馬自達創馳藍天X發動機SPCCI技術與M-HYBRID 輕混動力系統解析(五)

◆文/江蘇 高惠民

（接2021年第9期）

可變氣門正時實現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。改變進氣凸輪正時改變有效壓縮比。進氣和排氣凸輪軸都用電動可變氣門正時執行器驅動。如圖60所示。圖61是SKYACTIV-X發動機配氣機構氣門正時與升程展示圖，進氣門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。用曲軸轉角設定氣門重疊期。在關于進氣門21的開閥時期TIVO和排氣門22的閉閥時期T1EVC的所述的例中，隨著負荷提高，正重疊期將變長。并且，根據著火方式改變，由壓縮點火（CI）向火花點火（SI）切換，進氣門閉閥TIVC期將延遲，調整有效壓縮比，控制發動機爆燃。

圖60 電動可變氣門正時執行器驅動影像圖

五、SKYACTIV-X發動機控制系統與控制策略

1.控制系統組成

SKYACTIV-X發動機控制系統組成框圖如圖62所示。發動機ECU（Engine Control Unit：發動機控制單元）10。ECU10是以微型計算機為基礎的控制器，具備：執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）構成并存儲程序和數據的存儲器102、以及進行電信號的輸入輸出的總線103。

圖61 KYACTIV-X發動機配氣機構氣門正時與升程展示圖

圖62 SKYACTIV-X發動機控制系統組成框圖

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，能對汽缸內的壓縮力和燃燒壓力進行精確測量。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發動機的位置影像圖

圖64 汽缸壓力傳感器影像圖

發動機ECU10基于這些傳感器檢測信號判斷發動機運轉狀態，計算各設備的控制量。ECU10將與計算出的控制量相關的控制信號輸出至噴油器6、火花塞25、進氣電動S-VT23、排氣電動S-VT24、燃料供給系統61、節流閥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的檢測信號和預先設定的映射，來設定發動機的目標轉矩，并決定目標增壓壓力。ECU10基于目標增壓壓力和根據第一壓力傳感器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，并通過調節空氣旁通閥48的開度，來進行反饋控制，以使得增壓壓力成為目標增壓壓力。另外，ECU10基于發動機的運轉狀態和預先設定的映射來設定目標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EGR氣體量，基于根據EGR差壓傳感器SW15的檢測信號而得到的EGR閥54的前后差壓來調節EGR閥54的開度，進行反饋控制，以使得導入至燃燒室17中的外部EGR氣體量成為目標EGR氣體量。SKYACTIV-X發動機的目標控制程序由圖66例示的模型構成。

圖65 汽缸壓力傳感器拆裝示意圖

2.控制策略

SKYACTIV-X發動機的運轉區域，如圖67例示發動機運轉區域映射501、502。發動機的運轉區域映射501、502由發動機的負荷和轉速來規定，相對于發動機的負荷的高低和轉速的高低而被分為五個區域。

圖66 SKYACTIV-X發動機的目標控制模型組成圖

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

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

圖67 SKYACTIV-X發動機運轉映射區域

發動機以油耗的改善和廢氣性能的提高為主要目的，在低負荷區域（1）-1、中負荷區域（1）-2及高負荷中等轉速區域（2）中進行基于火花點火控制壓縮點火（SPCCI）的燃燒。發動機還在其他區域，即高負荷低轉速區域（3）及高轉速區域（4）中進行基于火花點火（SI）燃燒。以下，關于各區域中的發動機的運行，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角的變化波形。圖69所示的進氣閥的開閥時期和排氣閥22的閉閥時期、以及圖70所示的基于發動機負荷與外部EGR率進行的詳細說明。

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角的變化曲線

SKYACTIV-X發動機控制策略：參照圖71的流程圖，發動機ECU執行發動機的運轉控制策略。首先，在發動機啟動后的步驟S1中，ECU讀取各種傳感器SW1～SW16的信號。ECU在接下來的步驟S2中判定發動機的運轉區域。例如，ECU在步驟S3中判定發動機在“SPCCI稀薄區域”（即，低負荷區域（1）-1）中運轉。在該步驟S3進入到步驟S8。在步驟S8中，ECU對可變進氣門電動驅動器S-VT23和可變排氣門電動驅動器S-VT24輸出控制信號，以使得進氣門的開閥時期TIVO和排氣閥的閉閥時期T1EVC成為正重疊期在規定的曲軸范圍之內的時刻，且進氣門的閉閥時期TIVC成為將發動機的有效壓縮比設為相對于幾何壓縮比的差異為2以內的范圍的時刻。而且，ECU對增壓系統輸出控制信號，以使得在低轉速區域中不對進氣通路內的氣體增壓，且在高轉速的區域中對進氣通路內的氣體增壓。由此，如前所述，借助基于增壓系統的增壓和非增壓的切換，能夠發動機在低轉速的區域進行內部EGR，并在高轉速區域利用冷卻的低溫EGR與增壓進行燃燒室掃氣。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行第一噴射6011和第二噴射6012。由此，能夠在產生了強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定時刻進行點火。由此，發動機進行SPCCI燃燒。

圖69 進氣閥的開閥時期和排氣閥22的閉閥時期示意圖

圖70 發動機負荷與外部EGR率關系圖

SKYACTIV-X發動機每種燃燒模式都有不同的條件，根據轉速、負荷和各種環境條件（溫度、壓力等）切換燃燒模式。按圖67示例發動機運轉區域映射501、502由發動機的負荷和轉速規定，可將發動機燃燒模式劃分為主要的3種運轉區域，如圖72所示。在運行區域A/F稀薄SPCCI燃燒模式不滿足要求，執行控制以切換到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（EGR）的SPCCI（G/F稀薄，λ=1）；第3種：具有大量新鮮空氣的SPCCI（A/F稀薄：A/F30附近）。第3種區域非常狹窄，除非水溫和進氣溫度高，否則無法實現點火（未達到CI燃燒溫度）。而在燃油經濟性方面：第3種＞第2種＞第1種。確保燃燒穩定性面臨的挑戰及EM性能方面第3種＞第2種＞第1種。

圖71 SKYACTIV-X發動機控制策略流程圖

圖72 SKYACTIV-X發動機三種燃燒模式燃油經濟性和EM性能比較

（未完待續）