全新马自达e-SKYACTIV XSPCCI发动机介绍

蔡建红

摘要：随着排放法规的日益严格，现有的汽油内燃机燃烧模型已无法满足设计指标。马自达通过创驰蓝天技术路线图，研究了超稀薄燃烧可行性，并解决了HCCI（Homogeneous Charge Compression Ignition）均质充量压燃的局限性，全球首创了SPCCI（Spark Controlled Compression Ignition）火花点火控制压燃点火发动机。与现款相比，该发动机扭矩提高10～30%，NEDC油耗降低20%，动力响应性也得以提高。本文为主机厂前沿研究提供参考。

Abstract： With increasingly stringent emission regulations，the existing combustion model of gasoline engine cannot meet the design requirements. Through the SKYACTIV roadmap， the feasibility of ultra-lean combustion and the limitations of HCCI （Homogeneous Charge Compression Ignition）had been researched by MAZDA. The world's first SPCCI （Spark Controlled Compression Ignition） engine had been mass produced. It has increased torque by 10～30% and improved fuel economy in NEDC by 20% compared to the current engine. Dynamic response is also improved by the new combustion model. This paper provides a reference for the foreword research.

关键词：稀薄燃烧;SPCCI;压燃

中图分类号：U472.43                                 文獻标识码：A                                文章编号：1674-957X（2020）22-0060-03

0  引言

世界范围内排放油耗法规日益严格，中国2020年油耗路线图要求5L/100km。主机厂在降低油耗上采用了多种措施，但在现有燃烧模型下，热效率进一步突破存在难点。面对节能排放法规的挑战，马自达需要一款更强劲、更省油、更节能的发动机。于是，全球首创了SPCCI（Spark Controlled Compression Ignition）火花点火控制压燃点火发动机，命名为第二代创驰蓝天发动机，如图1所示[1-4]。

1  技术路线图

影响热效率的7个关键因素，分别是压缩比、比热比、燃烧速度、点火时刻、热损失、泵气损失、机械阻力。第一代创驰蓝天汽油发动机通过使用高压缩比，米勒循环以及降低机械阻力的措施，提高了热效率，动力性和燃油经济性达到国际领先水平。然而在比热比和热损失上没有突破，对此，开展了稀薄燃烧与压燃的研究。

1.1 超稀薄燃烧概念

奥托循环的理论热效率■，其中，？着：压缩比，K：比热比，根据公式换算的热效率的趋势如图2所示。当压缩比提高后热效率呈上升趋势，但幅度趋于缓和，马自达第一代创驰蓝天的构想就在此。当比热比提高后，热效率能够极大提高，第二代创驰蓝天的构想就基于此。

1.2 均质充量压燃（HCCI）

压缩燃烧（CI）的热效率高于火花塞点火燃烧（SI），主要因素是燃烧速度。如图3所示，火花塞点火时通过火焰扩散进行燃烧，火焰传播由点扩散到面，再传递至整个燃烧室，而压燃点火不局限于某一个点，而是很多个点同时进行燃烧，燃烧速度明显较火花点火快。如图4为压燃和点燃燃烧速度示意图，在同等条件下决定热效率的关键因素在最大燃烧压力值上。普通火花点火由于火焰传播需要时间，燃烧压力存在局限性。压燃点火由于是多点均质燃烧，同一时间燃烧室内多处自着火，燃烧速度快，燃烧效率高。

1.3 HCCI的困境

业内在上世纪80年代就提出了HCCI燃烧概念，但是仍停留在试验阶段，目前为止无量产产品。如图5所示，HCCI适用范围过小（转速范围、空气负荷范围），并且受到外界气候的制约。比如在低转速、低负荷下，气缸内温度不够导致未能压燃;在低负荷高转速下由于燃烧太少，反应时间不足引起失火;高转速高负荷下难以安定的燃烧，容易爆震。而且使用环境温度从-35℃到50℃变化，大气压从海平面1bar到海拔5000m的0.6bar变化，会让HCCI的工作范围变大或缩小。这需要有一套解决方案，然而目前为止，并没有任何机械结构能实现。

