dá)似乎不太可能成為提高前沿內(nèi)燃技術(shù)水平的候選者。但該公司創(chuàng)造過這樣的歷史。20世紀(jì)70年代，它成為第一家也是唯一一家將Wankel轉(zhuǎn)子活塞發(fā)動(dòng)機(jī)投入量產(chǎn)的制造商。20世紀(jì)90年代，它開發(fā)了增壓米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，這和創(chuàng)馳藍(lán)天-X密切相關(guān)，因?yàn)槎叩陌l(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)都運(yùn)用發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的增壓器將大量空氣注入汽缸。典型的性能導(dǎo)向型增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，例如527千瓦（707馬力）的道奇挑戰(zhàn)者Hellcat Hemi V8，利用壓縮機(jī)將空氣填入汽缸，從而提高輸出功率。

和傳統(tǒng)的增壓器一樣，這種空氣補(bǔ)給方案采用中間冷卻器來幫助冷卻進(jìn)氣量。進(jìn)入的空氣大部分是經(jīng)過再循環(huán)的廢氣。在進(jìn)行冷卻的同時(shí)又能提高空氣密度，從而將更多的氧氣置入燃燒倉(cāng)中。

創(chuàng)馳藍(lán)天-X的一大特色是還配有一臺(tái)混合動(dòng)力的輔助電機(jī)，具有經(jīng)濟(jì)型發(fā)動(dòng)機(jī)的特征。該發(fā)動(dòng)機(jī)采用“溫和”混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，這意味著電機(jī)不能單獨(dú)推進(jìn)汽車。發(fā)動(dòng)機(jī)的皮帶帶動(dòng)著汽車中一臺(tái)非常小的交流發(fā)電機(jī)，它比“強(qiáng)勁”混合交流發(fā)電機(jī)要小，但比傳統(tǒng)汽車中的普通12伏電池要大一點(diǎn)。馬自達(dá)汽車允許交流發(fā)電機(jī)汽車在減速過程中獲取能量，將其儲(chǔ)存到電池中，然后將其用于無縫關(guān)啟汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。（冷啟動(dòng)由常規(guī)起動(dòng)電機(jī)執(zhí)行。）

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數(shù)字技術(shù)的進(jìn)步不僅推動(dòng)電動(dòng)汽車發(fā)展，同樣也延長(zhǎng)了內(nèi)燃機(jī)的生存期。確實(shí)，諸如活塞、曲軸和閥門等基本的活動(dòng)部件基本沒有大的變化，但由汽油燃燒獲取能量過程的所有細(xì)節(jié)都在不斷變化。

計(jì)算機(jī)提供的建模和分析能夠幫助人們以前所未有的深度理解燃燒過程。實(shí)際上，麻省理工學(xué)院的綠色研究小組已經(jīng)開發(fā)出一種可以在個(gè)人電腦上運(yùn)行的燃燒模型。麻省理工學(xué)院發(fā)動(dòng)機(jī)仿真軟件（MITES）跟蹤了4000個(gè)可在燃燒中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)；該項(xiàng)分析使其能夠描述HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行范圍的特征。除此之外還有其他發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)技巧，包括使用帶有透明石英汽缸的發(fā)動(dòng)機(jī)，氣缸中配有激光傳感器，可以一覽燃燒艙內(nèi)部的反應(yīng)。當(dāng)然，像馬自達(dá)這樣的汽車制造商擁有足夠的計(jì)算資源，可以在建造測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)前，對(duì)復(fù)雜的燃燒事件進(jìn)行建模，但若是擁有在個(gè)人電腦上運(yùn)行的建模工具，那么也可以讓其他人以較低的成本研究這個(gè)正在發(fā)展的領(lǐng)域。

MITES的開發(fā)者們?cè)谝黄枋鏊霉ぞ叩恼撐闹兄赋觯骸癏CCI發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)燃燒化學(xué)的細(xì)節(jié)比（火花塞點(diǎn)火）和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)更敏感，因此，如果對(duì)HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)發(fā)生的物理和化學(xué)過程沒有真正的理解，就很難開發(fā)出實(shí)用、高效、強(qiáng)勁的發(fā)動(dòng)機(jī)。”

除了汽缸壓力傳感器之外，創(chuàng)馳藍(lán)天-X的所有部件和今天發(fā)動(dòng)機(jī)中的基本相同。“在硬件方面，我們也沒有改造發(fā)動(dòng)機(jī)，”陳杰說，“發(fā)動(dòng)機(jī)中的所有部件都是創(chuàng)馳藍(lán)天-X問世前市場(chǎng)上就已存在的。”

這種與過去的延續(xù)性為馬自達(dá)喚醒的魔法做出了一點(diǎn)解釋。內(nèi)燃機(jī)不是焦枯的歷史遺跡，而是一項(xiàng)生機(jī)勃勃、不斷發(fā)展的技術(shù)。汽油動(dòng)力裝置繼承了無數(shù)的投資和獨(dú)創(chuàng)，將繼續(xù)抵擋來自電力推進(jìn)的挑戰(zhàn)。對(duì)下一代駕駛者來說，很多車型中依然會(huì)安裝汽油動(dòng)力裝置，再下一代也將如此。