蔡建紅

摘要：隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，現(xiàn)有的汽油內(nèi)燃機燃燒模型已無法滿足設(shè)計指標(biāo)。馬自達(dá)通過創(chuàng)馳藍(lán)天技術(shù)路線圖，研究了超稀薄燃燒可行性，并解決了HCCI（Homogeneous Charge Compression Ignition）均質(zhì)充量壓燃的局限性，全球首創(chuàng)了SPCCI（Spark Controlled Compression Ignition）火花點火控制壓燃點火發(fā)動機。與現(xiàn)款相比，該發(fā)動機扭矩提高10～30%，NEDC油耗降低20%，動力響應(yīng)性也得以提高。本文為主機廠前沿研究提供參考。

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.

關(guān)鍵詞：稀薄燃燒;SPCCI;壓燃

中圖分類號：U472.43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）22-0060-03

0? 引言

世界范圍內(nèi)排放油耗法規(guī)日益嚴(yán)格，中國2020年油耗路線圖要求5L/100km。主機廠在降低油耗上采用了多種措施，但在現(xiàn)有燃燒模型下，熱效率進(jìn)一步突破存在難點。面對節(jié)能排放法規(guī)的挑戰(zhàn)，馬自達(dá)需要一款更強勁、更省油、更節(jié)能的發(fā)動機。于是，全球首創(chuàng)了SPCCI（Spark Controlled Compression Ignition）火花點火控制壓燃點火發(fā)動機，命名為第二代創(chuàng)馳藍(lán)天發(fā)動機，如圖1所示[1-4]。

1? 技術(shù)路線圖

影響熱效率的7個關(guān)鍵因素，分別是壓縮比、比熱比、燃燒速度、點火時刻、熱損失、泵氣損失、機械阻力。第一代創(chuàng)馳藍(lán)天汽油發(fā)動機通過使用高壓縮比，米勒循環(huán)以及降低機械阻力的措施，提高了熱效率，動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性達(dá)到國際領(lǐng)先水平。然而在比熱比和熱損失上沒有突破，對此，開展了稀薄燃燒與壓燃的研究。

1.1 超稀薄燃燒概念

奧托循環(huán)的理論熱效率■，其中，？著：壓縮比，K：比熱比，根據(jù)公式換算的熱效率的趨勢如圖2所示。當(dāng)壓縮比提高后熱效率呈上升趨勢，但幅度趨于緩和，馬自達(dá)第一代創(chuàng)馳藍(lán)天的構(gòu)想就在此。當(dāng)比熱比提高后，熱效率能夠極大提高，第二代創(chuàng)馳藍(lán)天的構(gòu)想就基于此。

1.2 均質(zhì)充量壓燃（HCCI）

壓縮燃燒（CI）的熱效率高于火花塞點火燃燒（SI），主要因素是燃燒速度。如圖3所示，火花塞點火時通過火焰擴(kuò)散進(jìn)行燃燒，火焰?zhèn)鞑ビ牲c擴(kuò)散到面，再傳遞至整個燃燒室，而壓燃點火不局限于某一個點，而是很多個點同時進(jìn)行燃燒，燃燒速度明顯較火花點火快。如圖4為壓燃和點燃燃燒速度示意圖，在同等條件下決定熱效率的關(guān)鍵因素在最大燃燒壓力值上。普通火花點火由于火焰?zhèn)鞑バ枰獣r間，燃燒壓力存在局限性。壓燃點火由于是多點均質(zhì)燃燒，同一時間燃燒室內(nèi)多處自著火，燃燒速度快，燃燒效率高。

1.3 HCCI的困境

業(yè)內(nèi)在上世紀(jì)80年代就提出了HCCI燃燒概念，但是仍停留在試驗階段，目前為止無量產(chǎn)產(chǎn)品。如圖5所示，HCCI適用范圍過?。ㄞD(zhuǎn)速范圍、空氣負(fù)荷范圍），并且受到外界氣候的制約。比如在低轉(zhuǎn)速、低負(fù)荷下，氣缸內(nèi)溫度不夠?qū)е挛茨軌喝?在低負(fù)荷高轉(zhuǎn)速下由于燃燒太少，反應(yīng)時間不足引起失火;高轉(zhuǎn)速高負(fù)荷下難以安定的燃燒，容易爆震。而且使用環(huán)境溫度從-35℃到50℃變化，大氣壓從海平面1bar到海拔5000m的0.6bar變化，會讓HCCI的工作范圍變大或縮小。這需要有一套解決方案，然而目前為止，并沒有任何機械結(jié)構(gòu)能實現(xiàn)。

