3 挑戰(zhàn)與對策

傳統(tǒng)HCCI燃燒的可靠燃燒工況如圖11中紅色區(qū)域，從圖中可以看出，范圍過于狹窄，為了讓發(fā)動機(jī)在全工況內(nèi)運(yùn)行，必然SI和CI兩種燃燒方式并存。但是，正常行駛過程中加速的話，發(fā)動機(jī)的工作區(qū)間類似圖中白色虛線，會從SI經(jīng)過CI再回到SI，由于不同燃燒方式下扭矩性能完全不一樣，兩種不同燃燒方式無法順利穩(wěn)定的切換。所以必須要實(shí)現(xiàn)一種順滑的、可控的CI。

馬自達(dá)SPCCI的就是通過控制點(diǎn)火時(shí)刻，來間接控制壓縮著火的時(shí)間點(diǎn)。如圖12所示，首先，在物理結(jié)構(gòu)上需要一個(gè)超高壓縮比，然后混合氣必須非常的稀薄，在任何溫度下不能自發(fā)被壓燃，通過一個(gè)火花塞點(diǎn)火，形成火焰核心，對燃燒室進(jìn)行再壓縮，然后讓周圍混合氣也被壓燃，形成均質(zhì)燃燒。

馬自達(dá)經(jīng)過探討，總結(jié)出SPCCI的5個(gè)要素：

1再一個(gè)合適的高壓縮比和稀薄空燃比下，混合氣要達(dá)到接近壓燃的狀態(tài)但不能自壓燃（SKYACTIV-X設(shè)計(jì)物理壓縮比為15-16）；

2火花塞要在任何工況下可靠的建立火核；

3火核要能夠四周擴(kuò)散且讓燃燒室升溫升壓直到能夠被壓燃；

4主要的混合氣能量是通過壓燃來釋放而不是點(diǎn)燃；

5要配合壓燃的時(shí)間點(diǎn)來設(shè)定點(diǎn)火的時(shí)刻。

這種燃燒理論沒有任何基礎(chǔ)，馬自達(dá)也靠一步一步摸索才找到合適的方法。

3.1 挑戰(zhàn)1——SPCCI工作火核形成

前文提到，空燃比超過某一極限就無法被點(diǎn)燃，而壓燃的空燃比界限遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于點(diǎn)燃方式，所以為了實(shí)現(xiàn)可靠點(diǎn)火，就必須采用分層燃燒的策略。如圖13所示，該圖為氣缸的俯視圖，區(qū)別于目前汽油發(fā)動機(jī)高滾流比的設(shè)計(jì)，SKYACTIV-X通過一個(gè)渦流控制閥實(shí)現(xiàn)了高渦流比的設(shè)計(jì)，類似于柴油發(fā)動機(jī)，混合氣繞著汽缸壁面高速旋轉(zhuǎn)。

通過不同時(shí)刻的噴射策略，在火花塞周圍形成較濃的混合氣，在其他區(qū)域形成稀薄的混合氣，通過火花塞點(diǎn)火，形成壓力波向四周擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)壓燃。

如圖14所示，為了形成均勻的火核，噴油器區(qū)別于傳統(tǒng)汽油發(fā)動機(jī)的扇面形狀，呈現(xiàn)均勻分布，共有10個(gè)噴孔，確?；旌蠚鈪⑴c混合（詳細(xì)燃燒控制策略下下一節(jié)）。

3.2 挑戰(zhàn)2——爆震抑制

同汽油發(fā)動機(jī)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(jī)的物理壓縮比為15-16，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的汽油發(fā)動機(jī)，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(shí)間不在設(shè)計(jì)需要的時(shí)刻就會嚴(yán)重?fù)p壞發(fā)動機(jī)。特別是在壓縮形成，無論如何也不能發(fā)生爆震。

