马自达SKYACTIV技术全貌

马自达 SKYACTIV 技术

马自达SKYACTIV技术全貌

马自达，发布了新一代汽车技术“SKYACTIV”。

这是一个将发动机、变速器、车体、底盘等汽车的基本部分进行了全面更新的巨大项目。 在没有电机辅助的情况下实现了30km/L的燃效，且无论是汽油机或是柴油机，压缩比均为14.0，车体重量也比减轻100kg。本文将对达成上述划时代性能的SKYACTIV技术进行一次全面剖析。

图A 构成马自达新一代技术“SKYACTIV”的关键要素。实现了14.0高压缩比的新一代高效率直喷汽油发动机“SKYACTIV-G”（左上）、实现了14.0低压缩比的新一代柴油发动机“SKYACTIV- D”（右上）、新一代自动变速器“SKYACTIV-Drive”（左下）、新一代轻量化高刚性车身“SKYACTIV-Body”（右下）

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第1篇：与混合动力车具有相同的燃效

在马自达2011年上半年推出的、配备了新一代发动机的“Demio”车中，可在无电机辅助的情况下实现30km/L的10·15模式燃效。马自达发布的新一代汽车技术“SKYACTIV”在汽车业界引起了巨大反响。这是因为30km/L燃效的这一数值与先于马自达前发布的本田的“飞度混合动力车”相同。

促进企业增强实力

马自达开发的新一代汽车技术“SKYACTIV”由以下6项关键技术构成。

（1） 作为汽油发动机，实现了14.0这一世界最高压缩比的高效率直喷汽油发动机“SKYACTIV-G”（参照图A）

（2） 作为柴油发动机，实现了14.0这一世界最低压缩比的绿色柴油发动机“SKYACTIVD”（参照图A）

（3） 提高了传递效率的自动变速器“SKYACTIV-Drive”（参照图A）

图1 新型手动变速器「SKYACTIV-MT」

实现了轻快的换档感觉以及大幅度的轻量化、小型化。

（4） 实现了轻快的换档感触以及大幅度的轻量化、小型化的手动变速器“SKYACTIV-MT”（图1）

（5） 实现了较高刚性以及最高水平碰撞安全性的轻量车体“SKYACTIV-Body”（参照图A）

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（6） 兼具准确转向功能及乘坐舒适性的高性能轻量底盘“SKYACTIV-Chassis”（图2）

图2 新型底盘「SKYACTIV-Chassis」

（a）前悬架和方向盘，（b）后悬架。兼具准确转向功能及乘坐舒适性。

这些关键技术将在本文中逐一进行详细介绍。其实马自达SKYACTIV的最大特点不仅仅是对发动机或者车体的改进，而是在于对车辆整体进行了统一更新。

例如新型汽油发动机。为了提高排气效率，排气歧管也比以前有所加长。这也是这款新型汽油发动机的最大特点。因为相应地要占据更大空间，所以排气歧管无法安装到以往车辆的发动机室内。此次通过同时更新车架及发动机，使得采用这种排气歧管成为可能。同样，对于变速器及悬架方面亦是如此。

对于生产规模较大的生产厂家而言，同时更新车架及发动机是相当困难的。“正因为本公司是规模不太大的生产厂家，所以才做到了”（马自达）。

另外，在各项关键技术方面，马自达超越排气量及车辆尺寸的差异而采用相同的基本构造，以便能够实现相同设备下的“柔性”生产，并将研发效率提高30％，减少生产投资20～60％。马自达的目的是将关键技术的更新与企业实力的增强联系起来。

将压缩比提高到14.0

此次马自达开发出的SKYACTIV的最大目标是提高燃效。相对于丰田及本田把混合动力技术作为燃效提升技术的核心而言，马自达首先是致力于全面改进发动机及变速器等基础技术，在此基础上再导入制动能量再生以及混合动力等电动化技术的“构件（Building Block）”战略。

马自达的目标是不仅仅对发动机及变速器进行改进，还将使车体重量减轻约100kg，从而在2015年之前使全球销售的马自达车的平均燃效比2008年提高30％。力争通过发动机的

