4 發動機硬件與燃燒策略

4.1 發動機硬件

如圖18所示，馬自達官宣稱在不改變硬件的前提下再次發明內燃機（re-inventing the internal combustion engine without re-inventing the hardware），其主要零部件和汽油發動機通用，但是在核心零部件上做了部分更新，最主要的有3個系統，為高壓燃油噴射系統、缸內壓力傳感器、稀薄增壓器。

另外，雖然SPCCI燃燒依靠汽油自著火（CI）實現，理論上用92號汽油更有利，但是該發動機在高轉速高負荷下采用傳統的火花塞點火燃燒（SI），且物理壓縮比達到16：1，為了更好的平衡最大扭矩與最大功率，采用了95號汽油。如果采用了92號汽油，在中轉速的SPCCI方式下，扭矩較大，但是在高轉速由于早燃和爆震扭矩會有一定程度的降低，不利于發動機的最高功率，所以綜合考慮還是采用了95號汽油。

4.1.1 高壓燃油噴射系統

目前汽油發動機傳統的燃油噴射系統，比如豐田、本田和大眾，都是使用20MPa的高壓燃油噴射系統，一方面為了協調能耗與性能（維持壓力越高，機械損失越大，熱效率會下降），另一方面平衡成本。在部分豪華車上會采用博世最新的高壓噴射系統，可能到35MPa甚至更高，主要可以提高噴油精度，對分層燃燒有利。馬自達高壓燃油噴射系統類似柴油發動機，采用了100MPa以上的燃油壓力（技術驗證時超過100MPa，量產實際控制70MPa），噴油器也區別于傳統扇型噴霧的噴油器，接近柴油發動機，從而實現超高響應性與控制精度。

4.1.2 缸內壓力傳感器

一般來說，現在汽油發動機由于成本等因素，已經不使用缸內壓力傳感器了，馬自達在SKYACTIV-X上使用了該傳感器，其原理在上一篇中提到，它用來監測壓縮點火的狀態，通過對數據的前饋和反饋，讓燃燒保持在理想的狀態。該壓力傳感器精度非常高，并替代了傳統汽油發動機的爆震傳感器（KCS傳感器）。

4.1.3 稀薄增壓器

關于這個稀薄增壓器，網上爭議很多，有人說他就是增壓發動機，有人認為他不算。馬自達自己為了區別于傳統渦輪增壓器，也稱之為快速響應式空氣供給單元。從形式上判斷，這是一套高響應性的機械增壓器，從功能上判斷，它又不是為了壓榨性能而設計的增壓系統。

目前市面上的渦輪增壓或者機械增壓，本質都是為了實現大于物理排量的進氣量和噴油量，從而發揮小排量高性能的優勢，主要是應對國際上日益嚴苛的排放法規和排量稅。對于SPCCI發動機來說，由于采用了超稀薄燃燒，要實現傳統2.0L自然吸氣發動機的性能，進氣量可能就需要3L到4L，而發動機燃燒室不可能設計到這么大；另外由于燃燒方式實時切換，在相近轉速負荷下，進氣量可能在瞬間要從1.5L（SI燃燒）切換至3.0L（CI燃燒），單純依靠節氣門的空氣模型，是無法實現如此快速的進氣變換響應的，渦輪增壓系統更不行，所以，必須是一套特殊設計的機械增壓系統才有可能實現此功能。還有最重要的一點，在前文提到，HCCI燃燒的區間很狹窄，受到溫度和氣壓的影響很大，即使依靠了SPCCI點火輔助控制，也很難實現廣域的CI，所以，必須要對不同海拔、溫度的進氣量進行控制，就需要用到該機械增壓器了。

4.1.4 其他零部件

圖28為SKYACTIV-X ECU輸入輸出示意圖，馬自達為了實現SPCCI，需要對燃燒狀態精確控制，因此相比于普通汽油發動機，傳感器種類與數量較多（成本也很高）。如圖所示，藍色為一般汽油發動機擁有的傳感器，綠色為SKYACTIV-X發動機特殊的傳感器（當然還有一些傳感器涉密，沒有列入其中），比較特殊的是，為了精確控制進氣溫度，在不同位置布置了4個進氣溫傳感器；為了監控燃燒室溫度，在不同位置布置了3個水溫傳感器；還有替代普通車型KCS傳感器的燃燒壓力傳感器；檢測排氣溫度的傳感器；應對國6B排放的GPF壓力傳感器等。輸出端比較特殊的是電磁離合器和渦流控制閥。電磁離合器就是機械增壓系統離合的快速切換裝置，和傳統機械增壓發動機上的類似，這里不做介紹。如圖29所示，渦流控制閥為在兩個進氣門中的某一個設置一個閥，通過控制他的開閉，來實現進氣的流動，從而在燃燒室內形成逆時針方向的渦流。當閥完全關閉的時候，在燃燒室內部主要形成渦流，當閥完全打開的時候，燃燒室內部只存在滾流。

