4 发动机硬件与燃烧策略

4.1 发动机硬件

如图18所示，马自达官宣称在不改变硬件的前提下再次发明内燃机（re-inventing the internal combustion engine without re-inventing the hardware），其主要零部件和汽油发动机通用，但是在核心零部件上做了部分更新，最主要的有3个系统，为高压燃油喷射系统、缸内压力传感器、稀薄增压器。

另外，虽然SPCCI燃烧依靠汽油自着火（CI）实现，理论上用92号汽油更有利，但是该发动机在高转速高负荷下采用传统的火花塞点火燃烧（SI），且物理压缩比达到16：1，为了更好的平衡最大扭矩与最大功率，采用了95号汽油。如果采用了92号汽油，在中转速的SPCCI方式下，扭矩较大，但是在高转速由于早燃和爆震扭矩会有一定程度的降低，不利于发动机的最高功率，所以综合考虑还是采用了95号汽油。

4.1.1 高压燃油喷射系统

目前汽油发动机传统的燃油喷射系统，比如丰田、本田和大众，都是使用20MPa的高压燃油喷射系统，一方面为了协调能耗与性能（维持压力越高，机械损失越大，热效率会下降），另一方面平衡成本。在部分豪华车上会采用博世最新的高压喷射系统，可能到35MPa甚至更高，主要可以提高喷油精度，对分层燃烧有利。马自达高压燃油喷射系统类似柴油发动机，采用了100MPa以上的燃油压力（技术验证时超过100MPa，量产实际控制70MPa），喷油器也区别于传统扇型喷雾的喷油器，接近柴油发动机，从而实现超高响应性与控制精度。

4.1.2 缸内压力传感器

一般来说，现在汽油发动机由于成本等因素，已经不使用缸内压力传感器了，马自达在SKYACTIV-X上使用了该传感器，其原理在上一篇中提到，它用来监测压缩点火的状态，通过对数据的前馈和反馈，让燃烧保持在理想的状态。该压力传感器精度非常高，并替代了传统汽油发动机的爆震传感器（KCS传感器）。

4.1.3 稀薄增压器

关于这个稀薄增压器，网上争议很多，有人说他就是增压发动机，有人认为他不算。马自达自己为了区别于传统涡轮增压器，也称之为快速响应式空气供给单元。从形式上判断，这是一套高响应性的机械增压器，从功能上判断，它又不是为了压榨性能而设计的增压系统。

目前市面上的涡轮增压或者机械增压，本质都是为了实现大于物理排量的进气量和喷油量，从而发挥小排量高性能的优势，主要是应对国际上日益严苛的排放法规和排量税。对于SPCCI发动机来说，由于采用了超稀薄燃烧，要实现传统2.0L自然吸气发动机的性能，进气量可能就需要3L到4L，而发动机燃烧室不可能设计到这么大；另外由于燃烧方式实时切换，在相近转速负荷下，进气量可能在瞬间要从1.5L（SI燃烧）切换至3.0L（CI燃烧），单纯依靠节气门的空气模型，是无法实现如此快速的进气变换响应的，涡轮增压系统更不行，所以，必须是一套特殊设计的机械增压系统才有可能实现此功能。还有最重要的一点，在前文提到，HCCI燃烧的区间很狭窄，受到温度和气压的影响很大，即使依靠了SPCCI点火辅助控制，也很难实现广域的CI，所以，必须要对不同海拔、温度的进气量进行控制，就需要用到该机械增压器了。

4.1.4 其他零部件

图28为SKYACTIV-X ECU输入输出示意图，马自达为了实现SPCCI，需要对燃烧状态精确控制，因此相比于普通汽油发动机，传感器种类与数量较多（成本也很高）。如图所示，蓝色为一般汽油发动机拥有的传感器，绿色为SKYACTIV-X发动机特殊的传感器（当然还有一些传感器涉密，没有列入其中），比较特殊的是，为了精确控制进气温度，在不同位置布置了4个进气温传感器；为了监控燃烧室温度，在不同位置布置了3个水温传感器；还有替代普通车型KCS传感器的燃烧压力传感器；检测排气温度的传感器；应对国6B排放的GPF压力传感器等。输出端比较特殊的是电磁离合器和涡流控制阀。电磁离合器就是机械增压系统离合的快速切换装置，和传统机械增压发动机上的类似，这里不做介绍。如图29所示，涡流控制阀为在两个进气门中的某一个设置一个阀，通过控制他的开闭，来实现进气的流动，从而在燃烧室内形成逆时针方向的涡流。当阀完全关闭的时候，在燃烧室内部主要形成涡流，当阀完全打开的时候，燃烧室内部只存在滚流。

