马自达创驰蓝天X发动机
SPCCI技术与M-HYBRID 轻混动力系统解析(二)
◆/江苏 高惠民
(接上期)
三、SPCCI技术的控制原理
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1.SKYACTIV-X发动机燃烧控制
HCCI本来的概念是“自燃”，由于汽油机燃料挥发性好，易形成均质混合汽，但其缺点是着火温度高，不易自燃。SPCCI 采用火花点火是一种可快速投入的能量，如图17所示。当压缩终点的混合汽状态接近临界着火条件时，瞬间引入的火花点火能量可使局部混合汽超过临界着火条件从而开始燃烧。由此
产生的温度压力升高又激发了周围混合汽发生自燃。在残余废气含量较多的稀薄混合汽中，火花点火虽然不能产生大面积火焰传播，但在HCCI接近临界着火状态下火花点火可以提高着火的可靠性。火花点火是十分成熟的技术，同时考虑到产业化的 HCCI汽油机可能是多种燃烧
模式(压燃与点燃)复合使用，因此火花塞始终点火并无技术和成本上的困难，反而比其他方式控制起来更方便。
SPCCI燃烧出现两个阶段放热，第一阶段放热速率比较平缓，是由火花点火和一定范围内的火焰传播造成的(图18a中SI区间，马自达称其为“空气活塞”再压缩作用，来提高混合汽自燃温度)；第二阶段放热速率很快，是由剩余混合汽同时自燃造成的(图18a中CI区间)。这种火花辅助点火压缩点火与混合汽浓度分层控制方法相结合，可以更好地控制着火时刻以及控制最高放热速率(因而也控制了最高压升率)等燃烧特性，也抑制燃烧噪音。另外，在发动机过渡工况(工况或燃烧模式变化时)，SPCCI可以避免失火，减小循环波动。由图18b可以看出，SPCCI燃烧时的NOX排放和指示油耗介于
传统火花点火燃烧(SI)与HCCI燃烧之间。
2.压缩比控制
提高压缩比可以提高压缩终点温度，使汽油混合汽自燃，汽油机若实现压缩着火一般要将压缩比提高
到15～18以上，但是，能形成低负荷稳定着火的压缩比往往会引起高负荷时的爆燃。最理想的方法是采用可变压缩比。SKYACTIV-X发动机运行中，为了确保高扭矩输出，而将几何压缩比设为15～16(在欧洲为16︰1)，并且在高负荷时，通过进气门迟闭，减小发动机的有效压缩比相对于几何压缩比的允许的降低幅度，配合SPCCI燃烧切换至SI燃烧。
3.混合汽浓度控制
由着火的基本理论可知，混合汽浓度在化学计量比附近(λ=0. 8～1. 0)时最易自
图17 用火花点火控制HCCI着火的基本原理图18 三种燃烧方式的对比
(a)示功图和放热率对比；                                            (b)主要性能对比。
燃着火。为同时保证总体空燃比处于稀混合汽范围，采取形成浓度分层的稀薄混合汽，即中心区域为λ＜1.0的浓区以使自燃着火容易，其余区域为λ＞1.0的稀区以使总体空燃比偏稀。与空燃比相同的完全均质混合汽相比，这种分层混合汽方式不但提高了汽油HCCI的着火可靠性，而且两区或更多区的顺序着火有利于大负荷时抑制爆震的发生。当然这种“分层”的思路表面上看有悖于HCCI原本的“均质”的理念，但实际上在各个区内还是遵循均质的原则，因而是一种辩证的均质。如图19所示，该图为汽缸的俯视图。
与目前汽油发动机高滚流比的设计不同的是，SKYACTIV-X通过一个涡流控制阀实现了高涡流比的设计，这类似于柴油发动机，混合汽绕着汽缸壁面高速旋转。通过不同时刻的喷射策略，在火花塞周围形成较浓的混合汽，在其他区域形成超稀薄的混合汽，通过火花塞点火，形成压力波向四周扩散，实现压燃。这里，由于燃油雾化和混合时间非常短，对燃油喷射系统的要求非常高，燃油直喷系统的喷射压力达到了70MPa以
