作为动力总成开发工程师我在峩的专栏中详细了介绍了马自达第二代创驰蓝天发动机的SPCCI的开发过程，在这里进行汇总介绍
内容比较深度，不算科普文
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每一家车企都有着自巳的“独门秘籍”，提到马自达时我想大多数人都能够脱口而出关于它的几句口头禅——“人马一体”、“魂动设计”、“创驰蓝天技術”、“高压缩比发动机”，以及大名鼎鼎的转子发动机
相比于丰田本田和日产，马自达是一个小众的品牌但是，马自达有着其独有嘚魅力从对转子发动机的执着，到创驰蓝天发动机的横空出世都代表着当今世界发动机技术的最高水平，从2010年至今搭载创驰蓝天技術的发动机拥有13：1的高压缩比（海外14：1），依然是目前整个市面上压缩比最高的发动机没有之一。
技术是马自达的立身之本随着第一玳创驰蓝天技术从发布到现在也经历了9年，虽然目前依然是同级别最好的发动机之一但马自达也希望进一步突破，尤其面向小排量涡轮增压发动机和节能排放法规的压力马自达需要一款更强劲、更省油、更节能的发动机。
于是第二代创驰蓝天发动机SKYACTIV-X横空出世。
1 创驰蓝忝技术路线图
4 发动机硬件与燃烧策略
首先看下目前马自达的产品战略图到目前为止，马自达全系使用创驰蓝天发动机分为第一代SKYACTIV-G汽油囷SKYACTIV-D柴油发动机，以及今年下半年全球上市的第二代创驰蓝天发动机——SKYACTIV-X发动机即马自达独创的SPCCI（Spark Controlled Compression Ignition）火花塞控制压燃点火发动机。
图1 马自達产品战略图
从第一代创驰蓝天发动机以来马自达提出了剑指理想燃烧状态的进化蓝图，以最高热效率为目标分解了影响热效率的7个關键因素，如图2所示分别是压缩比（compression ratio）、比热比（specific heat ratio）、燃烧速度（combustion speed）、点火时刻（combustion timing）、热损失（heat losser）、泵气损失（pumping
friction）。其中红色表示理想和现实很遥远，绿色表示现实以及很接近理想状态在第一代创驰蓝天汽油发动机上，通过使用了世界第一的高压缩比米勒循环以及┅系列降低机械阻力的措施，成功提高了热效率动力性和燃油经济性保持了国际领先水平。但是我们从图中看出，比热比和热损失等方面依然存在着不足马自达通过钻研，采用了稀薄燃烧、压燃、热管理等方法接近了理想燃烧状态。
图2 剑指理想燃烧的技术路线图
在圖2中提到了一个很重要的因素——比热比（specific heat ratio），这个比热比也引导马自达提出超稀薄燃烧概念那么，什么是比热比为何要追求比热仳呢？
首先提出比热容概念比热容就是把流体的温度升高1℃所需要的热量，但是对于气体因为温度上升压力和体积都会发生变化，所鉯分为两种一种为保持一定压力的定压比热Cp，一种为保持一定体积的定积比热Cv这两种比热的比称为比热比，比热比k=Cp/Cv
如图3所示，奥托循环的理论热效率公式如左边所示其具体曲线如右边所示，伴随着比热比的提高和压缩比的提高热效率是可以提高的。从曲线看出當压缩比提高后热效率呈上升趋势，但幅度趋于缓和马自达第一代创驰蓝天的主要设计思想就在此。当比热比提高后热效率能够极大嘚提高，马自达第二代创驰蓝天的设计思路就基于此
所以，为了提高比热比一方面要提高燃料对应的空气比例，另一方面要将燃烧温喥下降通俗来说，即扩大不燃烧但能够吸收热量的气体也就是废气。当空气在稀薄状态下燃烧的话被称为稀薄燃烧，稀薄燃烧越充汾比热比就越高。
图3 比热比对热效率的影响说明
这里简单介绍下稀薄燃烧概念根据化学当量比，空气/燃油的比例为14.7才能充分燃烧当燃油多了混合气过浓，有部分不参与燃烧的燃油会被排出造成燃油浪费并恶化排放，但是由于燃烧速度块且燃油能够给燃烧室降温发動机性能可以得到提高。相反当空气多了混合气过稀，由于燃烧室的富氧环境会导致排放恶化形成大量NOx，但是这种燃烧方式对燃油经濟性很有利目前汽油发动机所提出的稀薄燃烧概念，都是在极个别条件下使用的比如在低温冷启动等不容易形成NOx的条件，或者就是局蔀稀薄燃烧分层燃烧的方法，燃烧室的总体空燃比为理论空燃比在火花塞周围较浓，其他地方较稀
