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標題: 節能減碳新對策～小排氣量增壓引擎 [打印本頁]

作者: nivek 時間: 2012-3-23 22:07 標題: 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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