從原理上來說，解決爆震問題最好的方法就是降低混合氣溫度，也就是減少混合氣升溫的時(shí)間。假如混合氣都在吸氣行程噴射的話，從吸氣到壓縮，混合氣有充分的時(shí)間被加熱，在壓縮過程中極易被壓燃，因此，馬自達(dá)設(shè)計(jì)的噴射會在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，在壓縮行程中段再次噴油，這部分燃油在燃燒室內(nèi)停留的時(shí)間較短，還沒有被充分吸熱，再經(jīng)過點(diǎn)燃，形成可控的壓燃。這里，由于燃油霧化和混合時(shí)間非常短，對燃油噴射系統(tǒng)的要求非常高，直噴系統(tǒng)的燃油壓力甚至達(dá)到了100MPa以上。

3.3 挑戰(zhàn)3——壓燃可靠性確保

前文提到，壓燃對環(huán)境的要求很苛刻，要想時(shí)刻保持理想化的著火時(shí)刻和壓升曲線是很困難的。同汽油發(fā)動機(jī)類似，由于燃燒具有一定的時(shí)間，馬自達(dá)也希望壓燃的Pmax（最大燃燒壓力）在做工行程，雖然對于混合氣來說，壓燃的臨界壓力是一樣的，但是在不同的條件下，火花塞點(diǎn)火后壓力上升的速度是不同的，達(dá)到臨界壓力的時(shí)間不同，這會導(dǎo)致壓燃的Pmax時(shí)刻不同。

馬自達(dá)通過研究，提出一套全新的燃燒控制邏輯——自適應(yīng)點(diǎn)火正時(shí)策略，這套策略非常復(fù)雜，如圖16所示，通過一套算法，分別計(jì)算出Qsi、Qci的能力比例，在計(jì)算出目標(biāo)CI發(fā)生的時(shí)刻（位置），從而預(yù)估出點(diǎn)火時(shí)刻，它在每個(gè)氣缸都設(shè)置了獨(dú)立的氣缸壓力傳感器（CPS：cylinder pressure sensor），用來解析壓縮點(diǎn)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)（詳細(xì)燃燒控制策略見下一節(jié)）。

通過點(diǎn)火正時(shí)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(dāng)進(jìn)氣溫較低時(shí)，系統(tǒng)判斷點(diǎn)燃速度較慢，點(diǎn)火正時(shí)的反饋?zhàn)詣幼岦c(diǎn)火提前，最終達(dá)到壓燃臨界點(diǎn)的時(shí)刻（位置）一致，從而確保合理穩(wěn)定的壓燃。

3.4 扭矩控制

傳統(tǒng)的汽油發(fā)動機(jī)對扭矩的控制主要集中在兩個(gè)方面，一個(gè)是進(jìn)氣量、一個(gè)是點(diǎn)火時(shí)刻。通過一個(gè)PID控制邏輯實(shí)現(xiàn)扭矩的自平衡。當(dāng)油門踩下去的時(shí)候，節(jié)氣門開度增大，進(jìn)氣量增加，對應(yīng)的燃油量也增加，空氣和燃油始終維持在理論空燃比下（有特殊需求除外），當(dāng)出現(xiàn)扭矩不穩(wěn)定或者和目標(biāo)扭矩存在差距的情況下，點(diǎn)火時(shí)刻進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)正。如圖17所示，在同樣的轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣量下，點(diǎn)火時(shí)刻能夠協(xié)調(diào)的扭矩范圍是足夠大的，可以保證扭矩在目標(biāo)扭矩上下維持。

對于SKYACTIV-X發(fā)動機(jī)來說，在壓燃模式下，為了保證遠(yuǎn)超正常燃燒所需的空氣，節(jié)氣門一般為常開，進(jìn)氣量一般情況是最大進(jìn)氣量。這時(shí)，當(dāng)油門踩下去之后，為了控制扭矩，只能依靠噴射量和點(diǎn)火時(shí)刻，馬自達(dá)采用的是空燃比控制扭矩策略，在不同的性能要求下，對噴射量進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)，由于不同噴射量下火核擴(kuò)散速度和燃燒溫度不同，點(diǎn)火時(shí)刻也要進(jìn)行自適應(yīng)性調(diào)整，從而保證扭矩的順利輸出。