马自达的下一代汽油发动机SKYACTIV-X技术

挑战HCCI技术,2019年将量产SPCCI发动机

2018/06/21

概要

采用SPCCI技术的下一代发动机 SKYACTIV-X
(2017年东京车展展出)

  马自达于2017年8月发布了技术开发长期愿景。其中,马自达宣布,2019年将量产自主开发的SPCCI(Spark Controlled Compression Ignition,点火控制式压燃)发动机。之后,9月、10月举行记者发布会,介绍了这项新技术,并提供车辆试驾,展现了这一高完成度技术。本报告将根据马自达的技术资料,结合我们的判断,对SPCCI发动机的技术进行介绍。

 

SPCCI发动机的技术理念

  理想中的汽油发动机燃烧在学术上称为HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition,均质压燃点火)。SPCCI可以理解为实现HCCI的汽油发动机技术理念。

  SPCCI准确地来说,虽然与HCCI不同,也已充分实现了HCCI带来的性能优势,是将HCCI的理念投入实际应用的技术。通过压燃式点火(CI)燃烧由火花点火(SI)进行控制的设想、实现SI的分层燃烧等技术能力、并且最终实现量产的开发能力可以说是划时代的。 本报告将首先介绍HCCI的特征以及技术难关,其次还将介绍SPCCI发动机的技术理念

  本报告将首先介绍HCCI的特征以及技术难关,其次还将介绍SPCCI发动机的技术理念。

 

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HCCI的特征及技术难关

SIとHCCI燃焼の概念
图 2.1.1 SI与HCCI的概念 (马自达资料)

  HCCI是指均质超稀薄混合气体的压缩点火燃烧,图2.1.1是其概念的示意图。一般的火花点火(SI)燃烧很难进行超稀薄混合气体的火焰传播,容易引起熄火,导致发动机无法运转。

  HCCI通过提高压缩比,对超稀薄混合气体进行压燃点火(CI),缓和爆震,实现超稀薄混合气体燃烧的发动机运转机制。


  超稀薄混合气体是指过量空气系数λ达到2.0及以上的混合气体。







HCCI的技术难关

  图2.1.2、图2.1.3是HCCI技术难关的示意图。

  图2.1.2仅用于了解其概念,精确度不高,但是关键的定量値准确,因此采纳至本报告。横轴是压缩停止后的未燃烧混合气体的压缩温度Tu,纵轴是燃烧后的温度TB,通过图解展示HCCI成立的范围。成立范围用淡绿色表示。HCCI的成立条件非常严格,Tu必须在约1000K、Tb必须在约1500~2000K的范围内。如果超过这一范围,就会造成熄火,或引发剧烈的爆震燃烧,无法产生发动机所需要的燃烧。

  图2.1.3表示改变辛烷值时,燃烧的成立范围。实线是产生剧烈爆震的界限,虚线是产生熄火的界限,实线与虚线之间是HCCI成立的范围。不同辛烷值、或同一辛烷值下燃料成分的不同也会导致燃烧特征的巨大变化。发动机转速提高时,未燃烧混合气体的压缩会缩短高温滞留时间,导致熄火范围扩大。

  由此可知,发动机的循环变化、行驶状态的变化、燃料成分的不同等因素,会对HCCI燃烧特性产生巨大的影响。也就是说,HCCI缺乏鲁棒性是实际应用时需要克服的重大技术难关。

HCCI燃焼の成立性
φ:当量比,是与过量空气系数λ相反的系数
HCCI燃焼の成立性
图 2.1.2 HCCI的成立范围
(出处:HCCI的燃烧效率 太田
www.geocities.jp/bequemereise/comb_efficiency2.html)
图 2.1.3 HCCI的成立范围
(出处:HCCI中自行点火特性相关研究 2007年 柴田)


SPCCI发动机的技术理念

  SPCCI发动机的技术理念由SPCCI技术、燃烧技术、燃烧的切换技术这3项主要技术构成。具体说明如下



SPCCI技术

  SPCCI技术是指如图2.2.1所示,首先通过火花塞进行火花点火(SI),产生膨胀的火焰球,再将未燃气体瞬间压缩后,如图2.1.2所示,将Tu上升至1000°K,形成压燃点火(CI)。这一技术的目的是通过点火控制在HCCI中自燃点火的现象。

  具体来说,处于很难形成CI的发动机运转范围、或使用辛烷值较高的燃料时,提前进行SI,使未燃气体高度压缩。然后,在容易形成CI的状态下,延缓进行SI,人为延迟未燃气体的压缩。也就是说,对SI时机进行控制,从而形成最佳的CI燃烧。

  因此,SI时机的控制通过气缸内压力传感器(CPS)进行反馈控制。详见图2.2.2。例如,进气温度从120℃上升至156℃时,要达到最佳燃烧,所需的CI时机是固定的,因此SI时机需要从BTDC26°CA变化至16°CA。通过气缸内压力反馈控制SI时机,实现精确的CI时机控制。

  该SPCCI技术如图2.2.3所示,扩大HCCI燃烧范围的同时,实现鲁棒性燃烧,打开了通往HCCI实际应用的大门。

SPCCI技术
图 2.2.1 SPCCI技术 (马自达资料)

 

点火时机的反馈控制
图 2.2.2 点火时机的反馈控制 (马自达资料)

 

利用SPCCI扩大CI燃烧范围
图 2.2.3 利用SPCCI扩大CI燃烧范围(马自达资料)


SPCCI发动机:燃烧技术

  接下来的问题是,从图2.3.1下方的燃烧图片可知,过量空气系数λ为2的超稀薄混合气体即使点火成功,也无法看到火焰的扩散,最后火焰消失,这是比较一般的现象。也就是说,超稀薄混合气体即使采用SI,也极有可能像图2.2.1那样,无法生成膨胀的火焰球。