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改进提高15～20％；通过变速器的改进提高4～7％；通过减轻车体重量提高3～5％；另外加上怠速停止机构等合计提高30％。

其中最具特点的是，新型汽油发动机由于实现了14.0的压缩比，从而大幅提高了效率，燃效及扭矩也比以前提高了15％（图3、4）。以前的汽油发动机的压缩比，在标准汽油规格下为10.0左右。马自达表示，如果将压缩比从10.0提高到15.0，则有望提升约9％的热效率。

图3 SKYACTIV-G的扭矩特性

与现有的汽油发动机相比，提高了约15％。

图4 SKYACTIV-G的燃效特性

与现有的汽油发动机相比，提高了约15％。燃料消耗量比已有的柴油发动机更少。

之所以此前压缩比停留在10左右，是因为无法避免爆震（Knocking，异常燃烧）的发生。为了不引起爆震，就必须降低压缩上止点温度。马自达重点关注的是不能从燃烧室排放出来的高温残留气体。如果按照图形来考虑的话，对于压缩比为10.0的发动机而言，活塞即使到达上止点，汽缸内仍会有10％的燃烧气体残留。

根据马自达的计算结果显示，当残留气体温度为750℃、新气温度为25℃时，如果残留气体达到10％，则压缩上止点的温度会上升160℃。反之，如果将残留气体的量从8％减少一半，降至4％，那么即使将压缩比从11.0提高到14.0，压缩上止点也不会上升。

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第2篇：加长排气歧管

此前，在减少残留气体的过程中存在的最大问题是排气歧管。近年来，由于可先行对催化剂进行激活，因此，发动机大多采用尽量缩短排气歧管、并将催化剂配置在发动机后面的构造。然而，如果到排气歧管集合部的距离太短，就会像图5（a）上部所示的那样，第3气缸的排气阀打开后产生的较高排气压力，刚好会到达排气阀与吸气阀两者均打开的交叠（Overlap）状态下的第1气缸。一度排放出去的尾气又被吹回燃烧室内，高温残留气体因此会不断增加。

图5 采用4-2-1排气系统

（a）如果采用较短排气歧管的配置（上），则第3气缸的排气阀打开后产生的较高排气压力，刚好进入排气阀与吸气阀两者均打开的交叠状态下的第1气缸。其结果是，一度排放出来的尾气被吹回燃烧室内，高温残留气体会不断增加。如果采用4－2－1排气系统（下），则可避免这种现象，从而减少残留气体。（b）巻成环状后体型缩小了的4－2－1排气系统。

为了避免这种现象发生，马自达采用了增加排气歧管长度的4－2－1排气系统。按照先将4条流路汇集成2条、然后再汇集成1条的方式，使各个气缸间的距离保持在相同状态。 为了减少残留气体，提高有效区域的扭矩，以前需要600mm的管长。马自达通过采用卷成环状的“Loop型排气管”，实现了节省空间〔图5（b）〕，但即便如此，正如前面提到的那样，排气歧管也比以前所占的空间大。

这种排气系统的问题是，由于到催化剂之间的距离太长，排气的温度下降，会延缓催化剂的激活。如果推迟点火时间，则可提高排气温度，但燃烧会变得不稳定。

为此，新型汽油发动机在活塞的上表面设置了空腔（Cavity），通过在火花塞周围形成较浓的混合气，成功地实现了即使推迟点火时间仍可保持燃烧的稳定。除了上述在燃烧方面

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的改进之外，马自达还着手降低发动机各部件的摩擦损失，最终总体上减少了2成左右的磨擦损失。

无需后处理即可减少NOx

由于新型柴油发动机SKYACTIV-D实现了14.0的压缩比，因此，可不使用尿素SCR（选择性还原催化剂）以及NOx（氮氧化物）吸收还原催化剂（LNT）等昂贵的NOx后处理装置，就能满足欧洲Euro6、北美Tier2Bin5、日本“后新长期规定”等全球的排放规定。燃效也比以前提高了约20％（图6）。