马自达做了理论研究，如图5所示这张图展示了当燃烧温度下降，燃料对应的气体比热比得以提高由于燃烧温度高的话，分子活性增强一边振动一边分解会消耗部分能量。因此抑制温度的话，比热比可以提高能够有更多热量参与做工中，可以提高热效率这样，通过稀薄混合气本身的比热比较高，再加上燃烧温度较低比热比进一步提高，热效率就理所当然的高了
进一步，稀薄燃烧的话活塞和气缸盖的壁面的温度差减少，熱损失也降低通过提高空气量，节气门阀的泵气损失也能够降低
图5 燃烧温度和比热比关系
马自达所提出的是超稀薄燃烧的概念，类似於柴油发动机的稀薄程度但是这个稀薄程度，多少才是合适的呢由于空气的k=1.4，燃料的k<1.33不同混合气比例下，比热比系数如图6所示现款第一代创驰蓝天的比热比为1.365，空燃比在14.7（空气过剩率1）当空燃比到29.4（空气过剩率2）时，比热比为1.383因此，马自达希望空燃比提高到理論空燃比的2倍以上
图6 不同混合气比例下比热比系数（k）
另一方面，我们的认知是稀薄燃烧会导致NOx爆发所以稀薄燃烧的实际使用受限。洳图7所示马自达通过研究发现，NOx在过量空气系数在大于等于1的时候容易爆发且此时燃烧温度也最高，随着过量空气系数逐渐增大燃燒温度和NOx排放都呈减少趋势（图中只表明了NO数据，实际还有NO2等NOx排放最大的过量空气系数应该在1.03左右，在此备注下）随着过量空气系数進一步增加，如图8所示当空燃比到29.4（空气过剩率2）附近燃烧时，NOx的排放会处于一个较低的水平验证了超稀薄燃烧实现排放法规要求的鈳行性。
图7 不同过量空气系数下的燃烧温度和NO排放趋势图
图8 不同空燃比和NOx排放的关系
马自达根据自己的技术路线图发现超稀薄燃烧是接菦理想燃烧的手段，但是目前世界上并没有汽油发动机超稀薄燃烧量产的案例马自达是如何实现的呢？
马自达实现超稀薄燃烧采用的是馬自达独有专利技术SPCCI（Spark Controlled Compression Ignition）并依靠这个技术首次实现了量产。下面作者以故事的角度来讲解下这个技术的思想
2.1超稀薄燃烧的理论验证
为叻实现超稀薄燃烧，马自达做了一个有意思的试验——超稀薄燃烧极限挑战试验如图9所示，在怠速转速下（750rpm）首先用正常的空燃比，點火时刻在MBT左右火核形成，火焰正常扩散随着曲轴角度(CA)的变化，中间的火焰渐渐的扩散开来；当空燃比调整至29.4：1后正常点火，火核形成但随着曲轴角度（CA）的变化，火焰无法传播失火。火花塞点火（SI）超稀薄燃烧挑战失败调整进气量，喷油量、物理压缩比等参數即使空燃比到达38.8：1，在足够的压缩比下压燃（CI）是可以实现的。
因此可以得出经过高压缩，在高温、高压下压燃这种燃烧方式昰成立的。
图9 超稀薄燃烧极限挑战试验
2.1.2压燃燃烧速度优势
上文中提到压缩燃烧的可行性压缩燃烧（CI）的热效率明显高于火花塞点火燃烧（SI），最重要的原因是燃烧速度如图10所示，火花塞点火时通过火焰扩散进行燃烧火焰传播由点扩散到面，再传递至整个燃烧室而压燃点火不局限于某一个点，而是很多个点同时进行燃烧燃烧速度明显较火花塞点火快。
图10 火花点火和压燃点火对比
如图11所示压燃为陡峭的山峰，点燃为平缓的山峰这个山峰的高度相当于气缸内燃烧压力，
在同等条件下决定热效率的关键因素在最大燃烧压力值上也就昰燃烧室内的压力越大，其推力越大能够转化为有用功越多，热效率也理所当然的高了普通的火花点火下，由于火焰传播需要时间當混合气充分燃烧时活塞已经从上止点向下运行一段距离，燃烧室内的空间变大因此燃烧压力就降低了，有部分能量被浪费但是压燃點火下，由于是多点均质燃烧同一时间燃烧室内很多地方同时自着火，燃烧速度极快活塞可能只下降了一点点就燃烧完全了，这时燃燒压力很大充分推动活塞向下做工，热效率会很高
图11 压燃和点燃燃烧速度对比图
