馬自達(dá)創(chuàng)馳藍(lán)天X發(fā)動機(jī)SPCCI技術(shù)與M-HYBRID 輕混動力系統(tǒng)解析(五)

◆文/江蘇 高惠民

（接2021年第9期）

可變氣門正時實現(xiàn)壓燃點火和火花點火模式無縫切換。SI燃燒模式下需要較低壓縮比。改變進(jìn)氣凸輪正時改變有效壓縮比。進(jìn)氣和排氣凸輪軸都用電動可變氣門正時執(zhí)行器驅(qū)動。如圖60所示。圖61是SKYACTIV-X發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)氣門正時與升程展示圖，進(jìn)氣門21的開閥時期TIVO及閉閥時期TIVC和排氣門22的開閥時期T1EVO及閉閥時期T1EVC，圖中實線表示進(jìn)氣門21的氣門升程曲線121，虛線表示排氣門22的氣門升程曲線221。用曲軸轉(zhuǎn)角設(shè)定氣門重疊期。在關(guān)于進(jìn)氣門21的開閥時期TIVO和排氣門22的閉閥時期T1EVC的所述的例中，隨著負(fù)荷提高，正重疊期將變長。并且，根據(jù)著火方式改變，由壓縮點火（CI）向火花點火（SI）切換，進(jìn)氣門閉閥TIVC期將延遲，調(diào)整有效壓縮比，控制發(fā)動機(jī)爆燃。

圖60 電動可變氣門正時執(zhí)行器驅(qū)動影像圖

五、SKYACTIV-X發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)與控制策略

1.控制系統(tǒng)組成

SKYACTIV-X發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)組成框圖如圖62所示。發(fā)動機(jī)ECU（Engine Control Unit：發(fā)動機(jī)控制單元）10。ECU10是以微型計算機(jī)為基礎(chǔ)的控制器，具備：執(zhí)行程序的中央運算處理裝置（Central Processing Unit：CPU）101、RAM（Random Access Memory）、ROM（Read Only Memory）構(gòu)成并存儲程序和數(shù)據(jù)的存儲器102、以及進(jìn)行電信號的輸入輸出的總線103。

圖61 KYACTIV-X發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)氣門正時與升程展示圖

圖62 SKYACTIV-X發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)組成框圖

圖63是傳感器的位置圖。其中有一個對SPCCI非常重要的壓電式汽缸壓力傳感器SW6，如圖64所示，能對汽缸內(nèi)的壓縮力和燃燒壓力進(jìn)行精確測量。并用它取代爆震傳感器及離子傳感器。重新安裝汽缸壓力傳感器時需要更換O形圈和墊圈。圖65是汽缸壓力傳感器拆裝示意圖。

圖63 SKYACTIV-X發(fā)動機(jī)的位置影像圖

圖64 汽缸壓力傳感器影像圖

發(fā)動機(jī)ECU10基于這些傳感器檢測信號判斷發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)狀態(tài)，計算各設(shè)備的控制量。ECU10將與計算出的控制量相關(guān)的控制信號輸出至噴油器6、火花塞25、進(jìn)氣電動S-VT23、排氣電動S-VT24、燃料供給系統(tǒng)61、節(jié)流閥43、EGR閥54、增壓器44的電磁離合器45、空氣旁通閥48、以及渦流控制閥56。例如，ECU10基于油門開度傳感器SW12的檢測信號和預(yù)先設(shè)定的映射，來設(shè)定發(fā)動機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，并決定目標(biāo)增壓壓力。ECU10基于目標(biāo)增壓壓力和根據(jù)第一壓力傳感器SW3及第二壓力傳感器SW5的檢測信號而得到的增壓器44的前后差壓，并通過調(diào)節(jié)空氣旁通閥48的開度，來進(jìn)行反饋控制，以使得增壓壓力成為目標(biāo)增壓壓力。另外，ECU10基于發(fā)動機(jī)的運轉(zhuǎn)狀態(tài)和預(yù)先設(shè)定的映射來設(shè)定目標(biāo)EGR率、即燃燒室17中的EGR氣體相對于全部氣體的比率。并且，ECU10基于目標(biāo)EGR率和基于油門開傳感器SW12的檢測信號而得到的吸入空氣量來決定目標(biāo)EGR氣體量，基于根據(jù)EGR差壓傳感器SW15的檢測信號而得到的EGR閥54的前后差壓來調(diào)節(jié)EGR閥54的開度，進(jìn)行反饋控制，以使得導(dǎo)入至燃燒室17中的外部EGR氣體量成為目標(biāo)EGR氣體量。SKYACTIV-X發(fā)動機(jī)的目標(biāo)控制程序由圖66例示的模型構(gòu)成。

