2 SPCCI提出的故事

馬自達(dá)實(shí)現(xiàn)超稀薄燃燒采用的是馬自達(dá)獨(dú)有專利技術(shù)SPCCI（Spark Controlled Compression Ignition），并依靠這個(gè)技術(shù)首次實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)。下面以故事的角度來(lái)講解下這個(gè)技術(shù)的思想。

2.1超稀薄燃燒的理論驗(yàn)證

2.1.1 預(yù)混合壓縮燃燒（HCCI）

為了實(shí)現(xiàn)超稀薄燃燒，馬自達(dá)做了一個(gè)有意思的試驗(yàn)——超稀薄燃燒極限挑戰(zhàn)試驗(yàn)。如圖6所示，在怠速轉(zhuǎn)速下（750rpm），首先用正常的空燃比，點(diǎn)火時(shí)刻在MBT（最佳點(diǎn)火角）左右，火核形成，火焰正常擴(kuò)散，隨著曲軸角度(CA)的變化，中間的火焰漸漸的擴(kuò)散開(kāi)來(lái)；當(dāng)空燃比調(diào)整至29.4：1后，正常點(diǎn)火，火核形成，但隨著曲軸角度（CA）的變化，火焰無(wú)法傳播，失火。火花塞點(diǎn)火（SI）超稀薄燃燒挑戰(zhàn)失敗。調(diào)整進(jìn)氣量，噴油量、物理壓縮比等參數(shù)，即使空燃比到達(dá)38.8：1，在足夠的壓縮比下，壓燃（CI）是可以實(shí)現(xiàn)的。因此可以得出，經(jīng)過(guò)高壓縮，在高溫、高壓下，壓燃這種燃燒方式是成立的。

2.1.2壓燃燃燒速度優(yōu)勢(shì)

上文中提到壓縮燃燒的可行性，壓縮燃燒（CI）的熱效率明顯高于火花塞點(diǎn)火燃燒（SI），最重要的原因是燃燒速度。如圖7所示，火花塞點(diǎn)火時(shí)通過(guò)火焰擴(kuò)散進(jìn)行燃燒，火焰?zhèn)鞑ビ牲c(diǎn)擴(kuò)散到面，再傳遞至整個(gè)燃燒室，而壓燃點(diǎn)火不局限于某一個(gè)點(diǎn)，而是很多個(gè)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行燃燒，燃燒速度明顯較火花塞點(diǎn)火快。

如圖8所示，壓燃為陡峭的山峰，點(diǎn)燃為平緩的山峰，這個(gè)山峰的高度相當(dāng)于氣缸內(nèi)燃燒壓力， 在同等條件下決定熱效率的關(guān)鍵因素在最大燃燒壓力值上，也就是燃燒室內(nèi)的壓力越大，其推力越大，能夠轉(zhuǎn)化為有用功越多，熱效率也理所當(dāng)然的高了。普通的火花點(diǎn)火下，由于火焰?zhèn)鞑バ枰獣r(shí)間，當(dāng)混合氣充分燃燒時(shí)活塞已經(jīng)從上止點(diǎn)向下運(yùn)行一段距離，燃燒室內(nèi)的空間變大，因此燃燒壓力就降低了，有部分能量被浪費(fèi)。但是壓燃點(diǎn)火下，由于是多點(diǎn)均質(zhì)燃燒，同一時(shí)間燃燒室內(nèi)很多地方同時(shí)自著火，燃燒速度極快，活塞可能只下降了一點(diǎn)點(diǎn)就燃燒完全了，這時(shí)燃燒壓力很大，充分推動(dòng)活塞向下做工，熱效率會(huì)很高。

通過(guò)這兩塊驗(yàn)證，馬自達(dá)認(rèn)為HCCI確實(shí)是實(shí)現(xiàn)理想燃燒的捷徑，一頭扎入了HCCI的世界。但是發(fā)現(xiàn)，這里有很多很多艱難困苦。