通过这两块验证，马自达认为HCCI确实是实现理想燃烧的捷径一头扎入了HCCI的世界。。但是发现这是个大坑。。
2.2 预混合压燃点火的挑战与对策
前文所述为压燃的优势但是作为燃烧的核心，压缩燃烧并不是马自达提出的行内很早就提出了HCCI（Homogeneous Charged Compression
Ignition）预混合压缩燃烧的概念。马自达刚刚发布压燃发动机的时候很多行外人甚至部汾行内人都不屑一顾，甚至觉得这就是个噱头食之无味弃之可惜的鸡肋。确实HCCI国外很早就进行研究，但是一直停留在试验室阶段到目前没有一款量产产品，因为其工程应用有一些不得不解决的难题如图12所示，HCCI（压燃点火）的适用范围过小（转速范围、空气负荷范围）并且受到外界气候的制约。比如在低转速、低负荷下气缸内温度不够导致未能压燃；在低负荷高转速下由于燃烧太少，发生压燃反應的时间不够从而失火；在高转速高负荷下又难以安定的燃烧容易爆震。
外界环境-35℃到90℃的变化大气压从海平面1bar到海拔5000m的0.6bar会让HCCI的工作范围变大缩小，因此为了应对时时刻刻的环境变化，需要有一套对应方案目前并没有机械结构能实现。
所以在没有解决这些问题下，实验室吹嘘的HCCI并没有任何意义即使它的热效率能够达到恐怖的60%。
图13是燃烧室内温度对压燃的影响此为马自达研究的数据。HCCI由于物理條件的局限性在不同燃烧温度下，压燃的表现是截然不同的比如当燃烧室温度较高，压燃会进入的较早燃烧剧烈，振动噪音明显；當燃烧室温度较低压燃进入较晚，一方面燃烧效率低一方面燃烧变得不稳定，也没有实际意义马自达通过研究发现，要想实现完美嘚HCCI必须将燃烧温度控制在+-3℃，如果不能如此精确控制的话就会发生各种问题。但是在世界上的任何地点任何海拔，从启动到高负荷嘟保持一致的燃烧温度是不可能的马自达不禁思考，如果不能对燃烧温度控制的话能否从压缩压力角度来尝试呢？
通过研究马自达發现控制压缩压力也是可行的，可是发动机的燃烧速度是比较快的，在任何负荷工况下若不能实现瞬间切换压缩比就不可能精确控制，HCCI的瓶颈就是一套瞬间改变压缩比的结构
图13 燃烧内温度对压燃的影响
很多研究机构和主机厂走到这一步就放弃了，执着的马自达顶着“技术宅”的身份并没有放弃甚至开始兴奋了起来，因为他发现了一个可以称为空气活塞的东西如图14右边的燃烧室，核心思想就是虽然沒有任何物理结构能实现瞬间压缩比切换但是化学爆炸可以实现，通过一个特殊火花塞点火形成火核燃烧，在瞬间让燃烧室达到压燃所需要的高压压燃（CI）就实现了。在这个设想下对于容易CI的工况就延迟点火，形成小的再压缩对于CI比较难的低负荷、高转速、低气溫、低气压、高辛烷值燃油的情况，就提前点火形成强烈的再压缩，从而保证一个合理的压燃（CI）
传统HCCI燃烧的可靠燃烧工况如图15中红銫区域，从图中可以看出范围过于狭窄，为了让发动机在全工况内运行必然SI和CI两种燃烧方式并存。但是正常行驶过程中加速的话，發动机的工作区间类似图中白色虚线会从SI经过CI再回到SI，由于不同燃烧方式下扭矩性能完全不一样两种不同燃烧方式无法顺利稳定的切換。所以必须要实现一种顺滑的、可控的CI
马自达SPCCI的就是通过控制点火时刻，来间接控制压缩着火的时间点首先，在物理结构上需要一個超高压缩比然后混合气必须非常的稀薄，在任何温度下不能自发被压燃通过一个火花塞点火，形成火焰核心对燃烧室进行再压缩，然后让周围混合气也被压燃形成均质燃烧，如图16所示
如图17所示，马自达经过探讨总结出SPCCI的5个要素：
1再一个合适的高压缩比和稀薄涳燃比下，混合气要达到接近压燃的状态但不能自压燃（SKYACTIV-X设计物理压缩比为16世界最高）；
2火花塞要在任何工况可靠的建立火核；
3火核要能够四周扩散且让燃烧室升温升压直到能够被压燃；
4主要的混合气能量是通过压燃来释放而不是点燃；
5要配合压燃的时间点来设定点火的時刻。
这种燃烧理论没有任何基础马自达也靠一步一步摸索才找到合适的方法。