圖65 汽缸壓力傳感器拆裝示意圖

2.控制策略

SKYACTIV-X發(fā)動機(jī)的運轉(zhuǎn)區(qū)域，如圖67例示發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)區(qū)域映射501、502。發(fā)動機(jī)的運轉(zhuǎn)區(qū)域映射501、502由發(fā)動機(jī)的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速來規(guī)定，相對于發(fā)動機(jī)的負(fù)荷的高低和轉(zhuǎn)速的高低而被分為五個區(qū)域。

圖66 SKYACTIV-X發(fā)動機(jī)的目標(biāo)控制模型組成圖

具體而言，五個區(qū)域是：包括怠速運轉(zhuǎn)且擴(kuò)展到低轉(zhuǎn)速和中等轉(zhuǎn)速的區(qū)域的低負(fù)荷區(qū)域（1）-1；負(fù)荷比低負(fù)荷區(qū)域高且擴(kuò)展到低轉(zhuǎn)速和中等轉(zhuǎn)速的區(qū)域的中負(fù)荷區(qū)域（1）-2；負(fù)荷比中負(fù)荷區(qū)域（1）-2高的區(qū)域且包括全負(fù)荷的高負(fù)荷區(qū)域的中等轉(zhuǎn)速區(qū)域（2）；在高負(fù)荷區(qū)域中轉(zhuǎn)速比中等轉(zhuǎn)速區(qū)域（2）低的低轉(zhuǎn)速區(qū)域（3）；轉(zhuǎn)速比低負(fù)荷區(qū)域（1）-1、中負(fù)荷區(qū)域（1）-2、高負(fù)荷中轉(zhuǎn)速區(qū)域（2）及高負(fù)荷低轉(zhuǎn)速區(qū)域（3）高的高轉(zhuǎn)速區(qū)域（4）。

此處，將發(fā)動機(jī)全部轉(zhuǎn)速區(qū)域中劃分為轉(zhuǎn)速N1=1200r/min左右和轉(zhuǎn)速N2=4000r/min左右。轉(zhuǎn)速＜N1設(shè)為低轉(zhuǎn)速；轉(zhuǎn)速處于N1和N2之間設(shè)為中等轉(zhuǎn)速；轉(zhuǎn)速＞N2設(shè)為高轉(zhuǎn)速。另外，在圖67中，為了容易理解，將發(fā)動機(jī)的運轉(zhuǎn)區(qū)域映射501、502分為兩個來描繪。映射501表示各區(qū)域中的混合氣的狀態(tài)及燃燒方式和增壓器的驅(qū)動區(qū)域及非驅(qū)動區(qū)域。映射502表示各區(qū)域中的渦流控制閥的開度。圖67中的雙點劃線表示發(fā)動機(jī)的道路負(fù)載線（Road-Load Line）。

圖67 SKYACTIV-X發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)映射區(qū)域

發(fā)動機(jī)以油耗的改善和廢氣性能的提高為主要目的，在低負(fù)荷區(qū)域（1）-1、中負(fù)荷區(qū)域（1）-2及高負(fù)荷中等轉(zhuǎn)速區(qū)域（2）中進(jìn)行基于火花點火控制壓縮點火（SPCCI）的燃燒。發(fā)動機(jī)還在其他區(qū)域，即高負(fù)荷低轉(zhuǎn)速區(qū)域（3）及高轉(zhuǎn)速區(qū)域（4）中進(jìn)行基于火花點火（SI）燃燒。以下，關(guān)于各區(qū)域中的發(fā)動機(jī)的運行，參照圖68所示的燃油噴射時刻及點火時刻和燃燒放熱率相對于曲軸轉(zhuǎn)角的變化波形。圖69所示的進(jìn)氣閥的開閥時期和排氣閥22的閉閥時期、以及圖70所示的基于發(fā)動機(jī)負(fù)荷與外部EGR率進(jìn)行的詳細(xì)說明。

