◆/江蘇 高惠民

(接上期)

三、SPCCI技術的控制原理

1.SKYACTIV-X發(fā)動機燃燒控制

HCCI本來的概念是“自燃”，由于汽油機燃料揮發(fā)性好，易形成均質(zhì)混合汽，但其缺點是著火溫度高，不易自燃。SPCCI采用火花點火是一種可快速投入的能量，如圖17所示。當壓縮終點的混合汽狀態(tài)接近臨界著火條件時，瞬間引入的火花點火能量可使局部混合汽超過臨界著火條件從而開始燃燒。由此產(chǎn)生的溫度壓力升高又激發(fā)了周圍混合汽發(fā)生自燃。在殘余廢氣含量較多的稀薄混合汽中，火花點火雖然不能產(chǎn)生大面積火焰?zhèn)鞑ィ贖CCI接近臨界著火狀態(tài)下火花點火可以提高著火的可靠性?；鸹c火是十分成熟的技術，同時考慮到產(chǎn)業(yè)化的 HCCI汽油機可能是多種燃燒模式(壓燃與點燃)復合使用，因此火花塞始終點火并無技術和成本上的困難，反而比其他方式控制起來更方便。

圖17 用火花點火控制HCCI著火的基本原理

SPCCI燃燒出現(xiàn)兩個階段放熱,第一階段放熱速率比較平緩，是由火花點火和一定范圍內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ピ斐傻?圖18a中SI區(qū)間，馬自達稱其為“空氣活塞”再壓縮作用,來提高混合汽自燃溫度)；第二階段放熱速率很快，是由剩余混合汽同時自燃造成的(圖18a中CI區(qū)間)。這種火花輔助點火壓縮點火與混合汽濃度分層控制方法相結合,可以更好地控制著火時刻以及控制最高放熱速率(因而也控制了最高壓升率)等燃燒特性，也抑制燃燒噪音。另外，在發(fā)動機過渡工況(工況或燃燒模式變化時)，SPCCI可以避免失火，減小循環(huán)波動。由圖18b可以看出，SPCCI燃燒時的NOX排放和指示油耗介于傳統(tǒng)火花點火燃燒(SI)與HCCI燃燒之間。

圖18 三種燃燒方式的對比

2.壓縮比控制

提高壓縮比可以提高壓縮終點溫度，使汽油混合汽自燃，汽油機若實現(xiàn)壓縮著火一般要將壓縮比提高到15～18以上，但是，能形成低負荷穩(wěn)定著火的壓縮比往往會引起高負荷時的爆燃。最理想的方法是采用可變壓縮比。SKYACTIV-X發(fā)動機運行中，為了確保高扭矩輸出，而將幾何壓縮比設為15～16(在歐洲為16∶1)，并且在高負荷時，通過進氣門遲閉，減小發(fā)動機的有效壓縮比相對于幾何壓縮比的允許的降低幅度，配合SPCCI燃燒切換至SI燃燒。

3.混合汽濃度控制

由著火的基本理論可知，混合汽濃度在化學計量比附近(λ=0.8～1.0)時最易自燃著火。為同時保證總體空燃比處于稀混合汽范圍，采取形成濃度分層的稀薄混合汽，即中心區(qū)域為λ＜1.0的濃區(qū)以使自燃著火容易，其余區(qū)域為λ＞1.0的稀區(qū)以使總體空燃比偏稀。與空燃比相同的完全均質(zhì)混合汽相比，這種分層混合汽方式不但提高了汽油HCCI的著火可靠性，而且兩區(qū)或更多區(qū)的順序著火有利于大負荷時抑制爆震的發(fā)生。當然這種“分層”的思路表面上看有悖于HCCI原本的“均質(zhì)”的理念，但實際上在各個區(qū)內(nèi)還是遵循均質(zhì)的原則，因而是一種辯證的均質(zhì)。如圖19所示，該圖為汽缸的俯視圖。

