出品 | 虎嗅汽车组
作者 | 胡洋
你走在街上，正好遇到一位美女低血糖晕倒，偏偏你手里正好拿着一大杯饮用水，又正好左裤兜放着一小袋白砂糖，更加正好的是右裤兜有一小罐早上刚溶好的浓糖浆，但由于某种神秘力量现在你只能掏左右裤兜中的一个，那么请问：如何用最快的速度配出一杯糖水？
之前在讲马自达稀薄压燃发动机技术（参见《汽油车努力起来，真没电动爹什么事儿》）末尾，提到了丰田和本田看好副燃烧室（或称预燃烧室，Pre Chamber）技术，一种简单且低成本的高热效率方案。现在，第一台配备预燃烧室的量产民用车发动机出现了，只不过离我们普通人还稍有一点点远——来自玛莎拉蒂的最新超跑发动机 Nettuno。
别急着走，虽然第一个吃螃蟹的是玛莎，其实这是离普及化最近的一种高效内燃机技术。
神奇的一个帽
所谓预燃烧室，看上去其实很简单：在传统发动机火花塞的外面，套上一层带孔金属帽，这个金属帽内的狭小空间，就是所谓预燃烧室或副燃烧室。
正好，玛莎拉蒂 Nettuno 这款发动机配有双火花塞，其一是传统配置方式在缸内点火使用，其二则是用于预燃烧室点火，刚好可以用来对比展示预燃烧室结构。下图中，左侧（气缸中心）火花塞用于预燃烧室，下方形成了一个非常狭小的空间，与主燃烧室之间有数个小孔连通；右侧（缸壁）火花塞正常布置，用于在无需使用预燃烧室的工况下直接在缸内（主燃烧室）点火。
（玛莎拉蒂 Nettuno 单个气缸结构剖面）
（预燃烧室；右边斜着的是混合气气门）
预燃烧室的核心原理，其实就如同本文开头的例子。
在传统的气缸火花塞布置下，气缸顶部中心的火花塞点火形成电弧，电弧点燃空气燃料混合气形成火焰，火焰经过一段时间的传播，才会从火花塞位置扩散满整个气缸（燃烧室）。由于活塞始终是处于上下行往复运动中，所以燃烧过程的时间越短，燃烧所做的功对于下方活塞“向下推”的贡献越大，对于燃料的利用率也就越高。高效高动力就是这么来的。
（传统火花塞对比预燃烧室）
要让燃烧过程更快、时间更短，预燃烧室的基本思路是：部分燃料空气混合气先在预燃烧室内，由火花塞电弧点出一股火焰，预燃烧室内的火焰经金属帽上小孔，形成多股高能火焰进入主燃烧室。主燃烧室内的燃料混合气，是直接由小孔冒出的多股已成形火焰点燃，于是燃烧迅速扩散。
就好比糖浆溶于水要快于糖块溶于水，预燃烧室小孔涌出的火焰能量远高于火花塞电弧。传统的火花塞点火是以电弧形成初始火焰、再靠这单点扩散到整个燃烧室，而预燃烧室从多个小孔冒出的多股火焰要快得多。
下图是一家德国预燃烧室供应商 IAV 公布的对比图，预燃烧室的能量峰值更高、释放时间更短、能量释放过程更为集中。类似的图形，你在马自达 Skyactiv-X 稀薄压燃技术解读中也会看到。马自达的策略是效仿柴油机，靠极高压缩能量而非火花塞点火，高温高压下燃烧室内多点自发性点燃，追求的是同样的效果，异曲同工。
（IAV 的对比图，横向时间，纵向能量释放）
还没完。更快的燃烧速度不止意味着更高效率，还会带来更多的可能。
首先是对于爆震的抑制作用，带有预燃烧室的发动机可以进一步提高压缩比，从而增加扭矩输出或者提高热效率。以前讲 Skyactiv-X 时讲过，爆震就是燃烧室内不受控制的意外燃烧，本来是由里到外逐步点燃，还没到你你就提前燃了，就好像一队人在拔河你突然反方向推一把，会对发动机造成严重损伤。我们知道压缩比越大，扭矩和热效率都会更好，但更高的压缩比会增加爆震风险，这是提升压缩比的最大阻碍。
（右：爆震即不依规律的意外点燃）
预燃烧室使得燃烧过程变得更加迅速，处于主燃烧室边缘远离火焰的部分，处于高温高压但未点燃状态下的时间更短，发生爆震的几率就降了下来。有了更高的压缩比为基础，厂商手头用于分配发动机各项表现的“筹码”更多了。
玛莎拉蒂这台新引擎，虽然被官方称为多年来第一台 100% 自研发动机，但实际上基础结构仍然是法拉利 F154 六缸版本，即阿尔法·罗密欧 Giulia 四叶草版上那台。但玛莎拉蒂 Nettuno 的基础压缩比高达 11:1，而法拉利 F154 各个版本的压缩比不过 9.3~9.6，很大程度上是预燃烧室的功劳。
11:1 的高压缩比带来了 730N·m 的峰值扭矩，比阿尔法·罗密欧上那台同宗的 V6 高了足足 100N·m。而对于涡轮增压引擎，更高压缩比带来更高的天然扭矩，达到同样动力水平所需的涡轮增压值更小，相应的涡轮迟滞就更小，这对于追求性能体验的超级跑车非常重要。
便宜才能真香
如果你对动力数字还不感冒，更重要的是预燃烧室是一种性价比极高的稀薄燃烧方案。所谓稀薄燃烧，在介绍马自达 Skyactiv-X 时已有介绍，简单讲就是空气/燃料比大于 14.7:1。这个比值是空气与汽油燃烧化学当量计算下来的理想配比，但以往因为这样那样的原因无法实现，必须是燃油过量，自然热效率上不去。要想让 1 份燃油能与 14.7 份甚至更多的空气发生燃烧，需要对发动机进行特殊的设计处理。马自达 Skyactiv-X 之所以让人惊叹，一是实现了汽油压燃，二是实现了稀薄燃烧。
