2024年3月16日发(作者：上汽斯柯达小轿车价格)
栏目编辑：刘玺 lx@
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高惠民(本刊编委会委员)
曾任江苏省常州外汽丰田汽车销售服务有限公司技术总监，江苏技术师范学
院、常州机电职业技术学院汽车工程运用系专家委员，高级技师。
马自达创驰蓝天X发动机
SPCCI技术与M-HYBRID 轻混动力系统解析(二)
◆/江苏 高惠民
(接上期)
模式(压燃与点燃)复合使用，因此火花塞始
终点火并无技术和成本上的困难，反而比
其他方式控制起来更方便。
SPCCI燃烧出现两个阶段放热,第一阶
段放热速率比较平缓，是由火花点火和一
定范围内的火焰传播造成的(图18a中SI区
间，马自达称其为“空气活塞”再压缩作用,
来提高混合汽自燃温度)；第二阶段放热速
率很快，是由剩余混合汽同时自燃造成的(图
18a中CI区间)。这种火花辅助点火压缩点
火与混合汽浓度分层控制方法相结合,可以
更好地控制着火时刻以及控制最高放热速
率(因而也控制了最高压升率)等燃烧特性，
也抑制燃烧噪音。另外，在发动机过渡工况
(工况或燃烧模式变化时)，SPCCI可以避
免失火，减小循环波动。由图18b可以看出，
SPCCI燃烧时的NOX排放和指示油耗介于
传统火花点火燃烧(SI)与HCCI燃烧之间。
三、SPCCI技术的控制原理
IV-X发动机燃烧控制
HCCI本来的概念是“自燃”，由于汽
油机燃料挥发性好，易形成均质混合汽，但
其缺点是着火温度高，不易自燃。SPCCI
采用火花点火是一种可快速投入的能量，
如图17所示。当压缩终点的混合汽状态接
近临界着火条件时，瞬间引入的火花点火能
量可使局部混合汽超过临界着火条件从而
开始燃烧。由此产生的温度压力升高又激
发了周围混合汽发生自燃。在残余废气含量
较多的稀薄混合汽中，火花点火虽然不能
产生大面积火焰传播，但在HCCI接近临界
着火状态下火花点火可以提高着火的可靠
性。火花点火是十分成熟的技术，同时考虑
到产业化的 HCCI汽油机可能是多种燃烧
2.压缩比控制
提高压缩比可以提高压缩终点温度，
使汽油混合汽自燃，汽油机若实现压缩着
火一般要将压缩比提高到15～18以上，但
是，能形成低负荷稳定着火的压缩比往往会
引起高负荷时的爆燃。最理想的方法是采
用可变压缩比。SKYACTIV-X发动机运行
中，为了确保高扭矩输出，而将几何压缩比
设为15～16(在欧洲为16︰1)，并且在高负
荷时，通过进气门迟闭，减小发动机的有效
压缩比相对于几何压缩比的允许的降低幅
度，配合SPCCI燃烧切换至SI燃烧。
3.混合汽浓度控制
由着火的基本理论可知，混合汽浓度
在化学计量比附近(λ=0. 8～1. 0)时最易自
(a)示功图和放热率对比； (b)主要性能对比。
图17 用火花点火控制HCCI着火的基本原理图18 三种燃烧方式的对比
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燃着火。为同时保证总体空燃比处于稀混合汽范围，采取形成浓
度分层的稀薄混合汽，即中心区域为λ＜1.0的浓区以使自燃着火
容易，其余区域为λ＞1.0的稀区以使总体空燃比偏稀。与空燃比
相同的完全均质混合汽相比，这种分层混合汽方式不但提高了汽
油HCCI的着火可靠性，而且两区或更多区的顺序着火有利于大
负荷时抑制爆震的发生。当然这种“分层”的思路表面上看有悖
于HCCI原本的“均质”的理念，但实际上在各个区内还是遵循
均质的原则，因而是一种辩证的均质。如图19所示，该图为汽缸
的俯视图。
与目前汽油发动机高滚流比的设计不同的是，
SKYACTIV-X通过一个涡流控制阀实现了高涡流比的设计，这
类似于柴油发动机，混合汽绕着汽缸壁面高速旋转。通过不同时
刻的喷射策略，在火花塞周围形成较浓的混合汽，在其他区域形
