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作者:徐業良(2010-03-12);推薦:徐業良(2010-03-12)
附註:本文發表於汽車購買指南雜誌,2010年四月號,史丹福專欄。

淺談汽車引擎排放廢氣的再利用

在汽車購買指南寫了二十幾年文章,史丹福專欄也寫了十幾年了,不曉得自己算不算「資深」。寫了這些年來汽車科技發展的潮來潮往,覺得汽車科技似乎也像所有的流行風潮一樣有一定的循環,類似的技術或概念每隔五年十年,便會以不同的目的、不同的包裝,在汽車上重新出現。

舉個例子給您聽,汽車引擎排放廢氣的再利用,這兩年又捲土重來,成為汽車引擎新科技。

您知道,汽車上使用了一百多年的內燃機引擎,其實是出了名非常沒有效率的機器。即使過去幾十年來拜電子科技快速進步之賜,汽車工程師使用各種先進的感測器和控制技術來改進引擎效率,內燃機引擎效率大約也只能達到35%,意思是說汽車引擎燃燒燃料所產生的熱能,只有35%被轉換成為有用的機械能來推動汽車,三分之二的能量都浪費掉了。

實在挺不划算的,您每次在加油站花錢加油,都只用到三分之一的能量而已。真實情況可能比這個數字還糟,大部分汽車引擎很少在尖峰效率下操作,您如果常開市區停停走走的交通,您的汽車引擎平均效率可能還不到20%

這些浪費掉的能量到哪兒去了呢?

內燃機引擎能量的損失有些是因為引擎內部機件摩擦的耗損,但是最大的能量損失,是隨著汽車引擎的廢氣以熱能的形式排放出去了。汽車工程師當然明白這個道理,長久以來汽車工程師就不斷嘗試將汽車引擎排放的廢氣回收再利用,企圖抓一些能量回來。

汽車引擎排放廢氣的再利用,有好幾種可能的方式。德國福斯汽車廠早在1960年代就曾經嘗試使用汽車引擎排放的廢氣,作為車室內暖氣系統加溫之用。當然我沒有「資深」到那個程度,1960年代我才剛出生而已,沒真的看過這樣的系統,但是讀到文獻上的記載是說,當時這個系統採用的熱交換方式是直接空氣對空氣,也就是嘗試直接把廢氣中的熱轉移到汽車暖氣系統進氣的空氣之中,據說這個系統整體熱交換效果並不好,甚至有將引擎廢氣導引進入車室內的危險性。

渦輪增壓(Turbo charger)引擎也是1960年代便出現的汽車科技,是另一個將汽車引擎排放廢氣再利用的例子,主要目的在提升引擎動力。

引擎輸出動力的大小,和汽缸燃燒燃料的量直接相關,要提升引擎動力最直接的方法,就是把汽缸加大,引擎排氣量越大、輸出馬力自然越高。把汽缸加大這種想法可能過度「豪邁」,並不是最好的方法,汽缸容積不變的狀況下,要提升引擎動力另一個可能性,是在引擎每一次進氣行程以高壓的方式將更多空氣擠入引擎汽缸,這樣便能燃燒更多的燃料、產生更大動力。渦輪增壓引擎便是將汽車引擎所排放的廢氣重新導入增壓渦輪、帶動渦輪轉動為引擎進氣加壓。渦輪增壓壓力可以達到半個大氣壓,也就是說引擎進氣的量可以比沒有渦輪增壓時多50%,扣除一些效率上的損失,Turbo引擎增加的動力可以輕易達到30%~40%

1970年代中期,渦輪增壓引擎開始在量產汽車上出現。1980年代汽車科技以性能提升為主流,Turbo引擎車更是大出風頭,最具代表性的應該就是保時捷的911Turbo,到後來一個Turbo增壓不夠,有的車子引擎還裝上了雙Turbo,像是Maserati BiturboBMW Twin Turbo,最後Turbo一字甚至成了速度、動力的代名詞。

1977年法國雷諾車廠把Turbo技術帶進F1賽車,自此Turbo引擎車接管了F1賽場,1977年到1989年還被特別稱做F1賽車的“Turbo Era”,「Turbo世代」。

1989年發生了什麼事兒?

Turbo引擎技術走火入魔,F1賽車受不了啦,決定完全禁止Turbo引擎技術,這項技術也似乎盛極而衰。1990年代汽車科技開始吹起環保風,Turbo引擎技術在汽油引擎上開始褪流行,倒是仍應用在原本就是高壓縮比的柴油引擎上。

但也是從1970年代開始出現的「汽車廢氣再循環(Exhaust Gas Recirculation, EGR)」技術並沒有褪流行,只是把重點從引擎性能提升,轉變為對汽車廢氣中氮氧化物(NOx)排放的抑制,而且已普遍應用在汽油、柴油引擎。