图6 SKY-D的燃效特性

与现有马自达生产的柴油发动机、以及同类竞争车的发动机相比，燃效提高了约20％。

之所以能够颠覆“提高压缩比可使热效率增高”这一发动机设计的常识，成功地使燃效得到提高，这其中有2个原因。一是降低压缩比使燃烧状况得到了改善；再一个是摩擦损失比以前减少。

之所以通过降低压缩比就能改善燃烧状况，是因为燃料与空气的均匀混合能够促进燃烧。对于像以前那样的压缩比较高的发动机而言，活塞上止点的温度及压力非常高。如果在此状态下向燃烧室内喷射燃料的话，会在燃料与空气尚未充分混合时发生着火，燃料的很大一部分会因燃烧而形成高温，并且使得NOx（氮氧化物）的生成不断增加，由于是在氧气不足的情况下燃烧，因而煤烟的生成量也增多。

为了避免这种现象发生，以前的柴油发动机是待活塞略微下降、燃烧室的压力及温度降低之后，再喷射燃料。然而，由于燃料是活塞开始下降之后才开始燃烧，因此用于产生驱动力的冲程就会缩短（图7）

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图7 虽然降低了压缩比但燃效能够提高的原因

在压缩比较高的以前的柴油发动机（上）中，为了避免将燃料喷射到高温高压状态下的燃烧室内，是要待活塞略微下降后才喷射燃料。因此，用于产生驱动力的活塞移动冲程就会变短。但在SKYACTIV-D（下）中，由于是在上止点附近喷射燃料，所以，用于产生驱动力的活塞移动冲程增长。

对于新型柴油发动机而言，由于压缩比较低，所以能够抑制上止点的温度及压力降低。即使在上止点喷射燃料，由于距离着火的时间增长，因此，燃料与空气能够充分混合，从而实现了均匀燃烧。

降低摩擦损失

由于能够避免局部高温燃烧、以及氧气不足的燃烧，因此可降低NOx和煤烟的产生。由于是在上止点附近进行喷射及燃烧，因此，活塞的冲程全都用于产生驱动力，从而带来了热效率的提升。

降低压缩比的第二个好处是发动机各部件的轻量化以及降低了摩擦损失。由于缸内最大燃烧压力降低了，因而可降低发动机构造体的所需强度。汽缸体（Cylinder Block）方面，结合利用铝（Al）合金，从而减轻了25kg的重量。

汽缸盖（Cylinder Head）方面，通过薄壁化以及排气歧管的一体化，减轻了3kg的重量。运动类部件中，活塞及曲轴（Crank Shaft）的重量减轻了25％。上述运动类部件的轻量化有助于摩擦损失的降低，马自达称，摩擦损失几乎与汽油发动机相同（图8）。摩擦损失的降低带来了2～5％的燃效提升。

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图8 SKYACTIV-D与现有发动机磨擦损失的比较

与现有发动机相比，SKYACTIV‐D由于缸内最大燃烧压力下降，因而可实现运动部件的轻量化及小型化，可将摩擦损失减小到与汽油发动机相当的水平。

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第3篇：柴油发动机首次采用2级涡轮

尽管具备这些优点，但此前却没有降低柴油发动机的压缩比，其原因是因为存在着低温起动性下降、在预热行驶过程中出现半失火等问题。为了解决这些问题，马自达采用了平均每次燃烧最多可喷射9次的高响应性压电喷嘴。凭借着利用这种喷射的自由度来实现的精密喷射控制、以及陶瓷电热塞（Ceramic Glow Plug），能够实现低压缩比条件下的稳步起动。 另一项技术是装备在排气阀里的VVL（可变气门提升机构）。该技术在低温起动时切换凸轮，在吸入工序中排气阀略微打开。使排气孔内的高温残留气体逆流进入汽缸内，借此提高吸入空气温度，促进点火。

另外，作为日本汽车生产厂家的乘用车用柴油发动机首次采用了2级涡轮增压器，这一点也是值得关注的关键技术（图9）。2级涡轮是一种在低速时主要启动小型涡轮，高速时主要启动大型涡轮，以便从低速到高速都能充入足量空气的增压系统。