圖19 分層燃燒示意圖

與目前汽油發(fā)動機高滾流比的設計不同的是，SKYACTIV-X通過一個渦流控制閥實現(xiàn)了高渦流比的設計，這類似于柴油發(fā)動機，混合汽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的混合汽，在其他區(qū)域形成超稀薄的混合汽，通過火花塞點火，形成壓力波向四周擴散，實現(xiàn)壓燃。這里，由于燃油霧化和混合時間非常短，對燃油噴射系統(tǒng)的要求非常高，燃油直噴系統(tǒng)的噴射壓力達到了70MPa以上。另外，為了形成均勻的火核，噴油器也區(qū)別于傳統(tǒng)汽油發(fā)動機的扇面形狀，10個噴孔呈現(xiàn)均勻分布噴射，確保新鮮空氣或燃燒后的廢氣參與混合。

4.進氣控制

前文提到，HCCI燃燒的區(qū)間很狹窄，受到溫度和氣壓的影響很大，即使依靠了火花輔助控制，也很難實現(xiàn)廣域的自燃，所以必須要對不同海拔、溫度的進氣量進行增壓控制。用增壓的方法拓展高負荷下HCCI燃燒的運行范圍，提高發(fā)動機扭矩輸出。所以SKYACTIV-X配置了機械增壓器。馬自達為了區(qū)別于傳統(tǒng)渦輪增壓器，也稱之為快速響應式空氣供給單元。對于SPCCI技術發(fā)動機來說，由于采用了超稀薄燃燒，要實現(xiàn)傳統(tǒng)2.0L自然吸氣發(fā)動機的性能，進氣量可能就需要3～4L，而發(fā)動機燃燒室不可能設計到這么大；另外由于燃燒模式實時切換，在相近轉(zhuǎn)速負荷下，進氣量可能在瞬間要從1.5L(SI燃燒)切換至3.0L(CI燃燒)，單純依靠節(jié)氣門的空氣模型，是無法實現(xiàn)如此快速的進氣變換響應，渦輪增壓系統(tǒng)更不行，所以，必須是一套特殊設計的機械增壓系統(tǒng)才有可能實現(xiàn)此功能。機械增壓器由發(fā)動機驅(qū)動，并且發(fā)動機ECU根據(jù)發(fā)動機運行負荷切換增壓器上電磁離合器通斷來控制增壓器運轉(zhuǎn)，增壓器工作區(qū)域如圖20所示。

圖20 增壓器工作區(qū)域示意圖

SKYACTIV-X發(fā)動機運行中，廢氣再循環(huán)(EGR)發(fā)揮著重要作用。在發(fā)動機較低負荷時，通過內(nèi)部EGR(減小進排氣門重疊期)，將一部分高溫的已燃廢氣留在燃燒室中，以提高壓縮開始和結束的混合汽體溫度，穩(wěn)定燃燒促進HCCI向低負荷拓展。在發(fā)動機高負荷時，由于燃燒室內(nèi)殘留的已燃廢氣使壓縮開始前的混合汽溫度提高，會造成充量密度降低，膨脹功減小。此時，增大進排氣門重疊期，新鮮空氣與被冷卻的低溫EGR廢氣混合形成充量，再經(jīng)機械增壓器增壓并冷卻進入到汽缸中，殘留在燃燒室內(nèi)的已燃廢氣被掃氣。而且，低溫廢氣的充量中CO2等和H2O比熱容較大，會降低壓縮溫度，使自燃時刻推遲，實現(xiàn)HCCI向更高負荷邊界拓展。同時，還可以抑制NOx的生成。

5.著火時刻控制

活塞式發(fā)動機的熱效率與燃燒放熱時間有關。為使內(nèi)燃機能夠正常、高效地工作，燃燒放熱的時間必須得到控制。燃燒時間通常指混合汽釋放一半熱量時的曲軸轉(zhuǎn)角，此時的燃燒放熱率非常接近其最大值。前文提到，HCCI對環(huán)境的要求很苛刻，要想時刻保持理想化的著火時刻和壓升曲線是很困難的。由于燃燒具有一定的時間，理想狀態(tài)是希望壓燃的Pmax(最大燃燒壓力)在膨脹沖程。雖然對于HCCI來說，壓燃的臨界壓力是一樣的，但是，當采用SPCCI技術，在不同的條件下，火花塞點火后壓力上升的速度是不同的，達到臨界壓力的時間也不同，這會導致壓燃的最大壓力(Pmax)時刻不同。

