當執(zhí)著的瘋子盯上了HCCI 馬自達Skyactiv-X

　　【太平洋汽車網 技術頻道】在大家都上渦輪增壓的時候，馬自達一直堅持著自然吸氣；在大家都在發(fā)展新能源車的時代，又是馬自達顯得略不合群，還在堅持繼續(xù)將大部分精力放在了研發(fā)內燃機技術。這個“不合群”的品牌有著執(zhí)著的堅持和信仰，而歷史總在告訴我們，堅持著信念的人總會獲得令人驕傲的成功，而這部分人也往往會被人稱作“瘋子”。

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　　創(chuàng)馳藍天第二代發(fā)動機Skyactiv-X引入了HCCI，這也是世界上第一款搭載了HCCI點火的量產發(fā)動機，馬自達決定在2019年正式量產Skyactiv-X。

　　HCCI（Homogeneous Charge Compression Ignition）的全稱翻譯過來是“均質充量壓燃”。

　　無論出于一個企業(yè)的社會責任心還是政策原因，這個問題都成了每個汽車企業(yè)都需要急需考慮的。所以有的企業(yè)選擇了油電混合驅動、有的企業(yè)選擇了純電驅動、有的企業(yè)采用了新的燃料作為汽油柴油的替代燃料等等，而馬自達選擇的HCCI（均質充量壓燃）也是其中一種節(jié)能減排的解決方案。

　　HCCI除了能實現較高的壓縮比和比熱比，還能完全和快速地燃燒稀薄混合氣，實現多點大面積同時壓縮著火，沒有傳統(tǒng)火花塞點燃的火焰?zhèn)鞑ミ^程，所以壓縮點火可以在極短的時間內完成燃燒放熱，以提高發(fā)動機效率。而火花塞點火式發(fā)動機有火焰?zhèn)鞑サ拿黠@時間延遲。

　　可以說，HCCI是一種非常理想燃燒模式。

　　要知道HCCI在汽油發(fā)動機上很難實現穩(wěn)定燃燒。因為燃燒的氧化反應過程比較復雜，從氧化反應開始到點燃混合氣會有一段從冷焰到熱焰的著火延遲，這個著火延時取決于溫度、壓力和濃度，因為不同的駕駛條件下，壓縮沖程中存在的溫度和壓力的變化，所以HCCI的著火時刻不易控制。

　　從圖片上可以看到，HCCI燃燒的轉速和負載區(qū)間較窄，只在中等低轉速下HCCI工作效果最佳。在在上圖藍色范圍之外，燃燒不穩(wěn)定且難以控制。所以由此我們可以知道：在HCCI可工作范圍以外的轉速和負荷下需要采用火花塞點火，以保證發(fā)動機正常工作。于是問題來了：如何無縫銜接這兩種點火方式？

　　因為傳統(tǒng)的火花塞點火和HCCI點火對缸內溫度、空燃比、EGR的要求均不一樣，需要發(fā)動機在不同工況下、來回切換點火模式非常困難。

　　是的我們上面提到，傳統(tǒng)火花塞點火與HCCI點火之間對溫度、空燃比、EGR等的要求互相矛盾，這兩者切換之間所處的狀態(tài)難以實現任何一種點火，于是馬自達便想到了應用人為手段去為壓燃創(chuàng)造條件，也就是通過火花塞輔助點火來提高氣缸內的壓力和溫度。

　　為了讓火花塞點火和HCCI點火之間能更好地過渡，馬自達引入了火花塞輔助點燃的模式，利用火花塞點火輔助可以提高HCCI的點火能力，更好地控制混合氣著火時刻，同時也讓氣缸內著火有很好的穩(wěn)定性。這個利用火花塞點火輔助的壓燃方式被馬自達命名為SPCCI。

　　SPCCI是通過在壓縮行程的過程中，先使用火花點燃一小部分混合氣，這部分混合氣爆炸并膨脹，為缸內創(chuàng)造接下來壓縮自燃所需的壓力和溫度（但在活塞未到達上止點時混合氣仍保持在自燃程度以下，如何控制這一舉動下文我們會解釋），當活塞繼續(xù)向上運行，直到到上止點時，缸內其余的混合氣通過壓縮同時被點燃。

　　所以本質上SPCCI雖然有火花塞的介入，但是火花塞點火僅僅作為為壓燃創(chuàng)造條件的輔助手段，而且我覺得不需要糾結這是不是存在了火焰?zhèn)鞑?，你需要知道的是，Skyactiv-X發(fā)動機最終在SPCCI點火模式下，大部分的混合氣還是通過多點大面積點燃，同時還保持了整體放熱速率較高的水平。而Skyactiv-X則可以在大部分時候使用到的是SPCCI點燃，小部分區(qū)域可以實現HCCI。所以我們可以認為，馬自達確實不僅將HCCI點火這個技術實現了量產，還將壓燃的范圍擴大至了更大的區(qū)域。