圖6是燃燒室溫度對HCCI的影響示意圖。由于物理條件的局限性，在不同燃燒溫度下，燃燒表現(xiàn)是截然不同的。當(dāng)燃燒室溫度較高，壓燃進(jìn)入較早，燃燒劇烈，振動噪音明顯;當(dāng)燃燒室溫度較低，壓燃進(jìn)入較晚，一方面燃燒效率低，一方面燃燒變得不穩(wěn)定。通過大量試驗發(fā)現(xiàn)，某一個工況下，可接受的溫度范圍±3℃。但是不同環(huán)境溫度、不同大氣壓力、冷啟動到完全暖機都保持一致的燃燒溫度是不現(xiàn)實的。

2? SPCCI燃燒介紹

通過研究發(fā)現(xiàn)，控制溫度是不可行的，但是從控制壓縮壓力（壓縮比）角度也可以做到可控的壓燃。然而由于燃燒速度極快，實現(xiàn)瞬間可控的壓縮比切換是一個難題。馬自達(dá)采用了類似空氣活塞的結(jié)構(gòu)，雖然物理結(jié)構(gòu)無法實現(xiàn)壓縮比瞬間切換，但是化學(xué)爆炸可以實現(xiàn)，通過一個特殊火花塞點火形成火核，瞬間讓燃燒室達(dá)到壓燃所需要的高壓，實現(xiàn)壓燃。馬自達(dá)將此技術(shù)定義為SPCCI（Spark Controlled Compression Ignition）火花點火控制壓燃點火。

2.1 SPCCI工作原理

SPCCI核心理論是通過控制點火時刻，來間接控制壓縮著火的時間點。如圖7所示，物理結(jié)構(gòu)上設(shè)計一個超高壓縮比，使用超稀薄混合氣，保證無法自燃，通過火花塞點火，形成火焰核心，對混合氣進(jìn)行二次壓縮，在某個臨界點后，燃燒室內(nèi)剩余混合氣壓燃。

2.2 火核成形

在SPCCI燃燒模型中，燃燒室空燃燒過于稀薄，無法保證點燃可靠性，因此采用分層燃燒的策略。如圖8所示為氣缸俯視圖，區(qū)別于汽油發(fā)動機高滾流比設(shè)計，該發(fā)動機通過渦流控制閥實現(xiàn)了高渦流比設(shè)計，混合氣繞著汽缸壁面高速旋轉(zhuǎn)。通過不同時刻的噴射策略，在火花塞周圍形成較濃混合氣，在其他區(qū)域形成稀薄混合氣，通過火花塞點火，形成壓力波向四周擴(kuò)散，實現(xiàn)可靠壓燃。

2.3 爆震抑制

同傳統(tǒng)發(fā)動機一樣，高溫高壓工況下，也面臨著爆震問題，尤其是該發(fā)動機的物理壓縮比為15～17（根據(jù)不同油品不同），高于傳統(tǒng)汽油發(fā)動機。雖然原理上壓燃和爆震類似，但若燃燒時間不在設(shè)計時刻就會損壞發(fā)動機，特別是壓縮行程的早燃有嚴(yán)重危害。因此，采用多次噴射邏輯，吸氣行程中噴部分燃油，這部分混合氣非常稀薄，不足以被壓燃，在壓縮行程末段再次噴油，控制這部分燃油在燃燒室內(nèi)停留的時間，再經(jīng)過點燃，形成可控的壓燃。由于燃油霧化和混合時間非常短，對燃油噴射系統(tǒng)的要求較高，直噴系統(tǒng)的燃油壓力達(dá)到了70MPa以上。

2.4 壓燃可靠性

壓燃對環(huán)境要求苛刻，時刻保持理想化的著火時刻和壓升曲線很困難。同汽油發(fā)動機類似，由于燃燒具有一定的時間，設(shè)計希望不同工況下壓燃Pmax（最大燃燒壓力）在做工行程。不同混合氣濃度和不同溫度下，壓燃臨界壓力和壓力上升速度是不同的，因此不同工況下臨界壓力時刻不同。 通過研究，提出一套全新的燃燒控制邏輯——自適應(yīng)點火正時策略，如圖9所示，通過一套算法，分別計算出Qsi（點燃釋放化學(xué)能）、Qci（壓燃釋放化學(xué)能）的比例，計算出目標(biāo)CI發(fā)生的時刻（曲軸角度），從而預(yù)估出點火時刻。在每個氣缸都設(shè)置了獨立的氣缸壓力傳感器，來解析壓縮點火的狀態(tài)，通過對數(shù)據(jù)的前饋和反饋，讓燃燒保持在理想的狀態(tài)。

3? 發(fā)動機硬件與燃燒策略

3.1 發(fā)動機硬件

如表1所示，該發(fā)動機主要零部件和傳統(tǒng)發(fā)動機通用，在核心零部件上做了部分更新，主要涉及3個系統(tǒng)，為高壓燃油噴射系統(tǒng)、氣缸壓力傳感器、稀薄增壓器[5]。（表1）