图6是燃烧室温度对HCCI的影响示意图。由于物理条件的局限性，在不同燃烧温度下，燃烧表现是截然不同的。当燃烧室温度较高，压燃进入较早，燃烧剧烈，振动噪音明显;当燃烧室温度较低，压燃进入较晚，一方面燃烧效率低，一方面燃烧变得不稳定。通过大量试验发现，某一个工况下，可接受的温度范围±3℃。但是不同环境温度、不同大气压力、冷启动到完全暖机都保持一致的燃烧温度是不现实的。

2  SPCCI燃烧介绍

通过研究发现，控制温度是不可行的，但是从控制压缩压力（压缩比）角度也可以做到可控的压燃。然而由于燃烧速度极快，实现瞬间可控的压缩比切换是一个难题。马自达采用了类似空气活塞的结构，虽然物理结构无法实现压缩比瞬间切换，但是化学爆炸可以实现，通过一个特殊火花塞点火形成火核，瞬间让燃烧室达到压燃所需要的高压，实现压燃。马自达将此技术定义为SPCCI（Spark Controlled Compression Ignition）火花点火控制压燃点火。

2.1 SPCCI工作原理

SPCCI核心理论是通过控制点火时刻，来间接控制压缩着火的时间点。如图7所示，物理结构上设计一个超高压缩比，使用超稀薄混合气，保证无法自燃，通过火花塞点火，形成火焰核心，对混合气进行二次压缩，在某个临界点后，燃烧室内剩余混合气压燃。

2.2 火核成形

在SPCCI燃烧模型中，燃烧室空燃烧过于稀薄，无法保证点燃可靠性，因此采用分层燃烧的策略。如图8所示为气缸俯视图，区别于汽油发动机高滚流比设计，该发动机通过涡流控制阀实现了高涡流比设计，混合气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混合气，在其他区域形成稀薄混合气，通过火花塞点火，形成压力波向四周扩散，实现可靠压燃。

2.3 爆震抑制

同传统发动机一样，高温高压工况下，也面临着爆震问题，尤其是该发动机的物理压缩比为15～17（根据不同油品不同），高于传统汽油发动机。虽然原理上压燃和爆震类似，但若燃烧时间不在设计时刻就会损坏发动机，特别是压缩行程的早燃有严重危害。因此，采用多次喷射逻辑，吸气行程中喷部分燃油，这部分混合气非常稀薄，不足以被压燃，在压缩行程末段再次喷油，控制这部分燃油在燃烧室内停留的时间，再经过点燃，形成可控的压燃。由于燃油雾化和混合时间非常短，对燃油喷射系统的要求较高，直喷系统的燃油压力达到了70MPa以上。

2.4 压燃可靠性

压燃对环境要求苛刻，时刻保持理想化的着火时刻和压升曲线很困难。同汽油发动机类似，由于燃烧具有一定的时间，设计希望不同工况下压燃Pmax（最大燃烧压力）在做工行程。不同混合气浓度和不同温度下，压燃临界压力和压力上升速度是不同的，因此不同工况下临界压力时刻不同。 通过研究，提出一套全新的燃烧控制逻辑——自适应点火正时策略，如图9所示，通过一套算法，分别计算出Qsi（点燃释放化学能）、Qci（压燃释放化学能）的比例，计算出目标CI发生的时刻（曲轴角度），从而预估出点火时刻。在每个气缸都设置了独立的气缸压力传感器，来解析压缩点火的状态，通过对数据的前馈和反馈，让燃烧保持在理想的状态。

3  发动机硬件与燃烧策略

3.1 发动机硬件

如表1所示，该发动机主要零部件和传统发动机通用，在核心零部件上做了部分更新，主要涉及3个系统，为高压燃油喷射系统、气缸压力传感器、稀薄增压器[5]。（表1）

为了提高喷射精度，实现较强的分层燃烧，高压燃油喷射系统实际量产压力控制在70MPa，喷油器结构也区别于传统DI喷油器，接近柴油发动机，从而实现超高响应性與控制精度。该发动机使用了气缸压力传感器，替代传统的KCS传感器，用来监测压缩点火状态，通过对数据的前馈和反馈，让燃烧保持在理想的状态。稀薄增压器结构上采用了高响应机械增压器，SPCCI模式需要超稀薄燃烧，因此进气量是普通2.0L自然吸气发动机的1.5～2倍，需要对进气进行补偿;另外由于燃烧方式实时切换，进气量变化速度要求较高，单纯依靠节气门的空气模型，无法实现快速响应，所以采用了机械增压结构对不同海拔、温度的进气量进行控制。