　　為了實現SPCCI，馬自達更新了發(fā)動機上一些硬件，包括新型活塞頭設計和超高壓燃油噴射系統(tǒng)，以幫助混合氣以及旋渦形狀的形成，以及采用了高響應的空氣供給裝置，可以引入大量空氣，同時配合氣缸壓力傳感器等來精確控制發(fā)動機，值得一提的是Skyactiv-X還搭載了輕度混合動力系統(tǒng)，或許是用于發(fā)動機啟停作用的。Skyactiv-X控制邏輯看起來相當復雜，但與以前實現HCCI的那些概念來說，復雜性降低了很多。下面我就具體介紹一下Skyactiv-X發(fā)動機的部分重要細節(jié)。

·控制空氣燃料混合物以防止異常燃燒

　　因為SPCCI需要非常高的壓縮比，高壓縮比使壓縮點火更容易實現，但它也增加了過早壓縮點火的可能性，這可能會嚴重損害發(fā)動機，發(fā)動機需要在保持高壓縮比的同時，防止在燃燒過程中發(fā)生壓縮著火，所以馬自達為Skyactiv-X引入了分段燃油噴射、超高壓燃油噴射系統(tǒng)和缸內壓力傳感器。

　　１.分段燃油噴射

　　為了防止在壓縮稀薄的油氣混合氣中出現不正常的燃燒，SPCCI采用了分段式燃油噴射系統(tǒng)，其中一小部分燃油在進氣過程中噴入，形成低密度稀薄混合氣，而更多的另一部分在壓縮過程中噴入。這不僅讓SPCCI更好實現點火，還有效控制了混合氣的異常燃燒。

　?。?超高壓燃油噴射系統(tǒng)

　　為了盡可能地縮短壓縮沖程的時間以及使壓縮點火更加高效，燃料快速的霧化以及油氣混合氣更快地形成非常重要。于是馬自達采用了超高壓的噴油系統(tǒng)，噴油油壓達到1000bar，這能夠使得汽油瞬間霧化，同時產生強大的湍流，大大提升點火穩(wěn)定性和燃燒速度。

　?。?采用缸內壓力傳感器
　　除了采用上文所說的防止不正常燃燒的技術外，Skyactiv-X還采用了缸內傳感器作為監(jiān)測控制，將其與目標配置文件進行比較，通過不斷觀察噴射、點火等數據，發(fā)現噴油、點火等是否給預期結果帶來了適當的燃燒，并對任何偏差進行實時補償，確保持續(xù)優(yōu)化燃燒。

·新型活塞頭：

　　除了有良好的霧化效果，缸內氣體流動形式也是決定混合氣燃燒速度的要點之一，Skyactiv-X采用了新型的活塞頭，讓氣缸內的混合氣形成漩渦狀，使氣體更好地被壓縮燃燒。

·機械增壓器：

　　這個小型的機械增壓器可以施加最大約0.5bar的壓力，這個增壓器作用并不是為了給發(fā)動機增加多少的馬力，而是為了提高效率用的。增壓系統(tǒng)為氣缸帶來更多的空氣，即使在較高的發(fā)動機轉速下也能保持混合氣足夠稀薄。這個增壓器是離合式的，在較低的發(fā)動機轉速下可以解耦，避免空燃比變得過于稀薄。

　　在馬自達官稿中表示： 壓縮點火使得超級稀薄燃燒成為可能，與現款創(chuàng)馳藍天汽油發(fā)動機“SKYACTIV-G”相比，“SKYACTIV-X”最大可縮減20%～30%的油耗。 SKYACTIV-X的燃油效率甚至等于或超過最新的SKYACTIV-D柴油發(fā)動機。

　　SKYACTIV-X油耗雖然降低了，但是燃油經濟性并不是對動力妥協(xié)換取而來的，反而在動力上還有了很大的進步，不管是最大功率還是最大扭矩，都有所上升。

 　　馬自達的追求是“造世界上最好的內燃機”，但在這個新能源車早已被視為“未來”的時代，這樣的追求是否會被認為是在為內燃機做最后掙扎呢？并不，HCCI的或許可以說是內燃機的救命稻草。同時，馬自達的布局并不是我們想象中的這么簡單，可能在與豐田的合作中，我們會看到SKYACTIV-X更加高光的時刻，拭目以待吧~（圖/文：太平洋汽車網 遲東寧）