2.2 預(yù)混合壓燃點(diǎn)火的挑戰(zhàn)與對(duì)策

前文所述為壓燃的優(yōu)勢(shì)，但是作為燃燒的核心，壓縮燃燒并不是馬自達(dá)提出的，行內(nèi)很早就提出了HCCI（Homogeneous Charged Compression Ignition）預(yù)混合壓縮燃燒的概念。馬自達(dá)剛剛發(fā)布?jí)喝及l(fā)動(dòng)機(jī)的時(shí)候，很多行外人甚至部分行內(nèi)人都不屑一顧，甚至覺(jué)得這就是個(gè)噱頭，食之無(wú)味棄之可惜的雞肋。確實(shí)，HCCI國(guó)外很早就進(jìn)行研究，但是一直停留在試驗(yàn)室階段，到目前沒(méi)有一款量產(chǎn)產(chǎn)品，因?yàn)槠涔こ虘?yīng)用有一些不得不解決的難題。如圖9所示，HCCI（壓燃點(diǎn)火）的適用范圍過(guò)小（轉(zhuǎn)速范圍、空氣負(fù)荷范圍），并且受到外界氣候的制約。比如在低轉(zhuǎn)速、低負(fù)荷下，氣缸內(nèi)溫度不夠?qū)е挛茨軌喝迹辉诘拓?fù)荷高轉(zhuǎn)速下由于燃燒太少，發(fā)生壓燃反應(yīng)的時(shí)間不夠從而失火；在高轉(zhuǎn)速高負(fù)荷下又難以安定的燃燒，容易爆震。

外界環(huán)境-35℃到90℃的變化，大氣壓從海平面1bar到海拔5000m的0.6bar會(huì)讓HCCI的工作范圍變大縮小，因此，為了應(yīng)對(duì)時(shí)時(shí)刻刻的環(huán)境變化，需要有一套對(duì)應(yīng)方案，目前并沒(méi)有機(jī)械結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)。

所以，在沒(méi)有解決這些問(wèn)題下，實(shí)驗(yàn)室吹噓的HCCI并沒(méi)有任何意義，即使它的熱效率能夠達(dá)到恐怖的60%。

圖10是燃燒室內(nèi)溫度對(duì)壓燃的影響，此為馬自達(dá)研究的數(shù)據(jù)。HCCI由于物理?xiàng)l件的局限性，在不同燃燒溫度下，壓燃的表現(xiàn)是截然不同的，比如當(dāng)燃燒室溫度較高，壓燃會(huì)進(jìn)入的較早，燃燒劇烈，振動(dòng)噪音明顯；當(dāng)燃燒室溫度較低，壓燃進(jìn)入較晚，一方面燃燒效率低，一方面燃燒變得不穩(wěn)定，也沒(méi)有實(shí)際意義。馬自達(dá)通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，要想實(shí)現(xiàn)完美的HCCI，必須將燃燒溫度控制在+-3℃，如果不能如此精確控制的話，就會(huì)發(fā)生各種問(wèn)題。但是在世界上的任何地點(diǎn)，任何海拔，從啟動(dòng)到高負(fù)荷都保持一致的燃燒溫度是不可能的。馬自達(dá)不禁思考，如果不能對(duì)燃燒溫度控制的話，能否從壓縮壓力角度來(lái)嘗試呢？

通過(guò)研究，馬自達(dá)發(fā)現(xiàn)控制壓縮壓力也是可行的，可是，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒速度是比較快的，在任何負(fù)荷工況下，若不能實(shí)現(xiàn)瞬間切換壓縮比就不可能精確控制，HCCI的瓶頸就是一套瞬間改變壓縮比的結(jié)構(gòu)。

很多研究機(jī)構(gòu)和主機(jī)廠走到這一步就放棄了，執(zhí)著的馬自達(dá)頂著“技術(shù)宅”的身份并沒(méi)有放棄，甚至開(kāi)始興奮了起來(lái)，因?yàn)樗l(fā)現(xiàn)了一個(gè)可以稱為空氣活塞的東西，核心思想就是雖然沒(méi)有任何物理結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)瞬間壓縮比切換，但是化學(xué)爆炸可以實(shí)現(xiàn)，通過(guò)一個(gè)特殊火花塞點(diǎn)火形成火核，燃燒，在瞬間讓燃燒室達(dá)到壓燃所需要的高壓，壓燃（CI）就實(shí)現(xiàn)了。在這個(gè)設(shè)想下，對(duì)于容易CI的工況就延遲點(diǎn)火，形成小的再壓縮。對(duì)于CI比較難的低負(fù)荷、高轉(zhuǎn)速、低氣溫、低氣壓、高辛烷值燃油的情況，就提前點(diǎn)火，形成強(qiáng)烈的再壓縮，從而保證一個(gè)合理的壓燃（CI）。

SPCCI（Spark Controlled Compression Ignition）火花點(diǎn)火控制壓燃著火橫空出世，從奧林匹斯山上下來(lái) 如同黑夜降臨！