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節能減碳新對策~小排氣量增壓引擎

節能減碳新對策~小排氣量增壓引擎


自從VW集團於2004年推出2.0L缸內直噴渦輪增壓引擎後,搭載於Golf GTI上,就此引爆一股小排氣量缸內直噴增壓引擎風潮,除了性能因素外,節能意義也相當重大,因此VW集團這具2.0TSI引擎也連續多年獲得全球最佳直四引擎大獎。如今雙B、AUDI都以六缸增壓引擎取代八缸自然進氣引擎,再以四缸增壓引擎取代昔日六缸自然進氣引擎,然而小排氣量增壓引擎風潮並未停歇,VW、FORD、FIAT再接再厲研發1.4L以下的增壓引擎,取代2.4~1.6L自然進氣引擎,首先就VW集團的1.2TSI引擎做初步的剖析。


VW的1.2TSI引擎具備小型水冷交換式Intercooler,兼顧體積、成本與性能表現。

小排氣量增壓引擎於怠速與低負荷狀態,油耗表現優於同馬力的自然進氣引擎,且藉由增壓設計,最大扭力峰值呈現高原式輸出,不但符合節能訴求,在性能方面同樣具有優勢,於是BMW M-Power動力紛紛捨棄高轉速自然進氣引擎,轉而投向渦輪增壓引擎的懷抱。

不過1.4L以下小排氣量引擎因經濟與環保考量,研發目的朝向省油與低成本兩大目標,如果和BMW用於118i的1.6L「雙渦流增壓器+連續可變汽門揚程+雙可變汽門正時+缸內直噴+八速手自排」這種複雜又昂貴的增壓引擎一樣,用於入門小車將不具經濟價值!

目前VW集團的1.2TSI直列四缸單渦輪增壓引擎,已全面取代昔日1.6L自然進氣引擎,具備缸內直噴科技,壓縮比達10.0:1(未使用缸內直噴科技的增壓引擎壓縮比都低於9.0:1),最大扭力可達17.8kgm/1550~4100rpm,扭力峰值與一般的1.8L自然進氣引擎相當,但是在1550rpm時已完全釋放,增壓遲滯現象輕微,低轉速扭力輸出媲美2.0L自然進氣引擎,效能相當優異,但是節能功效出色。以Golf 1.2TSI為例,二氧化碳排放量可達121g/km(6MT版),逼近Golf 1.6TDI柴油動力的水準(119g/km、5MT版)。

不過這具引擎也有「罩門」,為了節省成本,原廠採用SOHC單凸輪軸設計,每汽缸只有雙汽門,換句話說這具引擎的高轉速效能不彰,不適合性能發揮,因此最大馬力僅設定在105hp,和1.5L的自然進氣引擎相當,同時也不適合改裝。不過此引擎乃是針對入門車款研發的經濟+省油的動力系統,因此這個問題也算是「原罪」,因成本考量,不可能面面俱到!


1.2TSI引擎採用單凸輪軸設計,不適合高轉速發揮,最大馬力表現受限。






小排氣量增壓引擎(二)FORD 1.0L EcoBoost


此圖說明這句引擎很小,不是要每一位B-Max 1.0T的車主都去親吻它!

之前談到VW集團的1.2TSI直列四缸渦輪增壓引擎,在缸內直噴科技的加持下,最大扭力為17.8kgm/1550~4100rpm,與一般的1.8L自然進氣引擎相當,應用在車重約1400kg的Golf,依然具備暢快的加速性能,因排氣量小,油耗表現優異,逼近1.6L柴油引擎的水準。可惜因SOHC單凸輪軸設計


「EcoBoost」表示這具引擎具備「缸內直噴+渦輪增壓」等科技

有沒有一具小排氣量引擎,能夠兼顧節能與性能表現?答案是肯定的!那就是FORD 1.0L EcoBoost。目前FORD集團中,只要標上「EcoBoost」,就表示這具引擎具備「缸內直噴+渦輪增壓」等科技,此系列引擎最早問世者,乃是2.0L EcoBoost,目前已配置在國產化的Mondeo,具備240hp最大馬力,搭配六速雙離合器自手排系統,加速性能媲美3.0L~3.5L自然進氣引擎,然而在油耗表現部分,相當於2.0L~2.4L自然進氣汽油引擎的水準,確實達到雙贏局面。

然而原廠在這具引擎上,依然期盼有更大動力發揮的可能性,因此採用直徑偏大的87.5mm活塞,衝程則是83.1mm,未來只要增加衝程設計,排氣量就可以擴增,藉此得到更大的馬力。不過高性能房車並不是FORD的營運主力,但未來極有可能將排氣量更大的EcoBoost引擎,應用在ST系列車款上。