通過這些硬件基礎，相比較HCCI，SPCCI能夠擴大CI的燃燒范圍，顯著提高了CI燃燒對外界環境、燃料等適應性。但是，SPCCI不是萬能的，還有部分領域無法采用SPCCI燃燒，因此SPCCI和SI的協調成為難點，馬自達的工程師們用了一套非常復雜的燃燒策略來實現不同工況下的協同燃燒，讓SPCCI與SI各司其職，在能耗、性能、排放、可靠性方面獲得較理想的結合。

4.2 燃燒策略

傳統汽油發動機，比如豐田的最新TNGA架構下的發動機，由于具有雙噴射系統、In-VVT、Ex-VVT、EGR、可變燃壓、阿特金森循環、奧托循環、分層燃燒、雙A/F傳感器模型等等，系統已經非常復雜，在燃燒上需要設計的內容非常多。諸如大眾的EA888，還需要考慮渦輪增壓，控制也會很復雜。但是，相比于SKYACTIV-X發動機，都是小巫見大巫，SKYACTIV-X無論在燃燒的模型的復雜和控制系統的精度要求上遠遠超過現有的任何一款汽油發動機。這里，我只聊聊最主要的燃燒策略，忽略掉VVT、EGR、渦輪增壓器、可變燃壓等影響。如圖31所示，該圖為SKYACTIV-X在不同發動機轉速、負荷、溫度下的燃燒策略圖，基于不同溫度下分為3層控制。在水套溫30℃以下，進氣溫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部溫度較低，SPCCI燃燒無法穩定的成立，因此采用傳統SI燃燒方式，在低轉速高負荷的部分工況，采用推遲點火的SI燃燒方式；在水套溫30℃到80℃，進氣溫25℃到50℃的半暖機階段（圖中LAYER L2），在中轉速以下，中負荷以下，雖然可以使用CI，但是超稀薄燃燒并不穩定，因此采用化學當量比=1的SPCCI燃燒，在中負荷高轉速下，由于性能需求，采用化學當量比小于等于1的的SPCCI燃燒策略；低轉速高負荷和高轉速區域沿用LAYER L1的燃燒方式；在水套溫80℃以上，進氣溫50℃以上的完全暖機工況下，燃燒策略進一步復雜化，極低負荷下（圖中⑥區域）考慮燃油經濟性，采用停缸控制邏輯，中轉速中低負荷（圖中①-1區域）采用化學當量比>1的超稀薄SPCCI燃燒策略，中轉速中高負荷（圖中①-2區域）采用化學當量比=1的SPCCI燃燒策略，其他區域和LAYER L2或者LAYER L3一致^[4-6]。

下面就來分析下完全暖機狀態的各種燃燒策略，如圖32所示。具體各個工況下噴射、點火正時與燃燒Pmax示意圖如圖33所示。

4.2.1 ①-1工況（低負荷中低轉速）

如圖33和圖32所示的區域①-1，當發動機在低負荷和中低轉速下時，采用的SPCCI燃燒，該工況是發動機最常用的工況之一，考慮到對負荷要求不高，且此工況為燃油經濟性關鍵工況，化學當量比<1。在此工況下，依靠恰當的噴射噴霧(如圖34所示)，噴油器分為多個小段進行噴射，通過噴射運動與燃燒室強烈的渦流，混合氣體在燃燒室的中心部分和外圍部分分層。噴油結束后，在TDC前的某時刻進行點燃，由于中心部位混合氣濃度較高，提高了SI火焰傳播的穩定性，通過SI燃燒，CI燃燒在合適的時間開始，參考圖33區域①-1Pmax波形圖。在SPCCI燃燒國產中，CI燃燒的可控性得到提高。該工況為超稀薄燃燒，燃油經濟性極高，熱效率極高。

4.2.2 ①-2工況（中負荷中低轉速）

同樣，隨著負荷的提高，當發動機處于區域①-2時，發動機執行與①-1工況類似的燃燒策略，主要區別點在于噴油器在進氣行程完成第一段噴油噴射，使混合氣均勻的分布在燃燒室中，通過在壓縮行程后半段進行第二次噴射，通過燃油汽化潛熱降低燃燒室內的溫度，從而防止爆震等異常燃燒。一般來說，第一次和第二次噴射的比例在95：5。由于SPCCI對扭矩的調整為質調節，此區域的化學當量比=1。當噴油器在進氣行程完成第一次噴射、壓縮行程完成第二次噴射后，火花塞周邊的混合氣化學當量比=0.8~1.0，周圍的混合氣化學當量比=1.0~1.2。

另外，在工況①中，低負荷下增壓器是不打開的，在工況①的相對高負荷下增壓器也會適當進行工作，以保證發動機轉速相對應的進氣量。在其他工況下，增壓器都處于打開的狀態。

4.2.3 ②工況（高負荷中轉速）

隨著負荷進一步提高，當發動機處于區域②時候，由于性能需求，化學當量比小于等于1，此時，第一次噴油在進氣后半段，在壓縮終了的時刻再進行第二次噴射（例如第一次噴射再BTDC280CA）。此時刻下燃燒室四周渦流較強，中心較弱，噴霧在活塞頂面形狀下，分為兩撥，一撥進入燃燒室四周的渦流中，一撥停留在活塞頂面31的區域（如圖35所示）。加入渦流的混合氣能夠促進CI燃燒，停留在活塞頂面的燃料能夠促進SI點火的可靠性。