空氣中的氮氣和氧氣在引擎汽缸的高溫環境下,很容易形成氮氧化物NOx,而正如同大家聞之色變的二氧化碳,NOx也是一種溫室效應氣體,也是汽車引擎廢氣排放抑制的重點。

EGR系統把部分引擎排放的廢氣,大約5~15%,重新導入引擎汽缸中,這些已經燃燒過、鈍化的廢氣,會使得汽缸內燃燒產生的熱量降低、溫度也降低,不利於NOx的形成,大幅降低降低引擎廢氣中NOx的排放量。當然EGR系統廢氣排放抑制的代價,是可能對引擎性能和燃燒的順暢有所影響,因此EGR系統有一進氣控制閥門,引擎高負載時閥門關閉,不導引引擎廢氣進入汽缸,以免影響引擎尖峰動力輸出;引擎怠速、零負載時EGR系統進氣控制閥門也關閉起來,以免汽缸內燃燒不順,造成引擎怠速運轉不穩定。

時間進入二十一世紀,汽車科技發展的重點成為「尋找下一代的汽車替代能源」,電動汽車大行其道。但是忠實陪伴人類超過一世紀,以汽油、柴油為燃料的內燃機引擎,似乎短時間內也很難被淘汰,最主要的原因,是長久以來內燃機引擎汽車在加油的便利性(例如加油所需時間和每次加油行駛里程)、汽車性能(例如極速和加速性)以及售價上已經建立了比較標竿,各種型式的純電動車得要超越這些標竿才有可能被廣大車主所接受。

在這個過渡階段,混合動力電動車(Hybrid Electric Vehicle, HEV)結合了傳統內燃機引擎和電動馬達的動力,在加油、性能及售價這三項標竿都可以達到內燃機引擎汽車的水準,省油性卻較內燃機引擎汽車大幅提升,廢氣排放也大幅降低,已經被認定是未來量產汽車發展的重要方向。

Hybrid車在內燃機引擎和電動馬達動力的結合上,有「平行式(parallel)」和「序列式(series)」兩種架構。「平行式」架構意思是說內燃機引擎和電動馬達的動力都同時可被用來驅動汽車,一般來說這種架構的Hybrid車還是以內燃機引擎動力為主、電動馬達動力為輔;「序列式」架構則是指Hybrid車內燃機引擎的動力不直接驅動汽車,而是先經由發電機轉換成電力,對電池充電或直接驅動電動馬達,再由電動馬達驅動汽車。

最具代表性的Hybrid車應當非Toyota Prius莫屬,Prius的動力設計已經很有前述「序列式」架構的味道。在市區停停走走的交通,Prius都交給電動馬達負責,而內燃機引擎只在一定時速以上才開啟運轉,而且固定在引擎最有效率的轉速段運轉,臨時的動力需求是由電動馬達負責調度;在高速公路定速巡航時,Prius動力是由內燃機引擎和電動馬達共同分攤,而電動馬達的電力是由引擎驅動發電機直接提供,內燃機引擎儘量保持在定速運轉,多餘的電力存入電瓶,而臨時的動力需求則靠電動馬達從電瓶中額外取電來調度。

解釋了這麼多,其實是要說明序列式架構的Hybrid車,期望引擎固定在最有效率的轉速段運轉,而不隨著車速上上下下,這樣的設計對提升市區行駛、高速公路巡航的省油性,乃至於改進廢氣排放,都大有幫助。

然而Hybrid車上的內燃機引擎要面對的挑戰是,在市區停停走走的交通,引擎可能時而開啟、時而熄火,在此狀況下如何能夠維持較高的運轉效率。

內燃機引擎冷車啟動的性能表現,對於引擎壽命和耗油性來說是十分關鍵的。在冷車啟動時引擎汽缸需要很濃的油氣混合氣才能順利點火,這些燃料大部分都被浪費掉,甚至會削弱汽缸壁上的潤滑油膜,造成更多的引擎磨耗。在引擎熱機的過程中,也需要更多燃料才能使引擎怠速穩定,當引擎完全熱開來,才能達到最佳效率和油耗。

要解決Hybrid車這個問題,汽車引擎排放的廢氣再度派上用場。目前在2010年的Toyota Prius和另一部HybridLexus HS250h上都有汽車廢氣熱再循環(exhaust heat recirculation)的設計,概念非常簡單,就是利用引擎排放廢氣對引擎的冷卻水加熱,能縮短冷車啟動時引擎暖機時間,迅速達到最有效率的操作溫度,而即使引擎停止運轉,也能保持引擎溫度,不致太快冷卻。

另一個很棒的利用引擎排放廢氣的方式,頗令人眼睛一亮

這種汽車廢氣熱再循環系統,採用空氣對液體的熱交換方式,系統設計簡單,現有的冷卻系統就可使用,不需要額外的水泵來循環冷卻水,也沒有廢氣洩漏到車室內的疑慮。這套廢氣熱再循環系統對於序列式動力架構的Hybrid車來說頗有幫助,但這套系統似乎也應該能很快稍加修改,應用在其他汽油引擎或柴油引擎量產車輛。

故事還沒說完,利用汽車引擎排放廢氣最新的構想,是利用其中的廢熱為汽車發電。十九世紀初德國的物理學家Seebeck便發現了能將熱能轉換成電能的特殊材料,近兩百年後汽車工程師正在認真地研究把這項技術轉換成產品,實際應用在汽車上的可能性。

過幾年您看到最新的EGR系統,可以利用引擎排放廢氣為汽車電瓶充電,可不要太驚訝。

幾十年汽車科技發展潮來潮往,不知何時鏡中的自己已經滿頭花白…