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(五)

◆文/江苏 高惠民

（接2021年第9期）

可变气门正时实现压燃点火和火花点火模式无缝切换。SI燃烧模式下需要较低压缩比。改变进气凸轮正时改变有效压缩比。进气和排气凸轮轴都用电动可变气门正时执行器驱动。如图60所示。图61是SKYACTIV-X发动机配气机构气门正时与升程展示图，进气门21的开阀时期TIVO及闭阀时期TIVC和排气门22的开阀时期T1EVO及闭阀时期T1EVC，图中实线表示进气门21的气门升程曲线121，虚线表示排气门22的气门升程曲线221。用曲轴转角设定气门重叠期。在关于进气门21的开阀时期TIVO和排气门22的闭阀时期T1EVC的所述的例中，随着负荷提高，正重叠期将变长。并且，根据着火方式改变，由压缩点火（CI）向火花点火（SI）切换，进气门闭阀TIVC期将延迟，调整有效压缩比，控制发动机爆燃。

图60 电动可变气门正时执行器驱动影像图

五、SKYACTIV-X发动机控制系统与控制策略

1.控制系统组成

SKYACTIV-X发动机控制系统组成框图如图62所示。发动机ECU（Engine Control Unit：发动机控制单元）10。ECU10是以微型计算机为基础的控制器，具备：执行程序的中央运算处理装置（Central Processing Unit：CPU）101、RAM（Random Access Memory）、ROM（Read Only Memory）构成并存储程序和数据的存储器102、以及进行电信号的输入输出的总线103。

图61 KYACTIV-X发动机配气机构气门正时与升程展示图

图62 SKYACTIV-X发动机控制系统组成框图

图63是传感器的位置图。其中有一个对SPCCI非常重要的压电式汽缸压力传感器SW6，如图64所示，能对汽缸内的压缩力和燃烧压力进行精确测量。并用它取代爆震传感器及离子传感器。重新安装汽缸压力传感器时需要更换O形圈和垫圈。图65是汽缸压力传感器拆装示意图。

图63 SKYACTIV-X发动机的位置影像图

图64 汽缸压力传感器影像图

发动机ECU10基于这些传感器检测信号判断发动机运转状态，计算各设备的控制量。ECU10将与计算出的控制量相关的控制信号输出至喷油器6、火花塞25、进气电动S-VT23、排气电动S-VT24、燃料供给系统61、节流阀43、EGR阀54、增压器44的电磁离合器45、空气旁通阀48、以及涡流控制阀56。例如，ECU10基于油门开度传感器SW12的检测信号和预先设定的映射，来设定发动机的目标转矩，并决定目标增压压力。ECU10基于目标增压压力和根据第一压力传感器SW3及第二压力传感器SW5的检测信号而得到的增压器44的前后差压，并通过调节空气旁通阀48的开度，来进行反馈控制，以使得增压压力成为目标增压压力。另外，ECU10基于发动机的运转状态和预先设定的映射来设定目标EGR率、即燃烧室17中的EGR气体相对于全部气体的比率。并且，ECU10基于目标EGR率和基于油门开传感器SW12的检测信号而得到的吸入空气量来决定目标EGR气体量，基于根据EGR差压传感器SW15的检测信号而得到的EGR阀54的前后差压来调节EGR阀54的开度，进行反馈控制，以使得导入至燃烧室17中的外部EGR气体量成为目标EGR气体量。SKYACTIV-X发动机的目标控制程序由图66例示的模型构成。

图65 汽缸压力传感器拆装示意图

2.控制策略

SKYACTIV-X发动机的运转区域，如图67例示发动机运转区域映射501、502。发动机的运转区域映射501、502由发动机的负荷和转速来规定，相对于发动机的负荷的高低和转速的高低而被分为五个区域。

图66 SKYACTIV-X发动机的目标控制模型组成图

具体而言，五个区域是：包括怠速运转且扩展到低转速和中等转速的区域的低负荷区域（1）-1；负荷比低负荷区域高且扩展到低转速和中等转速的区域的中负荷区域（1）-2；负荷比中负荷区域（1）-2高的区域且包括全负荷的高负荷区域的中等转速区域（2）；在高负荷区域中转速比中等转速区域（2）低的低转速区域（3）；转速比低负荷区域（1）-1、中负荷区域（1）-2、高负荷中转速区域（2）及高负荷低转速区域（3）高的高转速区域（4）。