图9 2级涡轮

通过区分使用大小2个涡轮，从而在低转速区段也能确保足够的空气量。

为了减少NOx的发生，新型柴油发动机采用了大量EGR（尾气再循环），但因此也会出现空气量不足，导致煤烟产生。2级涡轮的采用，使得即使在低速时也能确保足够的空气量。

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集中了AT、CVT、DCT的优点

新型自动变速器SKYACTIV-Drive的开发目标是，将已有的AT（自动变速箱）、CVT（无级变速箱）、DCT（Dual Clutch Transmission）的优点集于一身。

在日本较多采用的CVT都具有变速平顺和十分出色的低速燃效，但在高速燃效和油门操作的直接感方面则稍逊一筹。普通AT虽然在美国是主流，但在低速燃效、操作的直接感、加速的平顺性等方面还有改善的余地。相反，在欧洲日益增多的DCT虽然在燃效以及操作直接感方面具有优势，但在起步和漂移（Creep）等方面还不尽人意。

就马自达的企业规模而言，针对所有地区准备不同的变速器是不现实的。因此，马自达就以原有的AT为基础，致力于开发出一种集中了上述所有变速器优点的新型变速器。

马自达的新型变速器是以原有的AT构造为基础，并对其缺点进行了彻底改进。低速燃效以及加速时的操作直接感较差是原有AT的难点，其根本原因是采用了通过流体传导驱动力的扭矩转换器（变矩器）。因此，马自达针对原有AT扩大了锁定（Lockup）区域，使得操作直接感和燃效得以大幅提高。

如果在JC08模式下进行对比，原有5AT的锁定时间比率为49％，新型AT扩大到了82％。与原有AT相比，实现了4～7％的燃效提升。

实现扩大锁定区域的关键技术之一是采用了新型锁止离合器（Lockup Clutch）。原有锁止离合器较多是通过变矩器机壳与安装在发动机一侧的离合器摩擦片（Clutch Facing）相接触来传递驱动力。

与此不同，马自达的新型AT采用控制性及耐久性更好的液压多片离合器作为锁止离合器，因此，即使离合器在低速时接合，也能降低振动及噪声，同时还确保了使用频率增加后的可靠性（图10）。再就是以前相比，还加大了使离合器接合时的振动衰减下来的减震器。为了确保液压多片离合器以及较大的减震器的安装空间，设想变矩器只在极低速时才使用，并使其尽量小型化。

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图10 SKYACTIV-Drive的扭矩转换器

一方面尽量使变矩器小型化，另一方面，锁止离合器采用液压多片离合器，借此延长锁定时间，提高燃效。

除此之外，将液压控制机构与ECU（电子控制单元）合为一体，以此提高工作压力的精度，并且在液压控制的传动装置中采用灵敏度较高的螺线管。借助这些措施，实现了可与DCT匹敌的快速变速动作。马自达称，要降低振动及噪声，不仅在变速器的改进方面，在提高车体刚性、降低排气系统的振动、改进发动机支架等方面，都必须与其他部门合作。

另一方面，新型手动变速器SKYACTIV-MT采用前轮驱动车用的手动变速器，实现了像跑车一样轻快而又有节奏感的换档感觉，另外，通过结构调整，实现了大幅度的小型化及轻量化。

在换档感觉的改进方面，为了兼具操作力较小、冲程较短这两种相反的特性，马自达新开发出了即使在较小的内部冲程也能确实地传递操作力的、模块较小的同步机构。而构造的调整方面，通过采用2速及3速输入齿轮兼用的构造，将第二轴的长度缩短了20％（图11）。马自达称，与其他的构造调整加在一起，变速箱单体的重量减轻了约16％。

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图11 2速及3速输入齿轮（Input Gear）实现共用化

为了缩短轴向长度，SKYACTIV-MT实现了齿轮及轴的共用化。

连续的车架笔直穿过

SKYACTIV-Body借助比以往减轻了8％重量、而又提高了30％刚性的车体构造，使基本骨架在最大程度上保持了平直，除此之外，通过使各部位的骨架保持连续，从而保证了载荷尽可能由整个骨架来负担。340MPa以上的高张力钢板的使用率也从以往的40％扩大到了60％。

