1 創馳藍天技術路線圖

首先看下目前馬自達的產品戰略圖，到目前為止，馬自達全系使用創馳藍天發動機，分為第一代SKYACTIV-G汽油和SKYACTIV-D柴油發動機，以及19年下半年上市的第二代創馳藍天發動機——SKYACTIV-X發動機，即馬自達獨創的SPCCI（Spark Controlled Compression Ignition）火花塞控制壓燃點火發動機。

從第一代創馳藍天發動機以來，馬自達提出了劍指理想燃燒狀態的進化藍圖，以最高熱效率為目標，分解了影響熱效率的7個關鍵因素，分別是壓縮比（compression ratio）、比熱比（specific heat ratio）、燃燒速度（combustion speed）、點火時刻（combustion timing）、熱損失（heat losser）、泵氣損失（pumping losses）、機械阻力（mechanical friction）。在第一代創馳藍天汽油發動機上，通過使用了世界第一的高壓縮比（14：1），米勒循環以及一系列降低機械阻力的措施，成功提高了熱效率，動力性和燃油經濟性保持了國際領先水平。但是，我們從圖中看出，比熱比和熱損失等方面依然存在著不足，馬自達通過鉆研，采用了稀薄燃燒、壓燃、先進熱管理等方法，接近了理想燃燒狀態。

馬自達在設計中，提到了一個很重要的因素——比熱比（specific heat ratio），這個比熱比也引導馬自達提出超稀薄燃燒概念。那么，什么是比熱比？為何要追求比熱比呢？

首先提出比熱容概念，比熱容就是把流體的溫度升高1℃所需要的熱量，但是對于氣體，因為溫度上升壓力和體積都會發生變化，所以分為兩種，一種為保持一定壓力的定壓比熱Cp，一種為保持一定體積的定積比熱Cv。這兩種比熱的比稱為比熱比，比熱比k=Cp/Cv。

如圖3所示，奧托循環的理論熱效率公式如下所示，其具體曲線如圖所示，伴隨著比熱比的提高和壓縮比的提高，熱效率是可以提高的。從曲線看出，當壓縮比提高后熱效率呈上升趨勢，但幅度趨于緩和，馬自達第一代創馳藍天的主要設計思想就在此。當比熱比提高后，熱效率能夠極大的提高，馬自達第二代創馳藍天的設計思路就基于此。

所以，為了提高比熱比，一方面要提高燃料對應的空氣比例，另一方面要將燃燒溫度下降，通俗來說，即擴大不燃燒但能夠吸收熱量的氣體，也就是廢氣。當空氣在稀薄狀態下燃燒的話，被稱為稀薄燃燒，稀薄燃燒越充分，比熱比就越高。

奧托循環的理論熱效率005.png，其中，ε：壓縮比，K：比熱比

這里簡單介紹下稀薄燃燒概念，根據化學當量比，空氣/燃油的比例為14.7才能充分燃燒，當燃油多了混合氣過濃，有部分不參與燃燒的燃油會被排出，造成燃油浪費并惡化排放，但是由于燃燒速度快，并且燃油能夠給燃燒室降溫，發動機性能可以得到提高。相反，當空氣多了混合氣過稀，由于燃燒室的富氧環境會導致排放惡化，形成大量NOx，但是這種燃燒方式對燃油經濟性很有利。目前汽油發動機所提出的稀薄燃燒概念，都是在極個別條件下使用的，比如在低溫冷啟動等不容易形成NOx的條件，或者就是局部稀薄燃燒，分層燃燒的方法，燃燒室的總體空燃比為理論空燃比，在火花塞周圍較濃，其他地方較稀。

馬自達做了理論研究，如圖2所示，這張圖展示了當燃燒溫度下降，燃料對應的氣體比熱比得以提高。由于燃燒溫度高的話，分子活性增強，一邊振動一邊分解會消耗部分能量。因此，抑制溫度的話，比熱比可以提高，能夠有更多熱量參與做工中，可以提高熱效率。這樣，通過稀薄混合氣，本身的比熱比較高，再加上燃燒溫度較低，比熱比進一步提高，熱效率就理所當然的高了。

進一步，稀薄燃燒的話，活塞和氣缸蓋的壁面的溫度差減少，熱損失也降低，通過提高空氣量，節氣門的泵氣損失也能夠降低。

馬自達所提出的是超稀薄燃燒的概念，類似于柴油發動機的稀薄程度，但是這個稀薄程度，多少才是合適的呢？由于空氣的k=1.4，燃料的k<1.33，不同比例混合氣下，比熱比系數如圖3所示。第一代創馳藍天的比熱比為1.365，空燃比在14.7（空氣過剩率1），當空燃比到29.4（空氣過剩率2）時，比熱比為1.383，因此，馬自達希望空燃比提高到理論空燃比的2倍以上。

另一方面，我們的認知是稀薄燃燒會導致NOx爆發，所以稀薄燃燒的實際使用受限。如圖4所示，馬自達通過研究發現，NOx在過量空氣系數在大于等于1的時候容易爆發，且此時燃燒溫度也最高，隨著過量空氣系數逐漸增大，燃燒溫度和NOx排放都呈減少趨勢（圖中只表明了NO數據，實際還有NO2等，NOx排放最大的過量空氣系數應該在1.03左右，在此備注下）。隨著過量空氣系數進一步增加，如圖5所示，當空燃比到29.4（空氣過剩率2）附近燃燒時，NOx的排放會處于一個較低的水平，驗證了超稀薄燃燒實現排放法規要求的可行性。

馬自達根據自己的技術路線圖，發現超稀薄燃燒是接近理想燃燒的手段，但是目前世界上并沒有汽油發動機超稀薄燃燒量產的案例，馬自達是如何實現的呢？