目前FORD集團還有排氣量更大的3.5L V6 EcoBoost引擎,應用在Taurus大型房車、F-150貨卡車,未來將使用在大型廂型車,不過這具引擎目前僅應用在北美地區,並沒有在歐陸出現。歐洲部分,重心漸漸放在排氣量較小的1.6L EcoBoost引擎,目前應用在Focus市售車及Fiesta ST性能版,取代昔日2.0L與2.3L自然進氣汽油引擎。為了降低油耗,同時和VW、FIAT與GM集團的小排氣量增壓引擎抗衡,FORD於是研發1.0L EcoBoost引擎,初期應用在Focus與B-Max。


1.0L EcoBoost引擎初期應用在Focus與新上市的B-Max










小排氣量增壓引擎(三)FORD 1.0L EcoBoost


標示「EcoBoost」就代表這具引擎具備「缸內直噴+渦輪增壓」等科技。

探究FORD最新的1.0L EcoBoost引擎,在於獨特的直列三汽缸設計,具備體積小、重量輕等優勢,適合應用在引擎室很小的短軸距車款上,如強調都會機能的B-Max,事實上B-Max的引擎室最多也僅能塞入1.6L引擎,無法對應更大的動力系統,因此1.0L EcoBoost引擎帶給B-Max一個節能與性能兼具雙贏的局面!


從圖片中不難看出相差120度相位的三汽缸設計,三個活塞的相對位置依然呈現「二上、一下」的不平衡狀態。

理論上三汽缸引擎的運轉平衡性並不優異,然而這主要問題,還是出在傳統180度「一字形排列」的曲軸設計,不但會有較大的點火間隙,二上、一下的活塞動作,也會有上下震動的問題。為了讓三汽缸的點火正時能夠連貫,FORD採用120度排列的三角形曲軸,三汽缸間的點火正時間距都會相等,曲軸的平衡問題也得到解決,運轉更為順暢,如此一來就不會有高轉速上不去的困擾,對性能發揮有相當大的助益。

然而FORD僅解決部分難題!從圖片中不難看出相差120度相位的三汽缸設計,三個活塞的相對位置依然呈現「二上、一下」的不平衡狀態,依然會影響運轉精緻度,然而這並非無解的難題,因為內燃機歷史上,積數汽缸引擎不是第一次出現,如VW集團的15度小夾角V形5汽缸引擎,以及VOLVO之前慣用的直列5汽缸引擎等,所以相關技術並沒有太高門檻,那就是採用「反相平衡軸」設計,來抵銷活塞運動帶來的震動,VOLVO也曾使用特殊的頂置引擎腳,來抑制引擎的左右震動問題。

然而反向平衡軸結構不但會增加引擎的體積與重量,同時也會帶來額外的慣性阻力,影響油耗表現,所以新一代節能引擎儘量採用平衡性較優異的四汽缸設計,如VW的1.2TSI引擎,其他引擎同樣避免使用「反相平衡軸」,多半是以液壓引擎腳或其它設計來對應震動問題。然而這具1.0L EcoBoost引擎的失衡問題比四汽缸引擎嚴重許多,反向平衡軸設計有其必要性,但是聰明的研發人員,應用不平衡式飛輪與舵輪,來取代「反相平衡軸」,消弭三汽缸的震動問題,因此FORD才會對這具引擎感到如此驕傲!

其他科技層面,包含DOHC雙凸輪軸設計,及廣泛應用在其他引擎的進排氣雙可變汽門正時機構、缸內直噴科技,此外還包括可變式機油泵、雙溫控水冷系統(非傳統的單一控溫水龜),確保引擎潤滑無虞,以及工作溫度能迅速提升。此外還有特殊的水冷式排氣頭段,用以降低排氣溫度,避免爆震問題,再搭配低慣性小渦輪,可於1400rpm輸出20.4kgm大扭力,扭力峰值可延伸至4500rpm,呈現高原式狀態,增進加速反應。

此引擎應用在Focus上,最大馬力調校為125hp,搭配六速手排,二氧化碳排放量僅有114g/km,如果是100hp的版本,二氧化碳排放量降低至109g/km,不論是性能或節能表現,都超越Golf 1.2TSI(105hp、121g/km、6MT)。

未來FORD計畫將此引擎壓榨出177hp最大馬力,應用在Focus與Fiesta,藉此取代2.0L以下自然進氣引擎。然而國人暫時無緣接觸到這具特殊的三汽缸引擎,因為目前1.0L EcoBoost引擎僅有五速或六速手排配置,還沒有和Powershift雙離合器自手排結合,加上產能問題,所以暫時僅供應歐洲市場需求,海外市場可能還要等上一年才會有進一步消息!