圖68 燃油噴射時刻及點火時刻和燃燒放熱率相對于曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線

SKYACTIV-X發(fā)動機(jī)控制策略：參照圖71的流程圖，發(fā)動機(jī)ECU執(zhí)行發(fā)動機(jī)的運轉(zhuǎn)控制策略。首先，在發(fā)動機(jī)啟動后的步驟S1中，ECU讀取各種傳感器SW1～SW16的信號。ECU在接下來的步驟S2中判定發(fā)動機(jī)的運轉(zhuǎn)區(qū)域。例如，ECU在步驟S3中判定發(fā)動機(jī)在“SPCCI稀薄區(qū)域”（即，低負(fù)荷區(qū)域（1）-1）中運轉(zhuǎn)。在該步驟S3進(jìn)入到步驟S8。在步驟S8中，ECU對可變進(jìn)氣門電動驅(qū)動器S-VT23和可變排氣門電動驅(qū)動器S-VT24輸出控制信號，以使得進(jìn)氣門的開閥時期TIVO和排氣閥的閉閥時期T1EVC成為正重疊期在規(guī)定的曲軸范圍之內(nèi)的時刻，且進(jìn)氣門的閉閥時期TIVC成為將發(fā)動機(jī)的有效壓縮比設(shè)為相對于幾何壓縮比的差異為2以內(nèi)的范圍的時刻。而且，ECU對增壓系統(tǒng)輸出控制信號，以使得在低轉(zhuǎn)速區(qū)域中不對進(jìn)氣通路內(nèi)的氣體增壓，且在高轉(zhuǎn)速的區(qū)域中對進(jìn)氣通路內(nèi)的氣體增壓。由此，如前所述，借助基于增壓系統(tǒng)的增壓和非增壓的切換，能夠發(fā)動機(jī)在低轉(zhuǎn)速的區(qū)域進(jìn)行內(nèi)部EGR，并在高轉(zhuǎn)速區(qū)域利用冷卻的低溫EGR與增壓進(jìn)行燃燒室掃氣。在步驟S8中，另外ECU對渦流控制閥（SCV）輸出控制信號將閥關(guān)閉。并且，ECU對噴油器輸出控制信號，以使得如圖68的符號601所示那樣在壓縮行程中進(jìn)行第一噴射6011和第二噴射6012。由此，能夠在產(chǎn)生了強(qiáng)的渦流的燃燒室中形成疊層化的混合氣。在之后的步驟S13中，ECU對火花塞輸出控制信號，以在壓縮上止點前的規(guī)定時刻進(jìn)行點火。由此，發(fā)動機(jī)進(jìn)行SPCCI燃燒。

圖69 進(jìn)氣閥的開閥時期和排氣閥22的閉閥時期示意圖

圖70 發(fā)動機(jī)負(fù)荷與外部EGR率關(guān)系圖

SKYACTIV-X發(fā)動機(jī)每種燃燒模式都有不同的條件，根據(jù)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷和各種環(huán)境條件（溫度、壓力等）切換燃燒模式。按圖67示例發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)區(qū)域映射501、502由發(fā)動機(jī)的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速規(guī)定，可將發(fā)動機(jī)燃燒模式劃分為主要的3種運轉(zhuǎn)區(qū)域，如圖72所示。在運行區(qū)域A/F稀薄SPCCI燃燒模式不滿足要求，執(zhí)行控制以切換到G/F稀薄SPCCI燃燒模式或火花塞點火（SI）燃燒模式。即，第1種：火花點火（SI）；第2種：具有大量廢氣再循環(huán)（EGR）的SPCCI（G/F稀薄，λ=1）；第3種：具有大量新鮮空氣的SPCCI（A/F稀?。篈/F30附近）。第3種區(qū)域非常狹窄，除非水溫和進(jìn)氣溫度高，否則無法實現(xiàn)點火（未達(dá)到CI燃燒溫度）。而在燃油經(jīng)濟(jì)性方面：第3種＞第2種＞第1種。確保燃燒穩(wěn)定性面臨的挑戰(zhàn)及EM性能方面第3種＞第2種＞第1種。

圖71 SKYACTIV-X發(fā)動機(jī)控制策略流程圖

圖72 SKYACTIV-X發(fā)動機(jī)三種燃燒模式燃油經(jīng)濟(jì)性和EM性能比較

（未完待續(xù)）