為了促進性能，在火花塞周圍的空燃比小于14.7：1，可介于13到14.7：1之間，不過相對來說，中間區域的混合氣作用并不是提高性能，因此設置的較為稀薄，在四周的混合氣空燃比介意11：1到14.7：1之間。一般來說，整個燃燒室的混合氣空燃比在12.5：1到13：1的性能空燃比之間。

在壓縮行程的最后階段，進行二次噴射，一般為BTDC10CA左右，通過燃料汽化降低燃燒室溫度，防止了早燃，一般第一次和第二次噴射的燃料比例約為95：5。

4.2.4 ③工況（全負荷中轉速）

③工況為②工況的特殊工況，由于性能需求，且轉速較高，從BTDC280CA開始噴射的話，可能需要持續到壓縮行程，由于發動機轉速過高，在壓縮行程末端的第二次噴射無法可靠進行，因此只噴射一次，通過增加噴射量來抑制燃燒室內溫度，控制早燃。

4.2.5 ⑤工況（高負荷低轉速）

如圖32、33的⑤工況，當發動機轉速較低時，曲軸轉角改變10CA的時間較長，在高負荷低轉速下，如果燃料在進氣行程和壓縮行程的上半段噴射的話，為了保證CI在合適的位置燃燒的話，SI點火需要提前，使得SI燃燒變得困難。因此，在此工況下，不進行SPCCI燃燒，而是傳統的SI燃燒。采用了多點噴射，進氣行程一次，壓縮末端一次，在火花塞周圍形成較強混合氣，從而促進SI點火的可靠性。為了防止SI點火后氣缸內壓力升高引起CI，將點火時刻延遲，在膨脹行程中點火，將最高燃燒壓力限制在CI界限之下，從而抑制CI燃燒，此工況主要是過渡工況，對性能和燃油經濟性要求不高，主要追求燃燒穩定性和NVH性能。

4.2.6 ④工況（高負荷高轉速）

當發動機轉速較高時，曲軸旋轉1CA的時間變短，在此工況下，對燃燒室內的混合氣進行分層是很困難的，因此SPCCI燃燒也變得不現實。所以，SKYACTIV-X在整個高轉速段采用了SI燃燒而不是CI燃燒。

在此工況下，EGR關閉，渦流控制閥完全打開，不產生任何渦流，只產生滾流，提高了充填效率，降低了泵氣損失。在此工況下，空燃比基本處于14.7：1，混合氣的過量空氣系數可謂化學當量比=1.0+-0.2，當然，在極限性能區間化學當量比<1。在此工況下，由于噴射量大且轉速高，噴射時間不足，因此只采用一次噴射，在燃燒室內形成均質的混合氣，為了保證燃料混合時間較長，噴射時刻盡可能提前，以減少未燃損失和PM、PN。此工況燃燒策略和普通汽油發動機類似，唯一的不同點在于基礎物理壓縮比為16：1，所以性能凌駕于傳統2.0L發動機。

4.2.7 ⑥工況（超低負荷中低轉速）

在圖32、33的⑥工況，也就是超低負荷中低轉速下，SKYACTIV-X采用的是停缸策略。考慮到泵氣損失和熱效率，通過將4缸的某兩個氣缸停缸，將節氣門全開，可以顯著提高超低負荷下的熱效率，并且，與傳統汽油發動機不同，此工況下SKYACTIV-X發動機節氣門為全開，因此兩個不參與做工的氣缸的進排氣門可以正常工作，而不需要特殊的機構進行斷開，節省了這部分結構的成本。在停缸工況下，增壓器的電磁離合器也是斷開的，不產生機械負荷。

停缸工況有氣溫限制，當燃燒室的進氣溫度或者冷卻水溫低于某一值時，由于低進氣溫度或低燃燒室溫度下燃燒的不穩定性，從舒適性考慮，必須退出此工況。此工況常用于城市怠速，且由于超稀薄SPCCI燃燒，燃油經濟性突出。

4.3 其他

其實，馬自達在設計此發動機時，考慮到的遠遠不止這么多，上文介紹的只是比較基礎的內容。實際控制策略還有考慮渦流控制閥的開閉狀態，增壓器的離合區間，VVT的工作，內部EGR和外部EGR的控制策略，阿特金森循環和奧托循環的切換。尤其在整車上不同工況的扭矩銜接，空燃比跨度如此大的情況下如何保證國6排放，這些難題并不是靠推測就能解決的，需要強大的基礎研究和驗證。

另外，馬自達也對SPCCI的理念和相關設計申請了專利，國內外想避開這些專利做壓燃發動機也不是容易的事情。馬自達在技術宅的路線上越走越遠，和轉子發動機一樣，馬自達又一次引領了發動機的革命。