此处，将发动机全部转速区域中划分为转速N1=1200r/min左右和转速N2=4000r/min左右。转速＜N1设为低转速；转速处于N1和N2之间设为中等转速；转速＞N2设为高转速。另外，在图67中，为了容易理解，将发动机的运转区域映射501、502分为两个来描绘。映射501表示各区域中的混合气的状态及燃烧方式和增压器的驱动区域及非驱动区域。映射502表示各区域中的涡流控制阀的开度。图67中的双点划线表示发动机的道路负载线（Road-Load Line）。

图67 SKYACTIV-X发动机运转映射区域

发动机以油耗的改善和废气性能的提高为主要目的，在低负荷区域（1）-1、中负荷区域（1）-2及高负荷中等转速区域（2）中进行基于火花点火控制压缩点火（SPCCI）的燃烧。发动机还在其他区域，即高负荷低转速区域（3）及高转速区域（4）中进行基于火花点火（SI）燃烧。以下，关于各区域中的发动机的运行，参照图68所示的燃油喷射时刻及点火时刻和燃烧放热率相对于曲轴转角的变化波形。图69所示的进气阀的开阀时期和排气阀22的闭阀时期、以及图70所示的基于发动机负荷与外部EGR率进行的详细说明。

图68 燃油喷射时刻及点火时刻和燃烧放热率相对于曲轴转角的变化曲线

SKYACTIV-X发动机控制策略：参照图71的流程图，发动机ECU执行发动机的运转控制策略。首先，在发动机启动后的步骤S1中，ECU读取各种传感器SW1～SW16的信号。ECU在接下来的步骤S2中判定发动机的运转区域。例如，ECU在步骤S3中判定发动机在“SPCCI稀薄区域”（即，低负荷区域（1）-1）中运转。在该步骤S3进入到步骤S8。在步骤S8中，ECU对可变进气门电动驱动器S-VT23和可变排气门电动驱动器S-VT24输出控制信号，以使得进气门的开阀时期TIVO和排气阀的闭阀时期T1EVC成为正重叠期在规定的曲轴范围之内的时刻，且进气门的闭阀时期TIVC成为将发动机的有效压缩比设为相对于几何压缩比的差异为2以内的范围的时刻。而且，ECU对增压系统输出控制信号，以使得在低转速区域中不对进气通路内的气体增压，且在高转速的区域中对进气通路内的气体增压。由此，如前所述，借助基于增压系统的增压和非增压的切换，能够发动机在低转速的区域进行内部EGR，并在高转速区域利用冷却的低温EGR与增压进行燃烧室扫气。在步骤S8中，另外ECU对涡流控制阀（SCV）输出控制信号将阀关闭。并且，ECU对喷油器输出控制信号，以使得如图68的符号601所示那样在压缩行程中进行第一喷射6011和第二喷射6012。由此，能够在产生了强的涡流的燃烧室中形成叠层化的混合气。在之后的步骤S13中，ECU对火花塞输出控制信号，以在压缩上止点前的规定时刻进行点火。由此，发动机进行SPCCI燃烧。

图69 进气阀的开阀时期和排气阀22的闭阀时期示意图

图70 发动机负荷与外部EGR率关系图

SKYACTIV-X发动机每种燃烧模式都有不同的条件，根据转速、负荷和各种环境条件（温度、压力等）切换燃烧模式。按图67示例发动机运转区域映射501、502由发动机的负荷和转速规定，可将发动机燃烧模式划分为主要的3种运转区域，如图72所示。在运行区域A/F稀薄SPCCI燃烧模式不满足要求，执行控制以切换到G/F稀薄SPCCI燃烧模式或火花塞点火（SI）燃烧模式。即，第1种：火花点火（SI）；第2种：具有大量废气再循环（EGR）的SPCCI（G/F稀薄，λ=1）；第3种：具有大量新鲜空气的SPCCI（A/F稀薄：A/F30附近）。第3种区域非常狭窄，除非水温和进气温度高，否则无法实现点火（未达到CI燃烧温度）。而在燃油经济性方面：第3种＞第2种＞第1种。确保燃烧稳定性面临的挑战及EM性能方面第3种＞第2种＞第1种。

图71 SKYACTIV-X发动机控制策略流程图

图72 SKYACTIV-X发动机三种燃烧模式燃油经济性和EM性能比较

（未完待续）