馬自達SPCCI技術采用了一套全新的燃燒控制邏輯——自適應點火正時策略，通過每個汽缸設置了獨立的汽缸壓力傳感器(CPS：cylinder pressure sensor)，用來解析壓縮燃燒的狀態(tài)，通過對數(shù)據(jù)的前饋和反饋，計算出目標壓燃發(fā)生的時刻(位置)，從而預估出點火時刻，讓燃燒保持在理想的狀態(tài)。自適應點火正時燃燒模型如圖21所示，燃燒效果圖如圖22所示，在1 500r/min、500kPa的工況下，通過點火正時的反饋，在不同的溫度下也能夠?qū)崿F(xiàn)合理的壓燃。比如當進氣溫較低時，系統(tǒng)判斷點燃速度較慢，點火正時的反饋自動讓點火提前，最終達到與壓燃臨界點的時刻(位置)一致，從而確保合理穩(wěn)定的壓燃。

圖21 SPCCI自適應點火正時燃燒模型圖

圖22 SPCCI燃燒效果圖

6.爆震控制

同傳統(tǒng)汽油發(fā)動機一樣，在高溫高壓的部分工況下，SKYACTIV-X也面臨著爆震問題，尤其是該發(fā)動機的物理壓縮比為16，遠遠高于傳統(tǒng)的汽油發(fā)動機，必須面對早燃和爆震問題。雖然從原理上來說，壓燃就是爆震，但是若爆震時間不在設計需要的時刻就會嚴重損壞發(fā)動機。特別是在壓縮沖程中，無論如何也不能發(fā)生爆震。解決爆震問題最好的方法就是降低混合汽溫度，也就是減少混合汽升溫的時間。假如混合汽都在進氣行程噴射的話，從進氣到壓縮，混合汽有充分的時間被加熱，在壓縮過程中極易被壓燃，因此，馬自達設計的噴射會在進氣沖程中噴部分燃油，這部分混合汽非常稀薄，不足以被壓燃，在壓縮沖程中段再次噴油，這部分燃油在燃燒室內(nèi)停留的時間較短，還沒有被充分吸熱，再經(jīng)過點燃，形成可控的壓燃。如圖23所示為多點噴射策略示意圖。

圖23 多點噴射策略示意圖

四、SKYACTIV-X發(fā)動機的結構

SKYACTIV-X發(fā)動機的整體結構如圖24所示。

圖24 SKYACTIV-X發(fā)動機的整體結構圖

1.進氣系統(tǒng)以及機械增壓器

圖25所示為進氣系統(tǒng)布置示意圖。

圖25 進氣系統(tǒng)布置示意圖

(1)進氣管道執(zhí)行器(節(jié)流閥如圖26所示)，安裝在空氣濾清器與緩沖箱之間，節(jié)流閥根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速和進氣溫度，調(diào)節(jié)開度，向燃燒室導入新鮮空氣的充量。

圖26 節(jié)流閥安裝位置影像圖

(2)旁通空氣閥如圖27所示，旁通空氣閥切換通往進氣歧管的進氣的通道，以避開增壓器。這樣在不需要增壓時，減少進氣產(chǎn)生的損失。

圖27 旁通空氣閥影像圖

(3)機械增壓器S/C(圖28)，采用魯式機械增壓器，特點是單位時間進氣量為定值，線性程度突出，成本低。增壓器的功能是充分滿足SPCCI燃燒所需進氣充量(新鮮空氣+EGR廢氣)，同時滿足以下要求。

圖28 魯式機械增壓器結構圖

①引入EGR氣體改善熱容比，支持大范圍稀薄燃燒；

②控制空氣實現(xiàn)穩(wěn)定連續(xù)增壓，瞬態(tài)響應良好；

③從廢氣凈化角度而言，使用催化器前的熱容較小，避免廢氣溫度下降。

(未完待續(xù))