预燃烧室实现稀燃，还是受益于多股高能火焰射流取代了火花塞电弧，主燃烧室内燃油空气混合气“更容易”被点燃。以往火花塞点火，如果燃烧室内的空燃比过大，即空气占比过多、燃油占比过小，燃烧便无法扩散开来，导致发动机无法继续工作。而在使用了预燃烧室后，主燃烧室内可以在空气过量超 2 倍（空气过量系数 ≥2）的情况下被正常引燃，相当于曲线救国实现稀燃。
（IAV）
比起马自达稀薄压燃技术，预燃烧室对于发动机整体结构和原理没有大的改变，不像 Skyactiv-X 那样几乎推倒重来。更重要的是，预燃烧室的硬件成本极低。供应商 IAV 给出的报价，常见的直列四缸发动机只需增加 20~30 欧元，这比马自达历时数年钻研 Skyactiv-X 划算太多。所以，预燃烧室技术被广泛看好作为下一步普及型的高热效率稀燃方案。
本田先走一步
然而这一切和本田又有什么关系呢？
首先必须说明，预燃烧室本身并不是一项新技术，之前它已经在静止大型内燃机上应用了几十年，用于快速点燃这些庞然大物的巨大燃烧室。只是用于乘用车，预燃烧室还是新鲜事，需要车厂解决很多车载独有的问题。而在汽车领域，上世纪 70 年代曾出现过一种高度类似的发动机技术：本田 CVCC。
（CVCC：气缸左上角即副燃烧室）
1970 年美国通过了《马斯基法案》，定出了一个几乎不可能的减排目标，引发美国车企一片哀嚎和抗议。然而当 1972 年法案正式生效，当时刚刚开始造车没几年的本田，以它的第一代 Civic——对，就是今天那个“三辆同时出现等于飙车”的本田思域——成为了当时唯一满足新法案的车型。第一代思域和它的 CVCC 技术，是本田在美国市场乃至整个汽车行业站稳脚的基础。
看上去 CVCC 就和今天的预燃烧室技术很相似，本田也是在火花塞上套了一个金属隔板隔出一个副燃烧室，先让燃料空气混合气在副燃烧室内点燃形成火焰，再用火焰去点燃主燃烧室内的稀薄混合气，达到减少喷油量大幅减排的效果。CVCC 用一种纯机械分割的原始方式，实现了几十年后奥迪 FSI 那样基于缸内直喷的分层燃烧效果。后者靠的是 CFD 计算机流体力学辅助设计加上高度精确的电子喷油，前者堪称是化油器时代的 FSI。
CVCC 诞生在电喷尚未应用的时代，更不要说今天的缸内直喷，发动机燃油是由化油器雾化后喷入进气歧管再进入气缸（燃烧室）。这意味着对于燃油的利用效率和精度控制都很低下，不采用 CVCC 这样的非常手段，要满足苛刻的《马斯基法案》实在太难。所以后来当本田的电喷技术 PGM-FI 诞生，汽油机进入电喷时代，CVCC 便逐渐退出了历史舞台。
今天的预燃烧室技术，同样是节能减排与性能提升双重压榨下的结果。在被玛莎拉蒂用于超跑发动机之前，它已经在 F1 一级方程式赛车上应用多年。法拉利的预燃烧室来自供应商德国 Mahle，本田曾声称其 F1 动力系统借此热效率超过 45%。几家 F1 引擎制造商，法拉利、本田、奔驰，都有计划将预燃烧室技术下放到民用车。
法拉利今年公布的一项专利，披露了这家顶级超跑厂商正计划在民用 V12 引擎上，搭载与 F1 类似的主动版预燃烧室。大排量 V12 引擎对于法拉利来讲意义非凡，预燃烧室上身，显然是为了尽可能在满足排放法规的前提下，保留住 V12 引擎的最后血脉。
（法拉利带预燃烧室的 V12 专利图）
与当年 CVCC 不同的是，今天的预燃烧室技术，是在高度精确化的计算与设计下，在内燃机理论更成熟的环境下问世的。主燃烧室的稀薄环境受到精确控制，成本更高的主动预燃烧室方案可以实现超稀薄燃烧，并在高负荷时主动调整空燃比，以避免氮化物排放爆发；主副燃烧室间的开孔位置、尺寸、形状，都进过 CFD 计算优化得到；副燃烧室被用于控制爆震，帮助提高压缩比，以达成高输出或高热效。
据德国 IAV 给出的数据，其主动版方案可以实现 7~8% 的二氧化碳减排，更简单廉价的被动版方案也能够减少 2~3% 的二氧化碳排放。对比一下预燃烧室技术的投入和成本，和未来汽车排放逐年递增的边际压力，这个减排效果称得上诱人。
所以，虽然第一个吃螃蟹的是玛莎拉蒂，但预燃烧室其实是一项颇具亲民色彩的高效减排方案。由于定位原因，玛莎拉蒂这款新引擎并没有将预燃烧室的全部功用放在减排，依然轻松满足欧六 D、国六 B 这样严苛的法规要求。本田、丰田、日产这些仍将内燃机视为未来动力体系一部分的厂商，早已投入到预燃烧室的量产化工作中。技术其实已经在手，真正投入市场，只是等待环境何时到达必需的程度罢了。