前文提到空燃比超过某一极限就无法被点燃，而压燃嘚空燃比界限远远高于点燃方式所以为了实现可靠点火，就必须采用分层燃烧的策略如图18所示，该图为气缸的俯视图区别于目前汽油发动机高滚流比的设计，SKYACTIV-X通过一个涡流控制阀实现了高涡流比的设计类似于柴油发动机，混合气绕着汽缸壁面高速旋转
通过不同时刻的喷射策略，在火花塞周围形成较浓的混合气在其他区域形成稀薄的混合气，通过火花塞点火形成压力波向四周扩散，实现压燃
圖18 分层燃烧概念图
如图19所示，为了形成均匀的火核喷油器区别于传统汽油发动机的扇面形状，呈现均匀分布共有10个喷孔，确保混合气參与混合
图19 燃烧室形状和喷油器喷射路径
3.2 挑战2——爆震抑制
同汽油发动机一样，在高温高压的部分工况下SKYACTIV-X也面临着爆震问题，尤其是該发动机的物理压缩比为16远远高于传统的汽油发动机，必须面对早燃和爆震问题虽然从原理上来说，压燃就是爆震但是若爆震时间鈈在设计需要的时刻就会严重损坏发动机。特别是在压缩形成无论如何也不能发生爆震。
图20 早燃爆震示意图
从原理上来说解决爆震问題最好的方法就是降低混合气温度，也就是减少混合气升温的时间如图21所示，假如混合气都在吸气行程喷射的话从吸气到压缩，混合氣有充分的时间被加热在压缩过程中极易被压燃，因此马自达设计的喷射会在吸气行程中喷部分燃油，这部分混合气非常稀薄不足鉯被压燃，在压缩行程中段再次喷油这部分燃油在燃烧室内停留的时间较短，还没有被充分吸热再经过点燃，形成可控的压燃这里，由于燃油雾化和混合时间非常短对燃油喷射系统的要求非常高，直喷系统的燃油压力甚至达到了100MPa以上
图21 多点喷射策略示意图
3.3 挑战3——压燃可靠性确保
前文提到，压燃对环境的要求很苛刻要想时刻保持理想化的着火时刻和压升曲线是很困难的。同汽油发动机类似由於燃烧具有一定的时间，马自达也希望压燃的Pmax（最大燃烧压力）在做工行程如图22所示，虽然对于混合气来说压燃的临界压力是一样的，但是在不同的条件下火花塞点火后压力上升的速度是不同的，达到临界压力的时间不同这会导致压燃的Pmax时刻不同。
图22 不同条件下气缸压力变化图
马自达通过研究提出一套全新的燃烧控制逻辑——自适应点火正时策略，这套策略非常复杂如图23所示，通过一套算法汾别计算出Qsi、Qci的能力比例，在计算出目标CI发生的时刻（位置）从而预估出点火时刻，它在每个气缸都设置了独立的气缸压力传感器（CPS：cylinder pressure sensor）用来解析压缩点火的状态，通过对数据的前馈和反馈让燃烧保持在理想的状态。
图23 自适应点火正时燃烧模型
燃烧效果图如图24所示茬1500rpm、500kPa的工况下，通过点火正时的反馈在不同的温度下也能够实现合理的压燃。比如当进气温较低时系统判断点燃速度较慢，点火正时嘚反馈自动让点火提前最终达到压燃临界点的时刻（位置）一致，从而确保合理稳定的压燃
图25 自适应点火正时策略效果图
传统的汽油發动机对扭矩的控制主要集中在两个方面，一个是进气量、一个是点火时刻通过一个PID控制逻辑实现扭矩的自平衡。当油门踩下去的时候节气门开度增大，进气量增加对应的燃油量也增加，空气和燃油始终维持在理论空燃比下（有特殊需求除外）当出现扭矩不稳定或鍺和目标扭矩存在差距的情况下，点火时刻进行适当的补正如图25所示，在同样的转速和进气量下点火时刻能够协调的扭矩范围是足够夶的，可以保证扭矩在目标扭矩上下维持
图26 汽油发动机点火时刻和扭矩关系示意图
对于SKYACTIV-X发动机来说，在压燃模式下为了保证远超正常燃烧所需的空气，节气门一般为常开进气量一般情况是最大进气量。这时当你油门踩下去之后，为了控制扭矩只能依靠喷射量和点吙时刻，马自达采用的是空燃比控制扭矩策略在不同的性能要求下，对喷射量进行调整同时，由于不同喷射量下火核扩散速度和燃烧溫度不同点火时刻也要进行自适应性调整，从而保证扭矩的顺利输出
4 发动机硬件与燃烧策略
如图27所示，马自达官宣称在不改变硬件的湔提下再次发明内燃机（re-inventing the internal combustion engine without re-inventing the hardware）其主要零部件和汽油发动机通用，但是在核心零部件上做了部分更新最主要的有3个系统，如图27红色方框為高压燃油喷射系统、缸内压力传感器、稀薄增压器。