3.2 燃烧策略

在燃烧模型的复杂程度和控制系统精度的要求上高于现有发动机[6]。如图10所示，为不同发动机转速、负荷、温度下的燃烧策略示意图，基于不同温度下分为3层控制。在水套温30℃以下，进气温25℃以下的冷启动阶段（图中LAYER L1），由于温度变化大且燃烧室内部温度较低，SPCCI燃烧无法稳定的成立，因此采用传统SI燃烧方式，在低转速高负荷的部分工况，采用推迟点火的SI燃烧方式;在水套温30℃到80℃，进气温25℃到50℃的半暖机阶段（图中LAYER L2），在中转速以下，中负荷以下，虽然可以使用CI，但是超稀薄燃烧并不稳定，因此采用化学当量比=1的SPCCI燃烧，在中负荷高转速下，由于性能需求，采用化学当量比小于等于1的SPCCI燃烧策略;低转速高负荷和高转速区域沿用LAYER L1的燃烧方式;在水套温80℃以上，进气温50℃以上的完全暖机工况下，燃烧策略进一步复杂化，中转速中低负荷（图中①-1区域）采用化学当量比>1的超稀薄SPCCI燃烧策略，中转速中高负荷（图中①-2区域）采用化学当量比=1的SPCCI燃烧策略，其他区域和LAYER L2或者LAYER L3一致。

4  用户体验

相比第一代创驰蓝天发动机，该发动机对性能的提升是全方位的，凭借SPCCI和高物理压缩比的SI，在低速扭矩还是最大功率都有提高，最大功率132kW，最大扭矩230Nm。尤其在低速扭矩下，相比第一代创驰蓝天提高10～30%。

与第一代创驰蓝天发动机相比，全工况油耗降低10%以上。在中小负荷等使用频率较高工况下，利用超稀薄燃烧技术能够提高30%以上燃油经济性。得益于燃烧模型的不同，NEDC工况油耗降低了20%，并且新款发动机的低油耗范围大，不局限于低负荷，对高转速高负荷也有很大的改善，实际行驶工况中节油效果显著。

广域的燃油经济性区域意味着变速箱匹配时不再局限于升档降低发动机转速来保证高效的燃油经济性。高速巡航转速并不要求变速箱处于最高挡位，给予急加速更高的储备功率，获得更快速直接的响应。此外，其动力调节类似柴油机，中小负荷节气门保持全开状态，动力大小由喷油量决定，油门踩下后，区别于传统汽油机空气吸入的滞后，只需瞬间增加喷射量即可，提高了加速响应性。

参考文献：

[1] マツダスカイアクティブエンジンの開発[M].日本：三树书房，2016.

[2]Terazawa Yasuyuki， Yamakawa Masahisa. Development of SKYACTIV Engines from a Perspective of Environmental Improvement [C]. Journal of the Combustion Society of Japan. 2018 pp.10-17.

[3]A Stoklosa. Mazda's Gasoline Skyactiv-X SPCCI Engine Explained[C]. Car and Driver， 2017.

[4]Ritaro Isobe， Koji Endo， Masanari Sueoka. New-Generation Gasoline Engine 'SKYACTIV-X' [J]. Mazda Technical Review， 2019， 36 ： 16-23.

[5]Tomonori Urushihara， Kota Matsumoto， Masanari Sueoka. The Combustion Technology Enabling the SKYACTIV-X Performance [J]. Mazda Technical Review， 2019， 36 ： 24-31.

[6]Fuel Injection Device of Engine[P].US：20190063303A1，2019.02.28.