CX-90用马自达SKYACTIV-G 3.3T直列6缸发动机技术介绍

很久之前，我写过一系列马自达SKYACTIV-G和SKYACTIV-X发动机的技术，在燃油车时代，马自达如同一颗璀璨的星辰，为汽车历史上涂上一笔独特的色彩。如今，时过境迁，众多车企停止发动机研发，转型混动和电动车，而马自达依然执着在发动机领域，又开发出一套高规格动力总成，SKYACTIV-G 3.3T直列6缸发动机。

这款发动机是面向碳中和社会的过渡期中的产品，马自达从Well-to-Wheel生命周期的角度考虑降低实际CO2，设计出的又一个高效节能性能3.3L直列6缸汽油涡轮发动机。通过追求高压缩燃烧技术、大排量性能需求（2.5L→3.3L），实现了高功率和中低速区域的快速扭矩响应，同时在日常使用的广泛范围内实现了高热效率的运行。本文会介绍相关技术，内容图片和技术参数来自马自达官网、CX-90美网数据、马自达技报等。

SKYACTIV-G 3.3T发动机的开发目标

马自达有一个经典的技术路线图，如下图所示，第1步是SKYACTIV-G，第1.5步是新一代的SKYACTIV-G，第2步是SKYACTIV-X，后续还有第3步。而此3.3T的发动机定位在1.5步，主要设计目标为提高压缩比的同时实现更理想化的SI燃烧（Spark Ignition），快速燃烧，高效燃烧。

图马自达内燃机技术路线图

下图展示了该发动机具体的技术方案。核心是强化燃烧室内的流动，通过保证燃烧室气体流动速度让SI快速燃烧，进而追求大排量，从目前的2.5T涡轮增压发动机（以下称现有2.5T）扩大到3.3T涡轮增压发动机，从而提高扭矩和性能，同时将净平均有效压力BMEP（Brake Mean Effective Pressure）的最大值抑制到和当前2.5T一致，通过燃烧室内的流动强化来抑制爆震，压缩比从10.5提高到12.0。另外，通过这种流动强化缩短了燃烧时间，在抑制每个循环的燃烧波动（COV）的基础上，通过扩大外部EGR（Exhaust Gas Recirculation）和内部EGR引入的稀释燃烧，降低了油耗，降低了发动机原排NOx（以下称为Raw NOx）。通过这些技术，实现了高负荷运行的大范围高效燃烧。

图 SKYACITV-G 3.3T的技术概念

涡轮增压器也做了调整，目前SKYACTIV-G 2.5T是小型涡轮，重视中低速区域的响应，但由于排气从2.5提升至3.3，为了保证中低速区域的扭矩，涡轮性能同样需要提高。

另外，排气量增加和涡轮尺寸增加，进气量就更多了，从而输出功率和米勒循环范围都更大了，并且通过双涡管涡轮，发动机低转速下踩下油门后的响应性也更快了。

另外，通过新开发的启停技术，扩大了EV模式下的行驶范围，改善了轻负荷下的燃油经济性。通过这些技术，新型3.3T在性能和油耗的综合实力具备了竞争力。轻混和8AT变速器的组合，帮助CX-90拥有足够的扭矩和输出。

SKYACTIV-G 3.3T的主要规格如下表所示。表中有和上一代2.5T的对比。其中，压缩比从10.5提升至12，双涡管涡轮，进排气门相位范围扩大，性能有增加。其中，SKYACTIV-G 3.3T分为标准版和高功版。

表 SKYACTIV-G 3.3T主要规格

表2 显示的一些硬件参数，很有意思的一点，这些参数表面发动机缸体参数，散热器等和马自达SKYACTIV-D 3.3T 直列6缸柴油发动机一样，通用化设计。只针对汽油机柴油机转速和发热量的差异，对汽油发动机设计余量过大的零部件和需要提高可靠性的零部件单独设计，最小程度进行开发。