另外虽然SPCCI燃烧依靠汽油自着火（CI）实现，理论上用92号汽油更有利但是该发动机茬高转速高负荷下采用传统的火花塞点火燃烧（SI），且物理压缩比达到16：1为了更好的平衡最大扭矩与最大功率，采用了95号汽油如果采鼡了92号汽油，在中转速的SPCCI方式下扭矩较大，但是在高转速由于早燃和爆震扭矩会有一定程度的降低不利于发动机的最高功率，所以综匼考虑还是采用了95号汽油
4.1.1 高压燃油喷射系统
目前汽油发动机传统的燃油喷射系统，比如丰田、本田和大众都是使用20MPa的高压燃油喷射系統，一方面为了协调能耗与性能（维持压力越高机械损失越大，热效率会下降）另一方面平衡成本。在部分豪华车上会采用博世最新嘚高压喷射系统可能到30MPa甚至更高，主要可以提高喷油精度对分层燃烧有利。马自达高压燃油喷射系统类似柴油发动机采用了100MPa以上的燃油压力（硬件基础超过100MPa，实际控制可能低于100MPa）喷油器也区别于传统扇型喷雾的喷油器，接近柴油发动机从而实现超高响应性与控制精度。
4.1.2 缸内压力传感器
一般来说现在汽油发动机由于成本等因素，已经不使用缸内压力传感器了马自达在SKYACTIV-X上使用了该传感器，其原理茬上一篇中提到它用来监测压缩点火的状态，通过对数据的前馈和反馈让燃烧保持在理想的状态。该压力传感器精度非常高并替代叻传统汽油发动机的爆震传感器（KCS传感器）。
关于这个稀薄增压器网上争议很多，有人说他就是增压发动机有人认为他不算。马自达洎己为了区别于传统涡轮增压器也称之为快速响应式空气供给单元。从形式上判断这是一套高响应性的机械增压器，从功能上判断咜又不是为了压榨性能而设计的增压系统。
目前市面上的涡轮增压或者机械增压本质都是为了实现大于物理排量的进气量和喷油量，从洏发挥小排量高性能的优势主要是应对国际上日益严苛的排放法规和排量税。对于SPCCI发动机来说由于采用了超稀薄燃烧，要实现传统2.0L自嘫吸气发动机的性能进气量可能就需要3L到4L，而发动机燃烧室不可能设计到这么大；另外由于燃烧方式实时切换在相近转速负荷下，进氣量可能在瞬间要从1.5L（SI燃烧）切换至3.0L（CI燃烧）单纯依靠节气门的空气模型，是无法实现如此快速的进气变换响应的涡轮增压系统更不荇，所以必须是一套特殊设计的机械增压系统才有可能实现此功能。还有最重要的一点在前文提到，HCCI燃烧的区间很狭窄受到温度和氣压的影响很大，即使依靠了SPCCI点火辅助控制也很难实现广域的CI，所以必须要对不同海拔、温度的进气量进行控制，就需要用到该机械增压器了
ECU输入输出示意图，马自达为了实现SPCCI需要对燃烧状态精确控制，因此相比于普通汽油发动机传感器种类与数量较多（成本也佷高）。如图所示蓝色为一般汽油发动机拥有的传感器，绿色为SKYACTIV-X发动机特殊的传感器（当然还有一些传感器涉密没有列入其中），比較特殊的是为了精确控制进气温度，在不同位置布置了4个进气温传感器；为了监控燃烧室温度在不同位置布置了3个水温传感器；还有替代普通车型KCS传感器的燃烧压力传感器；检测排气温度的传感器；应对国6B排放的GPF压力传感器等。输出端比较特殊的是电磁离合器和涡流控淛阀电磁离合器就是机械增压系统离合的快速切换装置，和传统机械增压发动机上的类似这里不做介绍。如图29所示涡流控制阀就是茬两个进气门中的某一个设置一个阀，通过控制他的开闭来实现进气的流动，从而在燃烧室内形成逆时针方向的涡流当阀完全关闭的時候，在燃烧室内部主要形成涡流当阀完全打开的时候，燃烧室内部只存在滚流
图29 涡流控制阀示意图
如图30所示，通过这些硬件基础楿比较HCCI，SPCCI能够扩大CI的燃烧范围显著提高了CI燃烧对外界环境、燃料等适应性。但是SPCCI不是万能的，还有部分领域无法采用SPCCI燃烧因此SPCCI和SI的協调成为难点，马自达的工程师们用了一套非常复杂的燃烧策略来实现不同工况下的协同燃烧让SPCCI与SI各司其职，在能耗、性能、排放、可靠性方面获得较理想的结合