成超稀薄的混合汽，通过火花塞点火，形成压力波向四周扩散，
实现压燃。这里，由于燃油雾化和混合时间非常短，对燃油喷射
系统的要求非常高，燃油直喷系统的喷射压力达到了70MPa以
上。另外，为了形成均匀的火核，喷油器也区别于传统汽油发动
机的扇面形状，10个喷孔呈现均匀分布喷射，确保新鲜空气或燃
烧后的废气参与混合。
4.进气控制
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，即使依靠了火花辅助控制，也很难实现广域的自燃，所以
必须要对不同海拔、温度的进气量进行增压控制。用增压的方法
拓展高负荷下HCCI燃烧的运行范围，提高发动机扭矩输出。所以
SKYACTIV-X配置了机械增压器。马自达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。对于SPCCI技术发动
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3～4L，而发动机燃烧室不可能设计
到这么大；另外由于燃烧模式实时切换，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，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。机械增压器由发动机驱动，并且发动机ECU根
据发动机运行负荷切换增压器上电磁离合器通断来控制增压器运
转，增压器工作区域如图20所示。
SKYACTIV-X发动机运行中，废气再循环(EGR)发挥着重
要作用。在发动机较低负荷时，通过内部EGR(减小进排气门重叠
期)，将一部分高温的已燃废气留在燃烧室中，以提高压缩开始和
结束的混合汽体温度，稳定燃烧促进HCCI向低负荷拓展。在发动
机高负荷时，由于燃烧室内残留的已燃废气使压缩开始前的混合
汽温度提高，会造成充量密度降低，膨胀功减小。此时，增大进排
气门重叠期，新鲜空气与被冷却的低温EGR废气混合形成充量，
再经机械增压器增压并冷却进入到汽缸中，残留在燃烧室内的已
燃废气被扫气。而且，低温废气的充量中CO2等和H2O比热容较
大，会降低压缩温度，使自燃时刻推迟，实现HCCI向更高负荷边
界拓展。同时，还可以抑制NOx的生成。
图19 分层燃烧示意图
图20 增压器工作区域示意图
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5.着火时刻控制
活塞式发动机的热效率与燃烧放热时间有关。为使内燃机能
够正常、高效地工作，燃烧放热的时间必须得到控制。燃烧时间通
常指混合汽释放一半热量时的曲轴转角，此时的燃烧放热率非常
接近其最大值。前文提到，HCCI对环境的要求很苛刻，要想时刻
保持理想化的着火时刻和压升曲线是很困难的。由于燃烧具有一
定的时间，理想状态是希望压燃的Pmax(最大燃烧压力)在膨胀
冲程。虽然对于HCCI来说，压燃的临界压力是一样的，但是，当
采用SPCCI技术，在不同的条件下，火花塞点火后压力上升的速
度是不同的，达到临界压力的时间也不同，这会导致压燃的最大
压力(Pmax)时刻不同。
马自达SPCCI技术采用了一套全新的燃烧控制逻辑——自
适应点火正时策略，通过每个汽缸设置了独立的汽缸压力传感器
(CPS：cylinder pressure sensor)，用来解析压缩燃烧的状态，
通过对数据的前馈和反馈，计算出目标压燃发生的时刻(位置)，从
而预估出点火时刻，让燃烧保持在理想的状态。自适应点火正时
燃烧模型如图21所示，燃烧效果图如图22所示，在1 500r/min、
500kPa的工况下，通过点火正时的反馈，在不同的温度下也能够
实现合理的压燃。比如当进气温较低时，系统判断点燃速度较慢，
点火正时的反馈自动让点火提前，最终达到与压燃临界点的时刻
