3 挑战与对策
传统HCCI燃烧的可靠燃烧工况如图11中红色区域，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，发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换。所以必须要实现一种顺滑的、可控的CI。
图11 HCCI工作范围（图片来自马自达技术报告）
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。如图12所示，首先，在物理结构上需要一个超高压缩比，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。
图12 SPCCI工作示意图
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空燃比下，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15-16）；
2火花塞要在任何工况下可靠的建立火核；
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时刻。
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。
3.1 挑战1——SPCCI工作火核形成
前文提到，空燃比超过某一极限就无法被点燃，而压燃的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13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。
图13 分层燃烧概念图
如图14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，确保混合气参与混合（详细燃烧控制策略下下一节）。
图14 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，尤其是该发动机的物理压缩比为15-16，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，但是若爆震时间不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15 早燃爆震示意图
从原理上来说，解决爆震问题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。假如混合气都在吸气行程喷射的话，从吸气到压缩，混合气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，不足以被压燃，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。
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，由于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，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。
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16所示，通过一套算法，分别计算出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（详细燃烧控制策略见下一节）。
图16 自适应点火正时燃烧模型
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，点火正时的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。
3.4 扭矩控制
传统的汽油发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者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17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大的，可以保证扭矩在目标扭矩上下维持。
图17 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，当油门踩下去之后，为了控制扭矩，只能依靠喷射量和点火时刻，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温度不同，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。