通过这些硬件基础，相比较HCCI，SPCCI能够扩大CI的燃烧范围，显著提高了CI燃烧对外界环境、燃料等适应性。但是，SPCCI不是万能的，还有部分领域无法采用SPCCI燃烧，因此SPCCI和SI的协调成为难点，马自达的工程师们用了一套非常复杂的燃烧策略来实现不同工况下的协同燃烧，让SPCCI与SI各司其职，在能耗、性能、排放、可靠性方面获得较理想的结合。

4.2 燃烧策略

传统汽油发动机，比如丰田的最新TNGA架构下的发动机，由于具有双喷射系统、In-VVT、Ex-VVT、EGR、可变燃压、阿特金森循环、奥托循环、分层燃烧、双A/F传感器模型等等，系统已经非常复杂，在燃烧上需要设计的内容非常多。诸如大众的EA888，还需要考虑涡轮增压，控制也会很复杂。但是，相比于SKYACTIV-X发动机，都是小巫见大巫，SKYACTIV-X无论在燃烧的模型的复杂和控制系统的精度要求上远远超过现有的任何一款汽油发动机。这里，我只聊聊最主要的燃烧策略，忽略掉VVT、EGR、涡轮增压器、可变燃压等影响。如图31所示，该图为SKYACTIV-X在不同发动机转速、负荷、温度下的燃烧策略图，基于不同温度下分为3层控制。在水套温30℃以下，进气温25℃以下的冷启动阶段（图中LAYER L1），由于温度变化大且燃烧室内部温度较低，SPCCI燃烧无法稳定的成立，因此采用传统SI燃烧方式，在低转速高负荷的部分工况，采用推迟点火的SI燃烧方式；在水套温30℃到80℃，进气温25℃到50℃的半暖机阶段（图中LAYER L2），在中转速以下，中负荷以下，虽然可以使用CI，但是超稀薄燃烧并不稳定，因此采用化学当量比=1的SPCCI燃烧，在中负荷高转速下，由于性能需求，采用化学当量比小于等于1的的SPCCI燃烧策略；低转速高负荷和高转速区域沿用LAYER L1的燃烧方式；在水套温80℃以上，进气温50℃以上的完全暖机工况下，燃烧策略进一步复杂化，极低负荷下（图中⑥区域）考虑燃油经济性，采用停缸控制逻辑，中转速中低负荷（图中①-1区域）采用化学当量比>1的超稀薄SPCCI燃烧策略，中转速中高负荷（图中①-2区域）采用化学当量比=1的SPCCI燃烧策略，其他区域和LAYER L2或者LAYER L3一致^[4-6]。

下面就来分析下完全暖机状态的各种燃烧策略，如图32所示。具体各个工况下喷射、点火正时与燃烧Pmax示意图如图33所示。

4.2.1 ①-1工况（低负荷中低转速）

如图33和图32所示的区域①-1，当发动机在低负荷和中低转速下时，采用的SPCCI燃烧，该工况是发动机最常用的工况之一，考虑到对负荷要求不高，且此工况为燃油经济性关键工况，化学当量比<1。在此工况下，依靠恰当的喷射喷雾(如图34所示)，喷油器分为多个小段进行喷射，通过喷射运动与燃烧室强烈的涡流，混合气体在燃烧室的中心部分和外围部分分层。喷油结束后，在TDC前的某时刻进行点燃，由于中心部位混合气浓度较高，提高了SI火焰传播的稳定性，通过SI燃烧，CI燃烧在合适的时间开始，参考图33区域①-1Pmax波形图。在SPCCI燃烧国产中，CI燃烧的可控性得到提高。该工况为超稀薄燃烧，燃油经济性极高，热效率极高。

4.2.2 ①-2工况（中负荷中低转速）

同样，随着负荷的提高，当发动机处于区域①-2时，发动机执行与①-1工况类似的燃烧策略，主要区别点在于喷油器在进气行程完成第一段喷油喷射，使混合气均匀的分布在燃烧室中，通过在压缩行程后半段进行第二次喷射，通过燃油汽化潜热降低燃烧室内的温度，从而防止爆震等异常燃烧。一般来说，第一次和第二次喷射的比例在95：5。由于SPCCI对扭矩的调整为质调节，此区域的化学当量比=1。当喷油器在进气行程完成第一次喷射、压缩行程完成第二次喷射后，火花塞周边的混合气化学当量比=0.8~1.0，周围的混合气化学当量比=1.0~1.2。

另外，在工况①中，低负荷下增压器是不打开的，在工况①的相对高负荷下增压器也会适当进行工作，以保证发动机转速相对应的进气量。在其他工况下，增压器都处于打开的状态。

4.2.3 ②工况（高负荷中转速）

随着负荷进一步提高，当发动机处于区域②时候，由于性能需求，化学当量比小于等于1，此时，第一次喷油在进气后半段，在压缩终了的时刻再进行第二次喷射（例如第一次喷射再BTDC280CA）。此时刻下燃烧室四周涡流较强，中心较弱，喷雾在活塞顶面形状下，分为两拨，一拨进入燃烧室四周的涡流中，一拨停留在活塞顶面31的区域（如图35所示）。加入涡流的混合气能够促进CI燃烧，停留在活塞顶面的燃料能够促进SI点火的可靠性。