Focus 1.0T最大馬力為125hp,搭配六速手排,0~100km/h為10.8秒,二氧化碳排放量僅有114g/km。

小排氣量增壓引擎(四)Nissan Micra DIG-S 1.2L米勒循環引擎


之前討論了VW的1.2L直列四缸SOHC渦輪增壓引擎,接著又談到FORD引以為傲的1.0L直列三缸DOHC 渦輪增壓引擎,此兩具引擎的共通點,就是「渦輪增壓+缸內直噴」科技的應用,然而小排氣量增壓引擎只能藉助此兩大科技不可嗎?其實不然!Nissan Micra DIG-S所採用的1.2L米勒循環引擎就是一個例子。


2011年日內瓦車展上,Nissan發表了Micra DIG-S五門掀背車,Micra與March為共用技術平台的雙生車型,在歐洲屬於入門等級小車,然而NISSAN為了打響Micra的名號,因此在配備方面可說是卯足全力!具備可讓停車更方便的PSM(Prking Space Measurement)停車導引系統,共有amateur、normal、expert三種模式。

此外,其他配備如Intelligent Key智慧型鑰匙、觸控式衛星導航+影音系統、速度感應門鎖等也都在配備清單中。至於安全防護部分,也具備高剛性車體,SRS氣囊組、ABS、EBD等,也都是保障乘員生命的最佳設計。

然而Micra除了配備與造型之外,另一項秘密武器就是環保動力。在歐洲,只要該車型符合二氧化碳排放量低於100g/km的標準,就能享有非常多的優惠。以英國為例,二氧化碳排放量低於100g/km的車款可享有免收道路使用稅與進入倫敦的進城(擁塞)費用。

而在法國,購買二氧化碳排放量低於110g/km的車款,則享有400歐元(約新台幣1.6萬元)的購車補助優惠。在荷蘭相關的優惠方案,則是每年可省下約1000歐元的私家汽機車BMP稅,整體來說不但省油也省稅金,一舉兩得!

因此Nissan為Micra量身打造DIG-S 1.2L米勒循環引擎,最大動力可達98hp/14.5kgm,相當於一具1.5L自然進氣引擎的水準,但是二氧化碳排放量僅有95g/km!平均油耗則是24.4km/L,節能功效相當優異。至於此引擎的奧妙之處,請待下回分析。













小排氣量增壓引擎~NISSAN Micra DIG-S 1.2L米勒循環引擎(五)


目前歐洲二氧化碳排放標準在100g/km以下的小車並不多,而且幾乎都是柴油引擎的天下,就算搭載小排氣量汽油增壓引擎的小車,如VW Polo 1.2TSI,依然無法達到「100g/km」的境界,顯然此門檻相當嚴苛,然而Micra DIG-S卻辦到了,而且還能輸出98hp的最大功率,原廠雖然沒有公布手排車款0~100km/h的加速數據,但是從CVT變速箱車款來看,仍有12秒內的實力,且極速可達180km/h,性能方面仍有水準演出,此引擎絕有何過人之處?答案就是「米勒循環」架構!


這具1.2L DIG-S引擎,為了降低慣性與摩擦阻力因此採用直列三缸設計,而非直列四缸,具備缸內直噴科技,再加上機械增壓系統強化性能表現。然而其他小排氣量增壓引擎,安裝渦輪增壓系統後,壓縮比僅能達到10.0:1而已,但是1.2L DIG-S引擎卻達到不可思議的「13.0:1」的境界,比VW集團的自然進氣缸內直噴引擎還高!

然而這箇中奧妙,就在於「米勒循環」架構,其特點在於膨脹比非常大,達到13.0:1的數值,燃燒效能比10.0:1的引擎高出約15~20%,因此這具引擎裝在Micra上得以發揮出95g/km極為優異的低二氧化碳排放表現。

然而這樣高的壓縮比不會產生爆震嗎?答案是會!但此時「米勒循環」設計發揮強大功效,在壓縮行程中,1.2L DIG-S引擎的進氣汽門具備延遲關閉功能,活塞往上走時,部分燃氣被推回進氣歧管,因此這具引擎的實際壓縮比大概只有9.0:1而已,因此不會產生爆震,但是在點火後的膨脹行程中,又能發揮13.0:1的高膨脹比表現,這就是節能與性能兼得的奧秘!

目前採用米勒循環設計的引擎並不多見,除了多數讀者不熟悉的Micra DIG-S之外,還有讀者們耳熟能詳的TOYOTA Prius,只是TOYOTA並沒有特別強調「米勒循環」這個專有名詞罷了!然而米勒循環引擎有沒有缺點?事實上有的,那就是缺乏高轉速爆發力,性能表現受到限制,加上目前專利權在MAZDA手上,因此這種設計的引擎並不普及,但因著優異的節能表現,相信未來會有更多米勒循環設計的引擎問世。


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