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马自达让HCCI火了，更高一级的RCCI还会远吗？

本文是雅斯顿原创分享文章

撰文 volador

马自达又将汽油机热效率推向了新高度。如果一切顺利，他们将会在10月份的东京车展上发布搭载HCCI发动机的新一代马自达3，据称这项技术加持下油耗将会降低30%，在BSFC值（比油耗）300~400区间，HCCI发动机热效率将接近50%。此前丰田全新的“Dynamic Force Engin”直列四缸2.5L直喷发动机通过采用高速燃烧、可变控制系统等一系列技术手段可算是把热效率冲到了40%（汽油版），马自达一出场顿时让它黯然失色。

HCCI按理说在20世纪70年代就已经被提出，但一直是实验室的产物，本以为马自达要憋大招等到十月份才公布这项技术的原理，可就在近期他们公布了其最新的SPCCI技术，给我们解开了谜题，马自达称它为SPCCI“火花塞控制压燃”发动机，简单理解就是他们在HCCI基础上使用了SI（火花塞）。

HCCI为什么要火花塞？

火花塞和HCCI有什么关系，为什么要特意提及这个在汽油机上再普遍不过的零件？这个问题还要从HCCI的原理提起，复杂的原理解释此前各方报道已经较详细了，这么我们挑重点说。

HCCI (HomogeneousCharge Compression Ignition)的学名叫作"均质充量压燃"，大家重点落在均质和压燃上面就行，均质燃烧并不少见，汽油机都是用的这个手段，压燃燃烧同样不稀有，柴油机都这么玩，所以均质压燃我们可以简单理解为是一种中和了汽油机和柴油机的燃烧方式。

结构自然要跟着原理发生改变，与汽油机相比，HCCI不需要节气门和火花塞，由于具备柴油机压燃的特点，可以将混合气多点同时着火，燃烧时间短而充分，热效率能逼近柴油机；而与柴油机相比，又由于混合气是近似均匀的，不像柴油那般“粘稠”，这又使其燃烧火焰温度低，氮氧化物和碳烟排放较少。

一切看起来都很完美，但问题同样尖锐，HCCI除了是"均质充量压燃"外，它还属于低温燃烧技术，由于取消了火花塞只能通过压燃方式点火，在冷启动下点火成功率会下降，特别是环境恶劣情况下这种问题就更明显了。

另外，我们知道柴油机的燃烧相位是依靠喷油时刻来控制，汽油机的燃烧相位则依靠火花塞点火时刻来控制，而低温预混合燃烧的燃烧相位则由混合气性质、温度和压力共同决定，简单理解就是由于需要参考的变量太多，HCCI燃烧时机把握很困难，当发动机转速过低的时候，常常会因低温导致点不着火。

而转速过高的时候则常常会因为点燃时间过短出现失火，在压力较高的区域则容易出现爆震。问题很明显，但一直没能找到很好的控制手段来解决这个问题，好在SPCCI“火花塞控制压燃”出现了。

SPCCI可以理解为利用火花塞当作控制开关，在局部范围内就像一个小活塞，能够影响到压燃的临界时刻，这相当于在高温时气缸中有一部分时间是可控的，低温时则能帮助点火。

通用早年也采用过这项技术

HCCI+SI（火花塞）并不是马自达首先想到的，其实通用早在2008年就采用过这个策略，并且造出了HCCI-SI发动机原型车（土星），原理和上文类似。至于通用为什么没有继续下去，据称是因为发动机振动太大，结构复杂导致的，当然还应该有一点，HCCI技术多少带有柴油机的特性，所以需要很高的压缩比才行。

为什么马自达成了，可能是因为深耕自然吸气发动机多年的他们对提高压缩比很在行，第一代创驰蓝天技术的重要特点就是高压缩比，而据称第二代创驰蓝天发动机将会把压缩比提高到18:1，这在汽油机上是极其少见的。

RCCI又是什么？

但是HCCI运行范围狭窄也是很大的问题，按此前通用工程师的说法，在1700~3200 rpm之间才能发挥功效，高转速区间范围用处不大。也有研究提出可将HCCI发动机应用于混合动力，HCCI发动机仅工作于经济性最佳的一个点。马自达倒是没有采用这个方式，而是新增了一个空气供应装置，提升气缸的填充率和压力，也因此扩大了HCCI发动机的工作范围。

其实马自达做了这么多，无外乎是想要解决燃烧相位不可控、运行范围窄等问题。他们现在所用的这套方案值得称赞，但其实业内还有另一套方案解决这个问题，这就是RCCI（燃油反应活性控制压燃技术）技术。

为解决HCCI运行范围窄问题，威斯康星大学发动机研究中心研究员提出采用双燃料的方法来扩展 HCCI运行范围：使用缸内混合的方法，燃料整体的活性可以在循环的基础上调整，通过调整汽油、柴油的喷射量，以最优比例协调发动机的转速和负荷变化。

具体来说，RCCI 发动机需两套喷射系统，一套PFI 气道喷射系统，将低反应性、易挥发的燃料喷入气道，如汽油、乙醇等，在进气过程中实现燃料和空气预混。另一套是 DI 缸内直喷系统，在压缩行程早期将高反应性燃料直接喷入气缸，如柴油、添加少量十六烷值添加剂的汽油等，与缸内的均匀混合气混合，使充量具有一定的活性分层。

在满足一定条件（温度、压力、当量比）时，高活性区域首先着火，开始燃烧放热过程。通过调整汽油与柴油的比例，就调节了缸内燃料的当量十六烷值，从而实现控制燃烧相位的目的。正是因其有控制燃烧相位的能力，相对于现有预混合燃烧的区域，RCCI的实现区域要宽得多。

所以说RCCI技术需要配备双燃料系统，这还不算困难，毕竟现在市面上已经存在双燃料汽车了，而其所使用的两条喷射系统也并非特别独特，属于已经具备的技术，所以在这方面的成本也还能接受。但是因为燃烧温度较低（RCCI也属于低温预混合燃烧技术之一），排气温度同样略低于传统柴油机，对后处理氧化催化器的低温处理要求更高。

此外，威斯康星大学还研究发现在最佳的燃烧管理策略和热力学条件下，RCCI发动机的指示热效率可以达到将近60%。

RCCI也并非完美

但这项技术也并非完美，一方面，进气道喷射的混合气进入缸内时空间狭小，造成这部分的混合气燃烧不完全，相对于传统柴油机而言，CO和HC比较高，同时还影响其燃烧效率。另一方面，燃烧温度较低，排气温度同样略低于传统柴油机，对后处理氧化催化器的低温处理要求更高。

此外，虽然在中低负荷时RCCI可以在缺少EGR的情况下就实现NOx和soot的超低排放，且能保证较高热效率和平稳工况。可当负荷逐渐增加，又要保持较好的排放性能，那么PFI喷油所占据比例势必增加，进而导致混合气压缩燃烧时发生类似于汽油机爆震的状况，压力升高率急剧上升、压力波动加剧，燃烧粗暴而不稳定。而且由于RCCI技术限制，通常来说RCCI发动机较大。

雅斯顿小结

虽然RCCI也有缺点，但是在燃烧相位控制和运行范围上有着明显优势，同时也因其高温工作粗暴、体积大等问题，研究还主要集中在柴油机中，但马自达都将HCCI用在汽油机上了，RCCI未必不可能。

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最后更新：2017-08-24 17:09:36

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