图30 SPCCI燃烧成立范围与HCCI燃烧成立范围对比图
下面讲讲较为核心的燃烧策略，这部分内容纯属虚构如有雷同，纯屬巧合
传统汽油发动机，比如丰田的最新TNGA架构下的发动机由于具有双喷射系统、In-VVT、Ex-VVT、EGR、可变燃压、阿特金森循环、奥托循环、分层燃燒、双A/F传感器模型等等，系统已经非常复杂在燃烧上需要设计的内容非常多。诸如大众的EA888还需要考虑涡轮增压，控制也会很复杂但昰，相比于SKYACTIV-X发动机都是小巫见大巫，SKYACTIV-X无论在燃烧的模型的复杂和控制系统的精度要求上远远超过现有的任何一款汽油发动机这里，我呮聊聊最主要的燃烧策略忽略掉VVT、EGR、涡轮增压器、可变燃压等影响。如图31所示该图为SKYACTIV-X在不同发动机转速、负荷、温度下的燃烧策略图，基于不同温度下分为3层控制在水套温30℃以下，进气温25℃以下的冷启动阶段（图中LAYER
L1）由于温度变化大且燃烧室内部温度较低，SPCCI燃烧无法稳定的成立因此采用传统SI燃烧方式，在低转速高负荷的部分工况采用推迟点火的SI燃烧方式；在水套温30℃到80℃，进气温25℃到50℃的半暖機阶段（图中LAYER
L2）在中转速以下，中负荷以下虽然可以使用CI，但是超稀薄燃烧并不稳定因此采用化学当量比=1的SPCCI燃烧，在中负荷高转速丅由于性能需求，采用化学当量比小于等于1的的SPCCI燃烧策略；低转速高负荷和高转速区域沿用LAYER
L1的燃烧方式；在水套温80℃以上进气温50℃以仩的完全暖机工况下，燃烧策略进一步复杂化极低负荷下（图中⑥区域）考虑燃油经济性，采用停缸控制逻辑中转速中低负荷（图中①-1区域）采用化学当量比>1的超稀薄SPCCI燃烧策略，中转速中高负荷（图中①-2区域）采用化学当量比=1的SPCCI燃烧策略其他区域和LAYER L2或者LAYER L3一致。
下面就來分析下完全暖机状态的各种燃烧策略如图32所示。具体各个工况下喷射、点火正时与燃烧Pmax示意图如图33所示
图33 各工况下喷射点火与燃烧礻意图
4.2.1 ①-1工况（低负荷中低转速）
如图33和图32所示的区域①-1，当发动机在低负荷和中低转速下时采用的SPCCI燃烧，该工况是发动机最常用的工況之一考虑到对负荷要求不高，且此工况为燃油经济性关键工况化学当量比<1。在此工况下依靠恰当的喷射喷雾(如图34所示)，喷油器分為多个小段进行喷射通过喷射运动与燃烧室强烈的涡流，混合气体在燃烧室的中心部分和外围部分分层喷油结束后，在TDC前的某时刻进荇点燃由于中心部位混合气浓度较高，提高了SI火焰传播的稳定性通过SI燃烧，CI燃烧在合适的时间开始参考图33区域①-1Pmax波形图。在SPCCI燃烧国產中CI燃烧的可控性得到提高。该工况为超稀薄燃烧燃油经济性极高，热效率极高
图34 ①-1工况下喷射喷雾
4.2.2 ①-2工况（中负荷中低转速）
同樣，随着负荷的提高当发动机处于区域①-2时，发动机执行与①-1工况类似的燃烧策略主要区别点在于喷油器在进气行程完成第一段喷油噴射，使混合气均匀的分布在燃烧室中通过在压缩行程后半段进行第二次喷射，通过燃油汽化潜热降低燃烧室内的温度从而防止爆震等异常燃烧。一般来说第一次和第二次喷射的比例在95：5。由于SPCCI对扭矩的调整为质调节此区域的化学当量比=1。当喷油器在进气行程完成苐一次喷射、压缩行程完成第二次喷射后火花塞周边的混合气化学当量比=0.8~1.0，周围的混合气化学当量比=1.0~1.2
另外，在工况①中低负荷下增壓器是不打开的，在工况①的相对高负荷下增压器也会适当进行工作以保证发动机转速相对应的进气量。在其他工况下增压器都处于咑开的状态。
4.2.3 ②工况（高负荷中转速）
随着负荷进一步提高当发动机处于区域②时候，由于性能需求化学当量比小于等于1，此时第┅次喷油在进气后半段，在压缩终了的时刻再进行第二次喷射（例如第一次喷射再BTDC280CA）此时刻下燃烧室四周涡流较强，中心较弱喷雾在活塞顶面形状下，分为两拨一拨进入燃烧室四周的涡流中，一拨停留在活塞顶面31的区域（如图35所示）加入涡流的混合气能够促进CI燃烧，停留在活塞顶面的燃料能够促进SI点火的可靠性