(位置)一致，从而确保合理稳定的压燃。
6.爆震控制
同传统汽油发动机一样，在高温高压的部分工况下，
SKYACTIV-X也面临着爆震问题，尤其是该发动机的物理压缩比
为16，远远高于传统的汽油发动机，必须面对早燃和爆震问题。
虽然从原理上来说，压燃就是爆震，但是若爆震时间不在设计需
要的时刻就会严重损坏发动机。特别是在压缩冲程中，无论如何
也不能发生爆震。解决爆震问题最好的方法就是降低混合汽温
度，也就是减少混合汽升温的时间。假如混合汽都在进气行程喷
射的话，从进气到压缩，混合汽有充分的时间被加热，在压缩过程
中极易被压燃，因此，马自达设计的喷射会在进气冲程中喷部分
燃油，这部分混合汽非常稀薄，不足以被压燃，在压缩冲程中段再
次喷油，这部分燃油在燃烧室内停留的时间较短，还没有被充分
吸热，再经过点燃，形成可控的压燃。如图23所示为多点喷射策
略示意图。
图21 SPCCI自适应点火正时燃烧模型图
图23多点喷射策略示意图
四、SKYACTIV-X发动机的结构
SKYACTIV-X发动机的整体结构如图24所示。
1.进气系统以及机械增压器
图25所示为进气系统布置示意图。
(1)进气管道执行器(节流阀如图26所示)，安装在空气滤清器
与缓冲箱之间，节流阀根据发动机转速和进气温度，调节开度，向
图22 SPCCI燃烧效果图
燃烧室导入新鲜空气的充量。
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图25 进气系统布置示意图
图26 节流阀安装位置影像图
1-发动机整体组成；2-发动机造成；3-活塞；6-喷油器；10-发动机控
制单元；11-汽缸；12-汽缸体；13-汽缸盖；14-连杆；15-曲轴；17-
燃烧室；18-进气端口；19-排气端口；21-进气门；21M-进气门驱动
机构；22-排气门；22M-排气门驱动机构；25-火花塞；40-进气通道；
41-空气滤清器；42-缓冲箱；43-进气管道执行器(节流阀) ；44-增压器；
45-增压器电磁离合器；46-中冷器；47-进气旁通道；48-进气旁通阀；
49-增压系统；50-排气通道；511-三元催化转换器；512-汽油颗粒过
滤器(GPF)；513-下游催化器；52-EGR通道；53-EGR冷却器；54-
EGR阀；55-EGR系统；55-外部EGR系统；55B-内部EGR系统；
56-涡流控制阀；61-燃料供给系统；62-燃油管道；63-燃油箱；64-
燃油共轨；65-燃油；SW1-空气流量传感器；SW2-第一进气温度传感器；
SW3-第一压力传感器；SW4-第二进气温度传感器；SW5-第二压力传
感器；SW6-指示压力传感器(汽缸内)；SW7-排气温度传感器；SW8-
线性02传感；器SW9-入传感器；SW10-水温传感器；SW11-曲轴转
角传感器；SW12-进气凸轮转角传感器；SW13-排气凸轮转角传感器；
SW14-加速踏板位置传感器；SW15-EGR差压传感器；SW16-燃油压
力传感器。
图27 旁通空气阀影像图
图24 SKYACTIV-X发动机的整体结构图
(2)旁通空气阀如图27所示，旁通空气阀切换通往进气歧管
的进气的通道，以避开增压器。 这样在不需要增压时，减少进气
产生的损失。
(3)机械增压器S/C(图28)，采用鲁式机械增压器，特点是单
位时间进气量为定值，线性程度突出，成本低。增压器的功能是充
分满足SPCCI燃烧所需进气充量(新鲜空气+ EGR废气)，同时满
足以下要求。
①引入EGR气体改善热容比，支持大范围稀薄燃烧；
图28 鲁式机械增压器结构图
②控制空气实现稳定连续增压，瞬态响应良好；
③从废气净化角度而言，使用催化器前的热容较小，避免废
气温度下降。
(未完待续)
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