表 SKYACTIV-G 3.3T和SKYACTIV-D 3.3T通用化零部件

SKYACTIV-G 3.3T发动机性能指标

和很多德系品牌一样，这款发动机也区分高低功率，设定了Hi-Power和Std-power两种规格。从上图性能表能看出来，高低版本的发动机本体规格一致，我猜测部分附件比如散热器、水泵等零部件有差异，如果对这部分改装，低功率刷高功率软件理论上没有风险。为了让SKYACTIV-G 3.3T应对各个市场，也专门使用E10燃料进行标定，满足欧洲需求。

两款3.3T和老一代2.5的功率扭矩数据如下图。3.3T的最大扭矩500Nm/450Nm，最大功率达到254kW（340HP）/209kw（280HP）。相对于老款的2.5T，Hi-power规格的最大扭矩提高了19%，最高输出功率提高了50%，Std-power规格的最大扭矩提高了7%，最高输出功率提高了23%。并且无论高低功率，峰值扭矩平台都更宽。

图发动机性能对比

下图显示了净燃料消耗率BSFC（Brake Specific Fuel Consumption）的对比，选择了1500rpm代表点。从发动机燃烧效率来看，通过提高压缩比，改善了中低负荷区域的油耗性能，并抑制了高负荷区域的爆震引起的油耗恶化。与灰色FEV的数据相比（2010年-2022年），改发动机的热效率处于领先梯队。由于扩大了排量，在使用同等扭矩坐标对比时，低扭矩区间油耗相比2.5T类似，但中扭矩高扭矩油耗性能大幅度改善。而且得益于轻混和8AT，实际整车油耗表现提升更明显。

图 3.3T和2.5T的燃油消耗率对比

下图为SKYACTIV-G 3.3T的BSFC，由于在较宽的转速扭矩范围内实现了高效率，实际整车表现相比账面数据更好。

图 SKYACTIV-G 3.3T BSFC图

SKYACTIV-G 3.3T 技术手段

1 缸内流动强化改善燃烧

SKYACTIV-G 3.3T主要通过强化缸内流动改善燃烧，从而提高热效率，相比目前2.5T，在滚流比上提高明显。

图滚流比的数据对比

为了强化滚流比，进气口形状从目前的2.5T的直线变为曲线，强化向缸内流动的方向性。

图高滚流进气道

下图所示的活塞形状从目前2.5T的浴缸型腔体形状变为球形，从而提高压缩行程中气体的翻滚流动。由于腔体直径变大（因为排量变大），气体流动更容易与燃烧室壁面碰撞，阻碍滚流形成，因此反复进行流体分析和燃烧分析，设计了最佳的球形腔体形状。另外，对活塞端部实施切边加工，通过设置空间，降低了残留在气缸内部的未燃气体。

图 3.3T发动机燃烧室内部的设计优化

通过这些流动强化，新型3.3T的燃烧期比现行2.5T缩短了。燃烧时间的缩短抑制了高负荷范围内的爆震，可以提高压缩比上限，并且在BMEP轴上实现了与2.5T等效的最佳点火提前角（MBT）。

图燃烧室热释放曲线

此外，通过扩大排气量，扭矩轴上MBT的范围进一步扩大，黑线以下区域为老款2.5T走MBT最佳点火提前角的范围，红线以下为新款3.3T发动机能走到MBT的范围。该图可以理解为相同燃烧压力下，MBT点火角类似，但由于基础排量不同，3.3TMBT范围的扭矩更大。

图 MBT范围在燃烧压力轴和扭矩轴下的对比

此外，通过缩短燃烧时间，可以提高内部EGR和外部EGR比例，实现相对稀薄燃烧。下图表示气门重叠角对燃烧稳定性COV（Coefficient of Variation）的影响。相比马自达的SKYACITV-G 2.5T的COV，3.3T可以实现更大的气门重叠角，即可以适当提高内部EGR率(比如之前的气门重叠角只能到25deg，现在可以到60deg)。

图不同气门重叠角下IMEP COV的变化

EGR率更高，燃烧温度更低，冷却损失更小，同时也有助于降低原排的NOx，还可以降低催化器载体的贵金属量。除了稀释燃烧之外，进气排气凸轮的开关角与以往相比扩大了，比如将进气门延迟，强化米勒循环，泵气损失的范围改善更明显。进气慢闭反射镜循环引起的泵损失在大范围内得到了改善。这些效率改善的比例如下图。