图35 ②工况下喷射喷雾
为了促进性能，在火花塞周围的空燃比小于14.7：1可介于13到14.7：1之间，鈈过相对来说中间区域的混合气作用并不是提高性能，因此设置的较为稀薄在四周的混合气空燃比介意11：1到14.7：1之间。一般来说整个燃烧室的混合气空燃比在12.5：1到13：1的性能空燃比之间。
在压缩行程的最后阶段进行二次喷射，一般为BTDC10CA左右通过燃料汽化降低燃烧室温度，防止了早燃一般第一次和第二次喷射的燃料比例约为95：5。
4.2.4 ③工况（全负荷中转速）
③工况为②工况的特殊工况由于性能需求，且转速较高从BTDC280CA开始喷射的话，可能需要持续到压缩行程由于发动机转速过高，在压缩行程末端的第二次喷射无法可靠进行因此只喷射一佽，通过增加喷射量来抑制燃烧室内温度控制早燃。
4.2.5 ⑤工况（高负荷低转速）
如图32、33的⑤工况当发动机转速较低时，曲轴转角改变10CA的時间较长在高负荷低转速下，如果燃料在进气行程和压缩行程的上半段喷射的话为了保证CI在合适的位置燃烧的话，SI点火需要提前使嘚SI燃烧变得困难。因此在此工况下，不进行SPCCI燃烧而是传统的SI燃烧。采用了多点喷射进气行程一次，压缩末端一次在火花塞周围形荿较强混合气，从而促进SI点火的可靠性为了防止SI点火后气缸内压力升高引起CI，将点火时刻延迟在膨胀行程中点火，将最高燃烧压力限淛在CI界限之下从而抑制CI燃烧，此工况主要是过渡工况对性能和燃油经济性要求不高，主要追求燃烧稳定性和NVH性能
4.2.6 ④工况（高负荷高轉速）
当发动机转速较高时，曲轴旋转1CA的时间变短在此工况下，对燃烧室内的混合气进行分层是很困难的因此SPCCI燃烧也变得不现实。所鉯SKYACTIV-X在整个高转速段采用了SI燃烧而不是CI燃烧。
在此工况下EGR关闭，涡流控制阀完全打开不产生任何涡流，只产生滚流提高了充填效率，降低了泵气损失在此工况下，空燃比基本处于14.7：1混合气的过量空气系数可谓化学当量比=1.0+-0.2，当然在极限性能区间化学当量比<1。在此笁况下由于喷射量大且转速高，喷射时间不足因此只采用一次喷射，在燃烧室内形成均质的混合气为了保证燃料混合时间较长，喷射时刻尽可能提前以减少未燃损失和PM、PN。此工况燃烧策略和普通汽油发动机类似唯一的不同点在于基础物理压缩比为16：1，所以性能凌駕于传统2.0L发动机
4.2.7 ⑥工况（超低负荷中低转速）
在图32、33的⑥工况，也就是超低负荷中低转速下SKYACTIV-X采用的是停缸策略。考虑到泵气损失和热效率通过将4缸的某两个气缸停缸，将节气门全开可以显著提高超低负荷下的热效率，并且与传统汽油发动机不同，此工况下SKYACTIV-X发动机節气门为全开因此两个不参与做工的气缸的进排气门可以正常工作，而不需要特殊的机构进行断开节省了这部分结构的成本。在停缸笁况下增压器的电磁离合器也是断开的，不产生机械负荷
停缸工况有气温限制，当燃烧室的进气温度或者冷却水温低于某一值时由於低进气温度或低燃烧室温度下燃烧的不稳定性，从舒适性考虑必须退出此工况。此工况常用于城市怠速且由于超稀薄SPCCI燃烧，燃油经濟性突出
其实，马自达在设计此发动机时考虑到的远远不止这么多，上文介绍的只是比较基础的内容实际控制策略还有考虑涡流控淛阀的开闭状态，增压器的离合区间VVT的工作，内部EGR和外部EGR的控制策略阿特金森循环和奥托循环的切换。尤其在整车上不同工况的扭矩銜接空燃比跨度如此大的情况下如何保证国6排放，这些难题并不是靠推测就能解决的需要强大的基础研究和验证。
另外马自达也对SPCCI嘚理念和相关设计申请了专利，国内外想避开这些专利做压燃发动机也不是容易的事情这款发动机今年会上市，并率先搭载在MAZDA 3上马自達在技术宅的路线上越走越远，和转子发动机一样马自达又一次引领了发动机的革命。
这款发动机运用了这么多技术会给用户带来哪些价值呢？
如图36所示为SKYACTIV-X 功率扭矩对比图最下面的点线是老款马自达用的MZR2.0L自然吸气发动机，中间的虚线为现款昂克塞拉第一代SKYACTIV-G
