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(三)

◆文/江蘇 高惠民

高惠民(本刊編委會委員)

曾任江蘇省常州外汽豐田汽車銷售服務有限公司技術總監，江蘇技術師范學院、常州機電職業技術學院汽車工程運用系專家委員，高級技師。

增壓器使用電磁離合器(圖29)，根據發動機目標扭矩和轉速切換離合器。 如果需要維修，更換離合器總成。

圖29 增壓器電磁離合器影像圖

進氣流動方向如圖30a和圖30b所示。在切斷電磁離合器45時，增壓器44關閉,旁通空氣閥 48為全開。由此，在進氣通路40中流動的氣體繞過增壓器44，即不通過增壓器44和中間冷卻器46，而通過旁通通道47流入到緩沖箱42(如圖30a所示的實線箭頭)，之后被導入至發動機燃燒室17。此時，發動機以非增壓，即自然進氣的狀態運轉；在將電磁離合器45接合時，增壓器44接通，即在進氣通路40中流動的氣體通過增壓器44和水冷增壓空氣冷卻器(中間冷卻器)46之后流入到緩沖箱42(參照圖b所示的實線箭頭)。 此時，當旁通空氣閥48打開時，通過了增壓器44的氣體的一部分從緩沖箱42通過旁通通路 47而倒流到增壓器44的上游(參照圖b所示的虛線箭頭)。這樣的氣體的倒流量根據旁通空氣閥48的開度而變化。進氣通路40內的氣體的增壓壓力能夠根據第二進氣壓力傳感器(增壓器壓力傳感器)的信號，通過旁通空氣閥48的開度調節來控制。

圖30 非增壓與增壓時進氣流動方向示意圖

中冷器結構如圖31所示。在上期文章中進氣系統布置示意圖中我們了解到，該止回閥是一個單向閥，通過管道將曲軸箱油氣送至增壓器軸承區域起潤滑作用。 增壓器工作時，止回閥防止該油氣回流。

圖31 水冷增壓空氣中間冷卻器影像圖

轉速傳感器測量增壓器箱齒輪轉速。齒輪油密封在齒輪箱中。更換齒輪油時，應按照圖32所示將增壓器豎立起來。為防止軸封漏油。

圖32 增壓器齒輪箱機油加注口位置圖

(4)渦流控制閥SCV(SWIRL CONTRGL VALVE)如圖33所示。燃燒室內渦流產生如圖34所示。

圖33 渦流控制閥影像圖

圖34 燃燒室內渦流產生示意圖

SKYACTIV-X發動機的進氣歧管由兩條進氣通路，渦流控制閥56設置于進氣歧管的副通路402上，對副通路402的截面進行節流的開度調節。渦流如圖34中的逆時針方式回旋(也可參照如圖54的空心箭頭)。 當渦流控制閥56的開度小時，從在發動機縱軸方向上排列的第一進氣端口181流入到燃燒室17的進氣流量相對增加，而從第二進氣端口182流入到燃燒室17的進氣流量相對減少，因此，燃燒室17內的渦流變強。 當渦流控制閥56的開度大時，從第一進氣端口181和第二進氣端口182分別流入到燃燒室17的進氣流量大致均等，因此，燃燒室17內的渦流變弱。當將渦流控制閥56設為全開時，不產生渦流。渦流的強度用“渦流比”來表示(“渦流比”是將針對每個氣門升程測定進氣流橫向角速度并積分而得到的值除以發動機角速度所得到的值)。

圖35所示為渦流控制閥56的開度與渦流比的關系。圖35中通過副通路 402的相對于全開截面的開口比率來表示渦流控制閥56的開度。當渦流控制閥56為全閉時， 副通路402的開口比率為0%；當渦流控制閥56的開度變大時，副通路402的開口比率變得大于0%；當渦流控制閥56為全開時，副通路402的開口比率為100%。例如，發動機運轉在SPCCI模式的低中負荷運轉時，渦流控制閥56設為全閉或關閉規定的角度。由此，在燃燒室17中形成渦流比為4 以上6以下的強的渦流。當增強渦流時，燃燒室17內的紊流能量變高，與燃油形成疊層化混合汽。因此，火花點火后，基于火焰傳播的SI穩定化，從而CI燃燒在適當的時刻開始。即，在SPCCI燃燒中，CI燃燒的控制性提高。其結果是，抑制循環期間中的轉矩的偏差，實現油耗性能的改善。同時兼顧了抑制燃燒噪音的產生。

圖35 進氣歧管的副通路開口比率與渦流比關系圖

2.排放(后處理)系統

發動機后部主要是排氣系統，采用處理后再排放廢氣的系統。主要由廢氣再循環(EGR)系統、三元催化與汽油顆粒濾清器(GPF)組成。另外，有害氣體排放系統還包括燃油蒸汽凈化和PCV回收曲軸箱未燃氣體系統。圖36是排放系統組成圖。