為了提高噴射精度，實現(xiàn)較強的分層燃燒，高壓燃油噴射系統(tǒng)實際量產(chǎn)壓力控制在70MPa，噴油器結(jié)構(gòu)也區(qū)別于傳統(tǒng)DI噴油器，接近柴油發(fā)動機，從而實現(xiàn)超高響應(yīng)性與控制精度。該發(fā)動機使用了氣缸壓力傳感器，替代傳統(tǒng)的KCS傳感器，用來監(jiān)測壓縮點火狀態(tài)，通過對數(shù)據(jù)的前饋和反饋，讓燃燒保持在理想的狀態(tài)。稀薄增壓器結(jié)構(gòu)上采用了高響應(yīng)機械增壓器，SPCCI模式需要超稀薄燃燒，因此進(jìn)氣量是普通2.0L自然吸氣發(fā)動機的1.5～2倍，需要對進(jìn)氣進(jìn)行補償;另外由于燃燒方式實時切換，進(jìn)氣量變化速度要求較高，單純依靠節(jié)氣門的空氣模型，無法實現(xiàn)快速響應(yīng)，所以采用了機械增壓結(jié)構(gòu)對不同海拔、溫度的進(jìn)氣量進(jìn)行控制。

3.2 燃燒策略

在燃燒模型的復(fù)雜程度和控制系統(tǒng)精度的要求上高于現(xiàn)有發(fā)動機[6]。如圖10所示，為不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、溫度下的燃燒策略示意圖，基于不同溫度下分為3層控制。在水套溫30℃以下，進(jìn)氣溫25℃以下的冷啟動階段（圖中LAYER L1），由于溫度變化大且燃燒室內(nèi)部溫度較低，SPCCI燃燒無法穩(wěn)定的成立，因此采用傳統(tǒng)SI燃燒方式，在低轉(zhuǎn)速高負(fù)荷的部分工況，采用推遲點火的SI燃燒方式;在水套溫30℃到80℃，進(jìn)氣溫25℃到50℃的半暖機階段（圖中LAYER L2），在中轉(zhuǎn)速以下，中負(fù)荷以下，雖然可以使用CI，但是超稀薄燃燒并不穩(wěn)定，因此采用化學(xué)當(dāng)量比=1的SPCCI燃燒，在中負(fù)荷高轉(zhuǎn)速下，由于性能需求，采用化學(xué)當(dāng)量比小于等于1的SPCCI燃燒策略;低轉(zhuǎn)速高負(fù)荷和高轉(zhuǎn)速區(qū)域沿用LAYER L1的燃燒方式;在水套溫80℃以上，進(jìn)氣溫50℃以上的完全暖機工況下，燃燒策略進(jìn)一步復(fù)雜化，中轉(zhuǎn)速中低負(fù)荷（圖中①-1區(qū)域）采用化學(xué)當(dāng)量比>1的超稀薄SPCCI燃燒策略，中轉(zhuǎn)速中高負(fù)荷（圖中①-2區(qū)域）采用化學(xué)當(dāng)量比=1的SPCCI燃燒策略，其他區(qū)域和LAYER L2或者LAYER L3一致。

4? 用戶體驗

相比第一代創(chuàng)馳藍(lán)天發(fā)動機，該發(fā)動機對性能的提升是全方位的，憑借SPCCI和高物理壓縮比的SI，在低速扭矩還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，相比第一代創(chuàng)馳藍(lán)天提高10～30%。

與第一代創(chuàng)馳藍(lán)天發(fā)動機相比，全工況油耗降低10%以上。在中小負(fù)荷等使用頻率較高工況下，利用超稀薄燃燒技術(shù)能夠提高30%以上燃油經(jīng)濟(jì)性。得益于燃燒模型的不同，NEDC工況油耗降低了20%，并且新款發(fā)動機的低油耗范圍大，不局限于低負(fù)荷，對高轉(zhuǎn)速高負(fù)荷也有很大的改善，實際行駛工況中節(jié)油效果顯著。

廣域的燃油經(jīng)濟(jì)性區(qū)域意味著變速箱匹配時不再局限于升檔降低發(fā)動機轉(zhuǎn)速來保證高效的燃油經(jīng)濟(jì)性。高速巡航轉(zhuǎn)速并不要求變速箱處于最高擋位，給予急加速更高的儲備功率，獲得更快速直接的響應(yīng)。此外，其動力調(diào)節(jié)類似柴油機，中小負(fù)荷節(jié)氣門保持全開狀態(tài)，動力大小由噴油量決定，油門踩下后，區(qū)別于傳統(tǒng)汽油機空氣吸入的滯后，只需瞬間增加噴射量即可，提高了加速響應(yīng)性。

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