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(jī)燃燒模型已無(wú)法滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。馬自達(dá)通過(guò)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(diǎn)火控制壓燃點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)。與現(xiàn)款相比，該發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩提高10～30%，NEDC油耗降低20%，動(dòng)力響應(yīng)性也得以提高。本文為主機(jī)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(hào)：U472.43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：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(guó)2020年油耗路線圖要求5L/100km。主機(jī)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(diǎn)。面對(duì)節(jié)能排放法規(guī)的挑戰(zhàn)，馬自達(dá)需要一款更強(qiáng)勁、更省油、更節(jié)能的發(fā)動(dòng)機(jī)。于是，全球首創(chuàng)了SPCCI（Spark Controlled Compression Ignition）火花點(diǎn)火控制壓燃點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)，命名為第二代創(chuàng)馳藍(lán)天發(fā)動(dòng)機(jī)，如圖1所示[1-4]。

1? 技術(shù)路線圖

影響熱效率的7個(gè)關(guān)鍵因素，分別是壓縮比、比熱比、燃燒速度、點(diǎn)火時(shí)刻、熱損失、泵氣損失、機(jī)械阻力。第一代創(chuàng)馳藍(lán)天汽油發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)使用高壓縮比，米勒循環(huán)以及降低機(jī)械阻力的措施，提高了熱效率，動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。然而在比熱比和熱損失上沒(méi)有突破，對(duì)此，開(kāi)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(shì)如圖2所示。當(dāng)壓縮比提高后熱效率呈上升趨勢(shì)，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(diǎn)火燃燒（SI），主要因素是燃燒速度。如圖3所示，火花塞點(diǎn)火時(shí)通過(guò)火焰擴(kuò)散進(jìn)行燃燒，火焰?zhèn)鞑ビ牲c(diǎn)擴(kuò)散到面，再傳遞至整個(gè)燃燒室，而壓燃點(diǎn)火不局限于某一個(gè)點(diǎn)，而是很多個(gè)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行燃燒，燃燒速度明顯較火花點(diǎn)火快。如圖4為壓燃和點(diǎn)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(diǎn)火由于火焰?zhèn)鞑バ枰獣r(shí)間，燃燒壓力存在局限性。壓燃點(diǎn)火由于是多點(diǎn)均質(zhì)燃燒，同一時(shí)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(yàn)階段，目前為止無(wú)量產(chǎn)產(chǎn)品。如圖5所示，HCCI適用范圍過(guò)?。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(shí)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(huì)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(méi)有任何機(jī)械結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)。

圖6是燃燒室溫度對(duì)HCCI的影響示意圖。由于物理?xiàng)l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(dòng)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(guò)大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，某一個(gè)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(dòng)到完全暖機(jī)都保持一致的燃燒溫度是不現(xiàn)實(shí)的。

2? SPCCI燃燒介紹

通過(guò)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(shí)現(xiàn)瞬間可控的壓縮比切換是一個(gè)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(wú)法實(shí)現(xiàn)壓縮比瞬間切換，但是化學(xué)爆炸可以實(shí)現(xiàn)，通過(guò)一個(gè)特殊火花塞點(diǎn)火形成火核，瞬間讓燃燒室達(dá)到壓燃所需要的高壓，實(shí)現(xiàn)壓燃。馬自達(dá)將此技術(shù)定義為SPCCI（Spark Controlled Compression Ignition）火花點(diǎn)火控制壓燃點(diǎn)火。

2.1 SPCCI工作原理

SPCCI核心理論是通過(guò)控制點(diǎn)火時(shí)刻，來(lái)間接控制壓縮著火的時(shí)間點(diǎn)。如圖7所示，物理結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)一個(gè)超高壓縮比，使用超稀薄混合氣，保證無(wú)法自燃，通過(guò)火花塞點(diǎn)火，形成火焰核心，對(duì)混合氣進(jìn)行二次壓縮，在某個(gè)臨界點(diǎn)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(guò)于稀薄，無(wú)法保證點(diǎn)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(dòng)機(jī)高滾流比設(shè)計(jì)，該發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)渦流控制閥實(shí)現(xiàn)了高渦流比設(shè)計(jì)，混合氣繞著汽缸壁面高速旋轉(zhuǎn)。通過(guò)不同時(shí)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(guò)火花塞點(diǎn)火，形成壓力波向四周擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)可靠壓燃。

2.3 爆震抑制

同傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，高溫高壓工況下，也面臨著爆震問(wèn)題，尤其是該發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)。雖然原理上壓燃和爆震類似，但若燃燒時(shí)間不在設(shè)計(jì)時(shí)刻就會(huì)損壞發(fā)動(dòng)機(jī)，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(shí)間，再經(jīng)過(guò)點(diǎn)燃，形成可控的壓燃。由于燃油霧化和混合時(shí)間非常短，對(duì)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(duì)環(huán)境要求苛刻，時(shí)刻保持理想化的著火時(shí)刻和壓升曲線很困難。同汽油發(fā)動(dòng)機(jī)類似，由于燃燒具有一定的時(shí)間，設(shè)計(jì)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(shí)刻不同。 通過(guò)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，如圖9所示，通過(guò)一套算法，分別計(jì)算出Qsi（點(diǎn)燃釋放化學(xué)能）、Qci（壓燃釋放化學(xué)能）的比例，計(jì)算出目標(biāo)CI發(fā)生的時(shí)刻（曲軸角度），從而預(yù)估出點(diǎn)火時(shí)刻。在每個(gè)氣缸都設(shè)置了獨(dú)立的氣缸壓力傳感器，來(lái)解析壓縮點(diǎn)火的狀態(tài)，通過(guò)對(duì)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(dòng)機(jī)硬件與燃燒策略

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)硬件

如表1所示，該發(fā)動(dòng)機(jī)主要零部件和傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)通用，在核心零部件上做了部分更新，主要涉及3個(gè)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(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的分層燃燒，高壓燃油噴射系統(tǒng)實(shí)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(dòng)機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)超高響應(yīng)性與控制精度。該發(fā)動(dòng)機(jī)使用了氣缸壓力傳感器，替代傳統(tǒng)的KCS傳感器，用來(lái)監(jiān)測(cè)壓縮點(diǎn)火狀態(tài)，通過(guò)對(duì)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(jī)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(dòng)機(jī)的1.5～2倍，需要對(duì)進(jìn)氣進(jìn)行補(bǔ)償;另外由于燃燒方式實(shí)時(shí)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(wú)法實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，所以采用了機(jī)械增壓結(jié)構(gòu)對(duì)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(dòng)機(jī)[6]。如圖10所示，為不同發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)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(wú)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(diǎn)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(jī)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(jī)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(yàn)

相比第一代創(chuàng)馳藍(lán)天發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的低油耗范圍大，不局限于低負(fù)荷，對(duì)高轉(zhuǎn)速高負(fù)荷也有很大的改善，實(shí)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(shí)不再局限于升檔降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)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(chǔ)備功率，獲得更快速直接的響應(yīng)。此外，其動(dòng)力調(diào)節(jié)類似柴油機(jī)，中小負(fù)荷節(jié)氣門保持全開(kāi)狀態(tài)，動(dòng)力大小由噴油量決定，油門踩下后，區(qū)別于傳統(tǒng)汽油機(jī)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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