再一次发明发动机-e创驰蓝天汽油压燃发动机

Sky active X是马自达最近推出极具话题性的发动机技术。在马自达看来，真正的环保和降低温室气体排放量的做法不该仅从汽车链的终端排放去做，而要从源头开始做。换句话说就是，电动车虽然没有直接排放温室气体，但制造电能的时候产出的温室气体也不比直接使用内燃机来得少，倒不如降低燃油能量的使用量，这样才能做到真正的环保减排。

所以Sky active X研究时的核心就是油耗的降低。汽油发动机的“黄金”空燃比为14.7:1，用远超过这个比值质量的空气和燃料混合被称为稀薄燃烧，稀薄燃烧可极大降低汽车油耗。但由于汽油的特性使我们很难在内燃机里实现稀薄燃烧，因此马自达找到了拥有压燃技术的柴油发动机（所谓的压燃技术就是指在不需要火花塞的情况下，通过压缩汽油与空气的混合气体使其增加内能来达到燃烧的目的）。希望可以将柴油发动机的优点与汽油发动机的优点汇合起来，这就是马自达的Sky active X。

马自达SKYACTIV-X发动机的整体结构

进气系统布置示意图

机械增压器结构图

「e-SKYACTIV X e-创驰蓝天汽油压燃发动机」，打破传统汽油发动机的工作原理，将柴油发动机的「压燃点火技术」与之融为一体，打造出动力强，低油耗，高环保效能的“梦幻发动机”。马自达通过独创的「SPCCI 火花点火控制压燃点火技术」，在火花塞点火的同时，控制火焰扩散，压缩燃烧室内的混合气体，使其瞬间达到压燃点火所需的温度和压力，在驾驶者踩下油门踏板的瞬间，即刻感受到迅速响应的动力输出。与此同时，通过控制点火时间，扩大压燃点火的工况范围，与火花塞点火顺利切换。

SPCCI 火花点火控制压燃点火技术

e-SKYACTIV X e-创驰蓝天汽油压燃发动机采用马自达独创的全新「SPCCI 火花点火控制压燃点火技术」，取汽油发动机与柴油发动机的技术精华，动力输出更加强劲，起步与加速时的响应更加灵敏迅捷。同时保持在动力延展性，制热性与环保效能上的技术优势，节省更多燃油，排放更加清洁。

出色的初始响应能力(高扭矩)以及高转速下的延展性(出色的加速性能)。很多车辆尤其是小排量涡轮增压发动机，油门-速度往往有时滞，油门踩下去要停顿个0.5～1s车才有加速度，这个就是涡轮迟滞效应。SKYACTIV-X发动机有先天优势，其动力调节和柴油机类似，节气门保持全开状态，空气吸入没有阻力，动力大小由燃油喷射量决定，油门踏板深踩后，燃油喷射量即可瞬间增加，就可以极大提高加速响应性。

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，增压器工作区域如下图所示。

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。

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。上面提到，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左图所示，燃烧效果图如右图所示，在1500r/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。下图所示为多点喷射策略示意图。

压燃点火技术特点

通过压燃点火稀薄的混合气体，燃烧室内迅速产生爆发性燃烧，使其对活塞的推动作用时间变长，推动力更大，从而节省燃料，实现动力强劲的加速性能。

稀薄燃烧技术特点

为实现SPCCI燃烧室中所需的进气量，采用「机械增压器」为主的供气系统，实现更加稳定且无延时的平稳供气，带来更迅速的控制响应。在稀薄燃烧过程中，当空气被大量吸入后，更多的氧分子升温会助力燃烧室内的气体膨胀，相比普通燃烧，增加了对活塞的推动力，为活塞运动的过程带来更多的能量。此外，燃烧室内大量的空气可吸收更多的热量，使稀薄燃烧所需的燃烧温度更低。通过燃烧含有少量燃料的混合气体，实现相同扭力输出的同时，带来更优异的油耗表现。兼顾环保性能，实现随心所驭的顺畅加速。

SPCCI燃烧是在复杂的控制下完成的，不受驾驶场景和周围环境的影响。对吸气和排气，燃料喷射，点火进行精密控制，并根据燃烧室内温度，压力等状态来精确控制火花点燃时间，为实现SPCCI的革新燃烧做出贡献。同时，「e-SKYACTIVXe-创驰蓝天汽油压燃发动机」还搭载了高精度「缸压传感器」，可实时掌控每个气缸的燃烧状态，并通过多孔喷射装置实现了70兆帕(MPa)的超高压喷射，喷射器前端多达10个喷射口，从而实现更细微的喷射和精确的燃烧控制。

通过以上分析，我们可以总结出SPCCI的5个关键要素：

1. 在一个合适的高压缩比和稀薄空燃比下，混合气要达到接近压燃的状态但不能自压燃（SKYACTIV-X设计物理压缩比为16，世界最高）；

2. 火花塞要在任何工况可靠的建立火核；

3. 火核要能够四周扩散且让燃烧室升温升压直到能够被压燃；

4. 主要的混合气能量是通过压燃来释放而不是点燃；

5. 要配合压燃的时间点来设定点火的时刻。

注：文章中引用数据和图片来源网络

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