上。另外，为了形成均匀的火核，喷油器也区别于传统汽油发动机的扇面形状，10个喷孔呈现均匀分布喷射，确保新鲜空气或燃烧后的废气参与混合。
4.进气控制
前文提到，HCCI燃烧的区间很狭窄，受到温度和气压的影响很大，即使依靠了火花辅助控制，也很难实现广域的自燃，所以必须要对不同海拔、温度的进气量进行增压控制。用增压的方法拓展高负荷下HCCI燃烧的运行范围，提高发动机扭矩输出。所以SKYACTIV-X配置了机械增压器。马自达为了区别于传统涡轮增压器，也称之为快速响应式空气供给单元。对于SPCCI技术发动机来说，由于采用了超稀薄燃烧，要实现传统2.0L自然吸气发动机的性能，进气量可能就需要3～4L，而发动机燃烧室不可能设计到这么大；另外由于燃烧模式实时切换，在相近转速负荷下，进气量可能在瞬间要从1.5L(SI燃烧)切换至3.0L(CI燃烧)，单纯依靠节气门的空气模型，是无法实现如此快速的进气变换响应，涡轮增
压系统更不行，所以，必须是一套特殊设计的机械增压系统才有可能实现此功能。机械增压器由发动机驱动，并且发动机ECU根据发动机运行负荷切换增压器上电磁离合器通断来控制增压器运转，增压器工作区域如图20所示。
SKYACTIV-X发动机运行中，废气再循环(EGR)发挥着重要作用。在发动机较低负荷时，通过内部EGR(减小进排气门重叠期)，将一部分高温的已燃废气留在燃烧室中，以提高压缩开始和结束的混合汽体温度，稳定燃烧促进HCCI向低负荷拓展。在发动机高负荷时，由于燃烧室内残留的已燃废气使压缩开始前的混合汽温度提高，会造成充量密度降低，膨胀功减小。此时，增大进排气门重叠期，新鲜空气与被冷却的低温EGR废气混合形成充量，再经机械增压器增压并冷却进入到汽缸中，残留在燃烧室内的已燃废气被扫气。而且，低温废气的充量中CO2等和H2O比热容较大，会降低压缩温度，使自燃时刻推迟，实现HCCI向更高负荷边界拓展。同时，
还可以抑制NOx的生成。
图20 增压器工作区域示意图
图19 分层燃烧示意图
5.着火时刻控制
活塞式发动机的热效率与燃烧放热时间有关。为使内燃机能够正常、高效地工作，燃烧放热的时间必须得到控制。燃烧时间通常指混合汽释放一半热量时的曲轴转角，此时的燃烧放热率非常接近其最大值。前文提到，HCCI对环境的要求很苛刻，要想时刻保持理想化的着火时刻和压升曲线是很困难的。由于燃烧具有一定的时间，理想状态是希望压燃的Pmax(最大燃烧压力)在膨胀冲程。虽然对于HCCI来说，压燃的临界压力是一样的，但是，当采用SPCCI技术，在不同的条件下，火花塞点火后压力上升的速度是不同的，达到临界压力的时间也不同，这会导致压燃的最大压力(Pmax)时刻不同。
马自达SPCCI技术采用了一套全新的燃烧控制逻辑——自适应点火正时策略，通过每个汽缸设置了独立的汽缸压力传感器(CPS：cylinder pressure sensor)，用来解析压缩燃烧的状态，通过对数据的前馈和反馈，计算出目标压燃发生的时刻(位置)，从而预估出点火时刻，让燃烧保持在理想的状态。自适应点火正时燃烧模型如图21所示，燃烧效果图如图22所示，在1 500r/min、500kPa的工况下，通过点火正时的反馈，在不同的温度下也能够实现合理的压燃。比如当进气温较低时，系统判断点燃速度较慢，点火正时的反馈自动让点火提前，最终达到与压燃临界点的时刻(位置)一致，从而确保合理稳
定的压燃。
6.爆震控制
