2 SPCCI提出的故事

馬自達實現超稀薄燃燒采用的是馬自達獨有專利技術SPCCI（Spark Controlled Compression Ignition），并依靠這個技術首次實現了量產。下面以故事的角度來講解下這個技術的思想。

2.1超稀薄燃燒的理論驗證

2.1.1 預混合壓縮燃燒（HCCI）

為了實現超稀薄燃燒，馬自達做了一個有意思的試驗——超稀薄燃燒極限挑戰試驗。如圖6所示，在怠速轉速下（750rpm），首先用正常的空燃比，點火時刻在MBT（最佳點火角）左右，火核形成，火焰正常擴散，隨著曲軸角度(CA)的變化，中間的火焰漸漸的擴散開來；當空燃比調整至29.4：1后，正常點火，火核形成，但隨著曲軸角度（CA）的變化，火焰無法傳播，失火?；鸹ㄈc火（SI）超稀薄燃燒挑戰失敗。調整進氣量，噴油量、物理壓縮比等參數，即使空燃比到達38.8：1，在足夠的壓縮比下，壓燃（CI）是可以實現的。因此可以得出，經過高壓縮，在高溫、高壓下，壓燃這種燃燒方式是成立的。

2.1.2壓燃燃燒速度優勢

上文中提到壓縮燃燒的可行性，壓縮燃燒（CI）的熱效率明顯高于火花塞點火燃燒（SI），最重要的原因是燃燒速度。如圖7所示，火花塞點火時通過火焰擴散進行燃燒，火焰傳播由點擴散到面，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行燃燒，燃燒速度明顯較火花塞點火快。

如圖8所示，壓燃為陡峭的山峰，點燃為平緩的山峰，這個山峰的高度相當于氣缸內燃燒壓力， 在同等條件下決定熱效率的關鍵因素在最大燃燒壓力值上，也就是燃燒室內的壓力越大，其推力越大，能夠轉化為有用功越多，熱效率也理所當然的高了。普通的火花點火下，由于火焰傳播需要時間，當混合氣充分燃燒時活塞已經從上止點向下運行一段距離，燃燒室內的空間變大，因此燃燒壓力就降低了，有部分能量被浪費。但是壓燃點火下，由于是多點均質燃燒，同一時間燃燒室內很多地方同時自著火，燃燒速度極快，活塞可能只下降了一點點就燃燒完全了，這時燃燒壓力很大，充分推動活塞向下做工，熱效率會很高。

通過這兩塊驗證，馬自達認為HCCI確實是實現理想燃燒的捷徑，一頭扎入了HCCI的世界。但是發現，這里有很多很多艱難困苦。

2.2 預混合壓燃點火的挑戰與對策

前文所述為壓燃的優勢，但是作為燃燒的核心，壓縮燃燒并不是馬自達提出的，行內很早就提出了HCCI（Homogeneous Charged Compression Ignition）預混合壓縮燃燒的概念。馬自達剛剛發布壓燃發動機的時候，很多行外人甚至部分行內人都不屑一顧，甚至覺得這就是個噱頭，食之無味棄之可惜的雞肋。確實，HCCI國外很早就進行研究，但是一直停留在試驗室階段，到目前沒有一款量產產品，因為其工程應用有一些不得不解決的難題。如圖9所示，HCCI（壓燃點火）的適用范圍過?。ㄞD速范圍、空氣負荷范圍），并且受到外界氣候的制約。比如在低轉速、低負荷下，氣缸內溫度不夠導致未能壓燃；在低負荷高轉速下由于燃燒太少，發生壓燃反應的時間不夠從而失火；在高轉速高負荷下又難以安定的燃燒，容易爆震。

外界環境-35℃到90℃的變化，大氣壓從海平面1bar到海拔5000m的0.6bar會讓HCCI的工作范圍變大縮小，因此，為了應對時時刻刻的環境變化，需要有一套對應方案，目前并沒有機械結構能實現。

所以，在沒有解決這些問題下，實驗室吹噓的HCCI并沒有任何意義，即使它的熱效率能夠達到恐怖的60%。

圖10是燃燒室內溫度對壓燃的影響，此為馬自達研究的數據。HCCI由于物理條件的局限性，在不同燃燒溫度下，壓燃的表現是截然不同的，比如當燃燒室溫度較高，壓燃會進入的較早，燃燒劇烈，振動噪音明顯；當燃燒室溫度較低，壓燃進入較晚，一方面燃燒效率低，一方面燃燒變得不穩定，也沒有實際意義。馬自達通過研究發現，要想實現完美的HCCI，必須將燃燒溫度控制在+-3℃，如果不能如此精確控制的話，就會發生各種問題。但是在世界上的任何地點，任何海拔，從啟動到高負荷都保持一致的燃燒溫度是不可能的。馬自達不禁思考，如果不能對燃燒溫度控制的話，能否從壓縮壓力角度來嘗試呢？

通過研究，馬自達發現控制壓縮壓力也是可行的，可是，發動機的燃燒速度是比較快的，在任何負荷工況下，若不能實現瞬間切換壓縮比就不可能精確控制，HCCI的瓶頸就是一套瞬間改變壓縮比的結構。

很多研究機構和主機廠走到這一步就放棄了，執著的馬自達頂著“技術宅”的身份并沒有放棄，甚至開始興奮了起來，因為他發現了一個可以稱為空氣活塞的東西，核心思想就是雖然沒有任何物理結構能實現瞬間壓縮比切換，但是化學爆炸可以實現，通過一個特殊火花塞點火形成火核，燃燒，在瞬間讓燃燒室達到壓燃所需要的高壓，壓燃（CI）就實現了。在這個設想下，對于容易CI的工況就延遲點火，形成小的再壓縮。對于CI比較難的低負荷、高轉速、低氣溫、低氣壓、高辛烷值燃油的情況，就提前點火，形成強烈的再壓縮，從而保證一個合理的壓燃（CI）。

SPCCI（Spark Controlled Compression Ignition）火花點火控制壓燃著火橫空出世，從奧林匹斯山上下來 如同黑夜降臨！