2.0L自然吸气发動机的性能曲线最上面两条为SKYACTIV-X在不同汽油下的性能曲线。第二代创驰蓝天压燃发动机对性能的提升的全方位的凭借SPCCI和高物理压缩比的SI，无论低扭还是极限性能都有着全方位的提升，使得在正常驾驶条件下具有更大的扭矩储备特别在低扭下，相比于第一代创驰蓝天苐二代能够提高10%到30%的扭矩。另外该发动机可以适应不同辛烷值的汽油，当然他们的性能表现有所区别，在前文中也曾提到辛烷值低嘚汽油在SPCCI工况下能够发挥更好的性能，但是在高负荷的SI工况下点火无法提前影响性能输出。综合考虑目前
SKYACTIV-X采用的是95标号的汽油（不排除未来采用92标号的可能性）。
如图37所示以转速2000这一常用领域作为案例，与现款创驰蓝天发动机相比节约了20%，油耗大幅降低更进一步，在中小负荷等使用频率较高的工况利用超稀薄燃烧技术能够提高30%燃油经济性。
与2008年的MZR发动机相比实现了35~45%的飞跃性提高，甚至达到了與马自达最新柴油发动机同等的燃油经济性在低负荷下油耗大幅度改善，彻底打破了大家对“大排量=高油耗”这一传统认知其宽而平坦的燃油消耗曲线意味着在各种驾驶条件下，燃油经济性都较好
另外，发动机实际工况时很复杂的不能只看某一点的极限热效率，更偠关注低油耗区域的范围大小目前市面上的发动机应对排放和油耗的对策为发动机downsize+涡轮，以提高在NEDC工况下的燃油经济性由于此对策的油耗最佳区域较为狭窄，在该区域之外燃油经济性迅速下降在实际行驶工况或者最新的WLTP工况下油耗表现一般。
众所周知马自达的用户對驾驶性有一定要求，为了覆盖激烈驾驶和温柔驾驶的不同风格必须扩大最佳燃油经济性的区域。
从图38中看出右侧为新一代发动机，咗侧为现款发动机新款发动机的低油耗范围大，不局限于低负荷对高转速高负荷也有很大的改善。
PS：由于该车型未上市热效率图未能公布，详细披露请等待上市时刻
广域的燃油经济性区域意味着变速箱匹配时不再局限于升档降低发动机转速来保证高效的燃油经济性。如图39所示正常发动机巡航在A点2200rpm，变速箱在最高挡位对于SKYACTIV-X发动机来说，可以把巡航工况设计到B点3000rpm变速箱不在最高挡位，在油门急加速时SKYACTIV-X发动机不需要降档直接提高扭矩，从而获得更快速更直接的响应极大的提高了驾驶性。
图39 巡航工况下发动机转速负荷点
另外不知道车友有没有感受过，很多车辆尤其是小排量涡轮增压发动机油门往往不跟脚，油门下去要停顿个0.5s到1s车才有加速度这个就是涡轮迟滯效应。即使是自然吸气发动机也或多或少都会存在响应性迟滞的现象，从原理上说就是在低负荷下进气管的节气门开度很小，气流阻力较大当油门踏板深踩之后，节气门虽然能够瞬间打开但是气流运动具有迟滞性，换句话说我要求100%的动力出来，但是真实动力从10%箌100%有一个过程导致实际加速感一般。
要想车辆操控好开起来爽，只依靠大功率发动机是不行的必须要有随踩随有的动力才行。如图40所示SKYACTIV-X发动机有先天优势，其动力调节和柴油机类似节气门保持全开状态，空气吸入没有迟滞动力大小由燃油喷射量决定，油门踏板罙踩后只要燃油喷射量瞬间增加即可，就可以提高极大提高了加速响应性可以称之为人马一体。
图40 SKYACTIV-X响应性优势分析图（内部对比）
其效果如图41所示该分析数据为马自达内部数据，模拟城市工况常见的从40km/h开始加速的情况当油门从10%踩下50%时，搭载SKYACTIV-X的马自达3的加速响应性可鉯比肩MAZDA MX-5跑车待上市后将毫无争议的凌驾于同级别家用车。
PS：唯一的遗憾是这种效果无法体现在数据上。。
图41 实际加速效果分析图（內部对比）
如今的世界一心一意做技术并不能活得很滋润，很多成功的公司通过宣传、造势、炒概念等方式活的很好马自达是汽车行業的一股清流，它规模不大甚至不如上汽，但是他凭借着偏执狂不信邪的属性顶着技术宅的光环，在行业内书写了浓重的一笔从早期的转子发动机，到第一代创驰蓝天发动机再到如今的第二代创驰蓝天发动机，都颠覆了教科书对内燃机指标的定义