SI点火所产生的火焰传播
图 2.3.1 SI点火所产生的火焰传播 (马自达资料))

 

喷雾引导直喷方式的概念图
图 2.3.2 喷雾引导直喷方式的概念图
(出处:丰田 分层燃烧论文 1998.12)

  SPCCI发动机为了保证超稀薄混合气体的点火,实现分层燃烧。该技术如图2.3.2所示,高燃油压力喷油嘴基本处于燃烧室的中心,火花塞对着喷油嘴设置于进气一侧,燃料朝下方的活塞方向喷射。首先喷射燃料,整体产生超稀薄混合气体,接下来,为了使火花塞周围产生相对浓度较高的混合气体,在点火前进行再次喷油。通过使在火花塞旁边的燃料分层,保证形成SI。

  分层的概念被称为喷雾引导喷射方式。2006年戴姆勒曾在梅赛德斯奔驰CLS350 CGI上采用,为宝马的3系和5系的部分车型配套,目前已停止使用。此次马自达通过控制涡流和滚流等汽缸内的流动方式,以及专注于通过点火形成膨胀火焰球,最终实现了实际应用。

  具体的分层情况如 图2.3.3所示。CI范围内的空燃比 (A/F) 介于30~40,SI范围的A/F介于25~30。为了保证燃烧的稳定性,点火位置旁边的A/F需要保持在20左右。为了兼顾氮氧化物的排放控制,需要考虑气缸内流动、点火时机、多重点火等精密的控制。



分层燃烧
图 2.3.3 分层燃烧 (马自达资料)


SPCCI发动机:燃烧的切换技术

  为了更好地兼顾燃效与功率,如图 2.4.1所示,将发动机的运转范围分为通过SI控制的CI燃烧、以及原有的SI燃烧这2种方式,并进行切换。

  切换的技术也是实现这一技术理念的关键所在,希望今后马自达能对这一技术内容进行介绍。

CI与SI范围的切换
图 2.4.1 CI与SI范围的切换 (马自达资料)

 

 



SPCCI发动机的主要参数与关键技术

  以下将分2个方面,介绍实现上述技术理念的发动机主要参数、以及应用的关键技术。



主要参数

  发动机的主要参数见下表。马自达公布的排量为2L、压缩比为16。压缩比16的情况下,应该不需要更长的冲程,因此BxS应该与SKYACTIV-G2.0规格相同。

  该发动机的发动机舱是其特征。发动机采用胶囊结构,原因应该有两个。一个是通过发动机的隔热改善实际燃效。另一个原因应该是想要隔绝CI特有的爆震音。即使是较为平缓的爆震燃烧,也会存在爆震的现象。

发动机参数
主要参数根据马自达的信息推测
发动机参数
图3.1.1 发动机参数 (右图:Response)



主要关键技术

  以下如图3.2.1,从发动机的外观推测其关键技术。

  1. 高燃油压力的喷射系统技术
      高压燃油泵位于发动机的后端,通过正时链条驱动。泵、油轨、高燃油压力喷油器之间的连接采取高刚性结构。由此,燃油压力相比原先,有很大提高。
  2. Air Supply技术
      要实现超稀薄混合气体的燃烧,必须通过增压提高功率。马自达将这一增压技术称之为Air Supply技术。增压由机械增压器进行,采用伊顿制造的罗茨三叶增压泵式。为了改善爆震,增压后的空气通过水冷式中冷器冷却后,输送至发动机。尤其是在高负荷范围,通过机械增压器进行增压,加大了残留气体的扫气效果,提高爆震的改善效果。
  3. 进气以及排气凸轮采用电动VVT机构。为达到减少低负荷时的米勒循环产生的进排气损耗、控制有效压缩比而改善爆震、控制残留气体使Tu与Tb等最优化目的,对进排气门正时进行精密控制。
  4. 冷却式EGR技术
      一般的EGR吸入部分尾气进行循环,是用于减少氮氧化物排放以及改善热效率的技术。然而,如果直接吸入大量EGR废气进行循环的话,进气温度会上升,对CI燃烧产生不利的影响,并产生爆震问题。冷却式EGR技术在EGR的管路上采用大容量的EGR冷却器,对EGR废气进行冷却,抑制了这些问题的产生。
  5. ISG(Integrated Starter Generator)技术
      将起动机与发电机一体化,主要实现了怠速停止和减速时的能量回收技术。容量为12V规格,从外观看,预计在2~4kW左右,在驱动力的辅助方面不会有太大的作用。起动时或者发电时,皮带的紧边会对换,因此采用双模张紧器。

发动机外观与主要应用技术
发动机外观与主要应用技术
图 3.2.1 发动机外观与主要应用技术 (图片:马自达资料)

 

 



发动机性能

  燃油消耗率性能在实际应用领域,实现与开发中的最新柴油机同等水平的性能。相比现有的SKYACTIV-D,燃油消耗率性能更优异。但是,发动机的极低负荷部分与现有发动机一样,燃油消耗率会大幅上升。如果通过采用48V ISG的混合动力系统来弥补这一范围的话,也许能进一步改善车辆的燃耗。

  功率性能方面,通过采用机械增压器,相比现有发动机改善20%左右。可以看到机械增压器和冷却式EGR对爆震的改善效果十分显著。

发动机性能 发动机性能
图 4.1 发动机性能 (马自达资料)


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关键词
马自达、发动机、创驰蓝天、SKYACTIV、HCCI、SPCCI

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