图典型代表点1500rpm BMEP400kPa处的燃烧热量损失

2燃烧辅助启动技术

SKYACTIV-G 3.3T配备了轻混系统，从EV行驶状态到发动机再起动时，需要确保起动所需的电动机转矩。为了降低该起动用的电动机转矩，进一步扩大EV行驶范围，提高燃料消耗率，开发了燃烧辅助起动技术，该技术从马自达经典的i-stop启停技术进化而来，第一次点火在停止的做工行程气缸中，通过燃烧的扭矩降低起动用的电动机扭矩。

图燃烧辅助启动

燃烧辅助起动的核心是直接在没有经过压缩冲程下的做工冲程的气缸燃烧，这个气缸内气体残留气体很少，而且气体没有任何流动，所以在这种低温低压下，火焰的传递难度很大。首先混合气的形成依靠喷油器的能力，利用活塞端面形状和燃烧室的形状，在火花塞周围形成足够的浓混合气，如下图。

图喷油器喷油的路线，混合器传递到火花塞周围

此外，通过多次喷射，减少燃烧喷雾附着在筒内壁面，尽可能让燃烧室的混合气更浓一点，第一次喷射先形成混合气，然后利用第二次、第三次喷射的喷雾能量把混合气送到火花塞周围，点火处形成足够浓的混合气。如下图所示，相同燃料下，3次喷射在火花塞周围的混合气更浓，燃烧更容易。

图 CAE分析下火花塞周围的A/F

其次，要保证气缸内部有足够新鲜的空气，缸内残留气体要少，这是通过发动机停止过程中的扫气来实现的。一般而言，单纯地打开节气门，肯定可以增加新鲜空气，可以促进扫气，减少残留气体，但新鲜空气多了在压缩行程下，反作用力会引起曲轴角加速度变动变大，发动机停止时，会存在抖动（下图线①）。

为了考虑这种矛盾，发动机断开后立即进入扫气区间，在发动机停止前的振动抑制，首先在扫气区间大幅度打开节气门，增加新气导入量，再加上使进气S-VT提前，将压缩工序中的进气关闭定时设为下止点侧，由此减少进气系统的已燃气体吹回，降低残留气体。

其次，在振动抑制区间，关闭节气门以减小压缩的反作用力，通过使进气S-VT滞后，降低有效压缩比，抑制发动机机体振动。这样既降低了残留气体，又降低了振动（下图线②）。

图通过节气门和S-VT改善振动和残留废气

下图表示在停止时做工冲程的气缸有无燃烧的情况下对发动机重启性能的对比。通过在停止时燃烧做工冲程的气缸，在不损害起动性能的情况下降低起动时所需的电动机转矩，扩大EV行驶区域。

PS：这种做法是挖掘发动机技术来提高轻混的EV模式时间，国内直接上一个大电池，大电机，全解决了，不需要搞这种技术细节。马自达还在内燃机领域深度挖掘。

图有燃烧辅助下，可以减少33%启动电机扭矩

3 电子控制活塞冷却喷射系统

活塞冷却喷射系统一直都有，在2.5T上采用的是在一定油压以上就自动喷射的止回球式喷射类型，而新型3.3T采用的是电子控制活塞冷却喷射系统。除了气缸体内的主储油槽之外，还配置了喷油专用油路，在油路上设置了可开闭油路的电子控制阀。

图电子控制活塞冷却喷射系统

根据发动机转速、负荷和油温，适当控制有无喷油喷射，防止活塞过冷却，有助于活塞附着燃料的减少，燃烧室早期预热，降低排放。下表表示了喷油喷射的区域。在传统的普通止回球式喷油器中，由于开阀压力偏差的影响，在闭阀/开阀时产生要求油压差，增加了油泵排量。通过将该开关阀机构置换为电子控制阀，能够削减开关阀时的要求油压差，大幅度地抑制了油泵排出量。