圖36 排放系統組成圖

(1)三元催化與汽油顆粒濾清器

三元催化與汽油顆粒濾清器(GPF)如圖37所示。三元催化與汽油顆粒濾清器結合在一起。 汽油顆粒濾清器與柴油顆粒濾清器(DPF)結構相似，如圖38所示， 利用壓差傳感器監測累積速率。 GPF容量比DPF小，再生間隔比DPF長。 SKYACTIV X發動機煙塵顆粒物即PM排放量很小。大多數條件下PM能自發燃燒，因為汽油機廢氣溫度比柴油發動機溫度高。 GPF采用堇青石蜂巢式過濾器,交替阻塞過濾器兩端，過濾器內壁有排列小孔收集顆粒物，然后在車輛行駛時燃燒并清除，圖39所示為GPF廢中氣收集的PM并清除的原理。如果PM量超過規定值，PCM打開顆粒過濾器報警指示/報警燈，并執行自動顆粒過濾器再生，加速PM燃燒和清除。

圖37 三元催化與汽油顆粒濾清器(GPF)影像圖

圖38 汽油顆粒濾清器(GPF)內部結構剖面圖

圖39 汽油顆粒濾清器(GPF)在廢中氣收集、清除PM原理示意圖

如PM量大大超過規定值，PCM閃爍顆粒過濾器報警指示/報警燈，通知駕駛員執行自動顆粒過濾器再生。發動機ECU(PCM)根據累計顆粒物質數量，打開/閃爍/顆粒過濾器報警指示/顆粒過濾器報警燈和發動機故障指示燈，提示顆粒過濾器再生。圖40所示為GPF報警提示程序。

圖40 汽油顆粒濾清器(GPF)報警提示程序圖

汽油顆粒濾清器再生控制分為 ：

①正常行駛顆粒過濾器再生控制

排氣溫度500℃或更高且有空氣，顆粒物被燃燒并消除。發動機排氣溫度高于柴油發動機排氣溫度，在減速停止供油控制同時被燃燒并消除。

②自動顆粒過濾器再生控制

顆粒物累積執行自動顆粒過濾器再生以燃燒和消除顆粒物。自動顆粒過濾器再生控制啟動條件 ：發動機完全預熱(冷卻液溫度：80℃或更高)；車速：20km/h或更快之后(廢氣溫度：600℃或更高)；顆粒物質累計數量：15 200mg或更少(如累計顆粒物數量達到15 200mg或更多，禁用自動顆粒過濾器再生)；行駛時間：約30min(行駛時間根據駕駛條件變化。顆粒物被燃燒并消除后，報警指示/報警燈熄滅)。

顆粒過濾器再生啟動后，累計顆粒物數量約為100mg或更少為止。

③強制汽油顆粒過濾器再生控制

使用馬自達診斷儀執行強制顆粒過濾器再生程序。

執行強制顆粒過濾器再生時，提高怠速并在低濃度A/F條件下延遲點火正時，燃燒和消除顆粒物質。

強制顆粒過濾器再生期間自動操作冷卻風扇高速運轉，完成強制顆粒過濾器再生，待冷卻發動機之后繼續操作5min。

強制顆粒過濾器再生控制執行條件： 發動機完全預熱(冷卻液溫度：80°C或更高)；車輛停止時怠速(未操作油門踏板或離合器踏板)；位于空擋(MTX)或P擋(ATX)；未存儲除P2463以外的DTC強制顆粒過濾器再生控制(繼續再生，直到累計的顆粒物質數量達到100mg或更少為止)。a.保持發動機在2 500r/min以消除顆粒物質，并全速運轉冷卻風扇冷卻發動機；b.繼續再生直到累計的顆粒物質數量達到100mg或更少為止；c.當累計的顆粒物質數量達到100mg或更少時降低至正常速度。如果不符合強制顆粒過濾器再生條件，完成強制顆粒過濾器再生并降低發動機轉速。

(2)廢氣再循環(EGR)系統

如圖41所示。利用GPF凈化廢氣，降低再循環廢氣中部件受到污染。 SKYACTIV X發動機使用外部冷卻低壓廢氣再循環(LP-EGR)系統進行EGR。EGR壓力傳感器檢測EGR閥前后壓差，精確計算再循環廢氣。

圖41 廢氣再循環(EGR)系統部件影像圖

EGR閥采用DC電機、內置位置傳感器。根據PCM電流開啟EGR閥。EGR使用冷卻液冷卻廢氣，降低燃燒室溫度。圖42是EGR閥安意裝位置示圖。

圖42 EGR閥安意裝位置示圖

如文章前面所述，當發動機處于高負荷區域運轉狀態時，使溫度下降后的EGR氣體(已燃氣體)向進氣通路回流導入至燃燒室，這樣一來，將作為非活性氣體的EGR氣體因溫度下降而減小了波及到燃燒室內的熱影響。因此，能夠降低高負荷區域燃燒室的溫度，有利于防止壓縮行程中的過早點火、爆震等異常燃燒以及NOX的產生。另外，EGR氣體的溫度下降，能夠提高導入至燃燒室的氣體密度以提高充量效率。而且，冷卻EGR氣體的導入，即使不依賴于設于進氣通路的節流閥也能夠調節燃燒室內的氧濃度，降低泵損失。在此基礎上，通過抑制燃燒室內的燃燒溫度還能夠降低冷卻損失。改善發動機的油耗。

發動機高負荷區域中運轉時，外部冷卻EGR氣體相對于全部氣體的比例按質量比設為25%以上且35%以下。當質量比超過35%時，SI燃燒變得不穩定，不能再改善發動機的油耗。圖43所示為外部冷卻EGR與發動機負荷以及燃油消耗關系。

圖43 外部冷卻EGR與發動機負荷以及燃油消耗關系

(未完待續)