为了促进性能，在火花塞周围的空燃比小于14.7：1，可介于13到14.7：1之间，不过相对来说，中间区域的混合气作用并不是提高性能，因此设置的较为稀薄，在四周的混合气空燃比介意11：1到14.7：1之间。一般来说，整个燃烧室的混合气空燃比在12.5：1到13：1的性能空燃比之间。

在压缩行程的最后阶段，进行二次喷射，一般为BTDC10CA左右，通过燃料汽化降低燃烧室温度，防止了早燃，一般第一次和第二次喷射的燃料比例约为95：5。

4.2.4 ③工况（全负荷中转速）

③工况为②工况的特殊工况，由于性能需求，且转速较高，从BTDC280CA开始喷射的话，可能需要持续到压缩行程，由于发动机转速过高，在压缩行程末端的第二次喷射无法可靠进行，因此只喷射一次，通过增加喷射量来抑制燃烧室内温度，控制早燃。

4.2.5 ⑤工况（高负荷低转速）

如图32、33的⑤工况，当发动机转速较低时，曲轴转角改变10CA的时间较长，在高负荷低转速下，如果燃料在进气行程和压缩行程的上半段喷射的话，为了保证CI在合适的位置燃烧的话，SI点火需要提前，使得SI燃烧变得困难。因此，在此工况下，不进行SPCCI燃烧，而是传统的SI燃烧。采用了多点喷射，进气行程一次，压缩末端一次，在火花塞周围形成较强混合气，从而促进SI点火的可靠性。为了防止SI点火后气缸内压力升高引起CI，将点火时刻延迟，在膨胀行程中点火，将最高燃烧压力限制在CI界限之下，从而抑制CI燃烧，此工况主要是过渡工况，对性能和燃油经济性要求不高，主要追求燃烧稳定性和NVH性能。

4.2.6 ④工况（高负荷高转速）

当发动机转速较高时，曲轴旋转1CA的时间变短，在此工况下，对燃烧室内的混合气进行分层是很困难的，因此SPCCI燃烧也变得不现实。所以，SKYACTIV-X在整个高转速段采用了SI燃烧而不是CI燃烧。

在此工况下，EGR关闭，涡流控制阀完全打开，不产生任何涡流，只产生滚流，提高了充填效率，降低了泵气损失。在此工况下，空燃比基本处于14.7：1，混合气的过量空气系数可谓化学当量比=1.0+-0.2，当然，在极限性能区间化学当量比<1。在此工况下，由于喷射量大且转速高，喷射时间不足，因此只采用一次喷射，在燃烧室内形成均质的混合气，为了保证燃料混合时间较长，喷射时刻尽可能提前，以减少未燃损失和PM、PN。此工况燃烧策略和普通汽油发动机类似，唯一的不同点在于基础物理压缩比为16：1，所以性能凌驾于传统2.0L发动机。

4.2.7 ⑥工况（超低负荷中低转速）

在图32、33的⑥工况，也就是超低负荷中低转速下，SKYACTIV-X采用的是停缸策略。考虑到泵气损失和热效率，通过将4缸的某两个气缸停缸，将节气门全开，可以显著提高超低负荷下的热效率，并且，与传统汽油发动机不同，此工况下SKYACTIV-X发动机节气门为全开，因此两个不参与做工的气缸的进排气门可以正常工作，而不需要特殊的机构进行断开，节省了这部分结构的成本。在停缸工况下，增压器的电磁离合器也是断开的，不产生机械负荷。

停缸工况有气温限制，当燃烧室的进气温度或者冷却水温低于某一值时，由于低进气温度或低燃烧室温度下燃烧的不稳定性，从舒适性考虑，必须退出此工况。此工况常用于城市怠速，且由于超稀薄SPCCI燃烧，燃油经济性突出。

4.3 其他

其实，马自达在设计此发动机时，考虑到的远远不止这么多，上文介绍的只是比较基础的内容。实际控制策略还有考虑涡流控制阀的开闭状态，增压器的离合区间，VVT的工作，内部EGR和外部EGR的控制策略，阿特金森循环和奥托循环的切换。尤其在整车上不同工况的扭矩衔接，空燃比跨度如此大的情况下如何保证国6排放，这些难题并不是靠推测就能解决的，需要强大的基础研究和验证。

另外，马自达也对SPCCI的理念和相关设计申请了专利，国内外想避开这些专利做压燃发动机也不是容易的事情。马自达在技术宅的路线上越走越远，和转子发动机一样，马自达又一次引领了发动机的革命。