图12为以往车体构造与SKYACTIV-Body进行的对比。在原来的骨架中，地板通道（Floor Tunnel）两侧的车架是在中间断开的，而前纵梁（Front Side Member）通往地板下的延长部分与后部车架是屈折后接合在一起的。

图12 基本骨架平直化了的SKYACTIV Body

通过减少屈折部位以及不连续部分，从而实现了轻量化。

与此不同，新开发的车体不仅使地板通道两侧的车架一直延续到后方，还使前纵梁通往地板下的延长部分以倾斜角度穿过，从而无需屈折即可接合在后部车架上。另外，上车体

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（Upper Body）方面，在车门开口部位的周围穿过连续的车架，而在中柱部分，则有与顶盖及地板连续的环状车架穿过。

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第4篇：底盘实现14%的轻量化

除此之外，作为最具特点的构造，包括可加强中央通道（Center Tunnel）的大型加强材料（图13）。实现了减小中央通道的开度、提高车体扭曲刚性的效果。

图13 大型的地板通道加强材料

为了对应地板通道的大型化，加强材料也实现了大型化，并促进了扭曲刚性的提高。

如上所述，作为忠实于基本要求的构造，此次车体在努力减轻重量的同时还提高了刚性，而此次改进中也有考虑到底盘的部分。为了便于后悬架挂系统的拖曳臂（Trailing Arm）的安装而在后车架上开了一个大孔（图14）。

图14 后悬挂系统的拖曳臂安装部分

在车架上开出一个大孔，从而使拖曳臂的安装位置得以提高。

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马自达称，SKYACTIV-Chassis由新开发的前支柱悬架系统（Front Strut Suspension）、转向系统以及后部多连杆悬架系统（Rear Multi Link Suspension）构成，不仅比以往减轻了14％的重量，还提高了中低速区域的轻快感、高速区域的稳定感以及全部速度区域的舒适性。

为此，后悬架系统将拖曳臂的车体一侧安装点定在了较高位置（图15）。这样一来，能使轮胎越过突起物时的移动轨迹倾向后方，由此可减小传递到车体上的冲击，从而提高了乘坐舒适度。将拖曳臂在车体上的安装点定在较高位置，具有抑制制动时车体后部上扬的效果。

图15 后悬架系统的构造

拖曳臂的前端向上方弯曲

另外，在前悬架系统方面，通过加大后倾角（Caster Angle）提高了高速行驶时的稳定感。马自达称，在此基础上，为了在中低速区域获得轻快的操控感，增加了电动助力转向系统（EPS）的助推量，同时实现了高速稳定感及中低速区域的轻快感。可实现上述性能的EPS方面，采用了新开发的立柱驱动式EPS（图16）。

图16 电动助力转向系统采用立柱驱动式

“Atenza”级车型也从以往的齿条驱动式EPS，变更为能够有效地利用发动机室内空间的立柱驱动式。

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在此之前，马自达采用立柱驱动式EPS的只有“德米欧”级车型。“Atenza”级车型一直采用齿条驱动式EPS，“Axela”级车型一直采用电动液压助力转向系统（EHPS）。这是因为，此前马自达认为，立柱驱动式EPS的性能不足以应用在高档车型上。然而，由于近年来其性能不断提高，因此，今后高档车型也将统一采用立柱驱动式EPS。

另一方面，轻量化方面的改进也令人瞩目。马自达透露，底盘系统实现了14％的轻量化，即大约轻50kg，占马自达100kg的轻量化目标的一半。为了做到这一点，底盘也遵守了忠实于基本要求的设计。具体来说，在前后副车架上，扩大横跨左右的横梁（Member）的前后方向间距，尽量拉近与悬架臂安装点之间的距离，以便毫无损失地接收到来自悬架臂的力（图

17）。

图17 新旧副车架的比较

SKYACTIV-Chassis缩短了悬架安装位置与横梁（Cross Member）之间的距离，实现了不是靠弯曲、而是靠轴力来传递载荷。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/s734.html