同传统汽油发动机一样，在高温高压的部分工况下，SKYACTIV-X也面临着爆震问题，尤其是该发动机的物理压缩比为16，远远高于传统的汽油发动机，必须面对早燃和爆震问题。虽然从原理上来说，压燃就是爆震，但是若爆震时间不在设计需要的时刻就会严重损坏发动机。特别是在压缩冲程中，无论如何也不能发生爆震。解决爆震问题最好的方法就是降低混合汽温度，也就是减少混合汽升温的时间。假如混合汽都在进气行程喷射的话，从进气到压缩，混合汽有充分的时间被加热，在压缩过程中极易被压燃，因此，马自达设计的喷射会在进气冲程中喷部分燃油，这部分混合汽非常稀薄，不足以被压燃，在压缩冲程中段再次喷油，这部分燃油在燃烧室内停留的时间较短，还没有被充分吸热，再经过点燃，形成可控的压燃。
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如图23所示为多点喷射策略示意图。
图23多点喷射策略示意图
四、SKYACTIV-X发动机的结构
SKYACTIV-X发动机的整体结构如图24所示。
1.进气系统以及机械增压器
图25所示为进气系统布置示意图。
(1)进气管道执行器(节流阀如图26所示)，安装在空气滤清器与缓冲箱之间，节流阀根据发动机转速和进气温度，
调节开度，向
燃烧室导入新鲜空气的充量。
图22 SPCCI燃烧效果图
图21 SPCCI自适应点火正时燃烧模型图
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图24 SKYACTIV-X发动机的整体结构图
310图25 进气系统布置示意图
图26 节流阀安装位置影像图
图27 旁通空气阀影像图
(2)旁通空气阀如图27所示，旁通空气阀切换通往进气歧管
的进气的通道，以避开增压器。 这样在不需要增压时，减少进气
产生的损失。
大众小钢炮(3)机械增压器S/C(图28)，采用鲁式机械增压器，特点是单
位时间进气量为定值，线性程度突出，成本低。增压器的功能是充
分满足SPCCI燃烧所需进气充量(新鲜空气+ EGR废气)，同时满
足以下要求。
①引入EGR气体改善热容比，支持大范围稀薄燃烧；
东风本田crv2010款②控制空气实现稳定连续增压，瞬态响应良好；
③从废气净化角度而言，使用催化器前的热容较小，避免废
气温度下降。
(未完待续)
图28 鲁式机械增压器结构图
1-发动机整体组成；2-发动机造成；3-活塞；6-喷油器；10-发动机控
制单元；11-汽缸；12-汽缸体；13-汽缸盖；14-连杆；15-曲轴；17-
燃烧室；18-进气端口；19-排气端口；21-进气门；21M-进气门驱动
机构；22-排气门；22M-排气门驱动机构；25-火花塞；40-进气通道；
41-空气滤清器；42-缓冲箱；43-进气管道执行器(节流阀) ；44-增压器；
45-增压器电磁离合器；46-中冷器；47-进气旁通道；48-进气旁通阀；
49-增压系统；50-排气通道；511-三元催化转换器；512-汽油颗粒过
滤器(GPF)；513-下游催化器；52-EGR通道；53-EGR冷却器；54-
EGR阀；55-EGR系统；55-外部EGR系统；55B-内部EGR系统；
56-涡流控制阀；61-燃料供给系统；62-燃油管道；63-燃油箱；64-
燃油共轨；65-燃油；SW1-空气流量传感器；SW2-第一进气温度传感器；
SW3-第一压力传感器；SW4-第二进气温度传感器；SW5-第二压力传
感器；SW6-指示压力传感器(汽缸内)；SW7-排气温度传感器；SW8-
线性02传感；器SW9-入传感器；SW10-水温传感器；SW11-曲轴转
角传感器；SW12-进气凸轮转角传感器；SW13-排气凸轮转角传感器；
SW14-加速踏板位置传感器；SW15-EGR差压传感器；SW16-燃油压
力传感器。