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作者:徐業良(2012-09-10);推薦:徐業良(2012-09-10)
附註:本文發表於汽車購買指南雜誌,2012年十月號,史丹福專欄。

引擎省油五大科技

學校快開學了。開學前的系務會議中,系主任把我們機械系下學期所有課程修課人數資料列出來讓大家看一下,開學第一個禮拜學生還可以加選課程,之後修課人數還是不夠的課程可能就要停開了。

我不由得注意到,這些可能要停開的課程中有一門課是,內燃機引擎。

三十年前我讀大學機械系時,也修過內燃機這門課,那個時代這門課還挺熱門的,選課的心情似乎是,如果身為機械系的學生不懂一點兒汽車、引擎之類的,那就太遜啦!

時至今日,內燃機引擎汽車的時代似乎快要結束了,電動車、混合動力車、燃料電池車紛紛出籠,這些新能源科技似乎才是汽車的明天。

但是,內燃機引擎汽車的時代真的快要結束了嗎?

事實上是,目前在全世界各地馬路上奔馳的汽車,汽油、柴油引擎車還是占了絕、絕、絕大多數,而且這個趨勢在可預見的未來似乎仍然會持續下去。理由很簡單,人們早已經習慣於駕駛汽油引擎車,所有汽車廠生產線、交通基礎建設也是圍繞在汽油引擎車的需求建構的,大部分人,車主、汽車廠、甚至政府,都還不願意立即放棄手中開了一百多年的內燃機引擎汽車。

除了廢氣、二氧化碳排放等環保問題之外,影響汽油引擎車生存最主要的問題,還是地球蘊藏的石油日益枯竭,汽油的價格日趨昂貴。這些年來許多汽車引擎科技的創新,重點在提升汽車引擎的燃料效率,降低排放的汙染廢氣,希望讓您所熟悉的汽油引擎車能夠繼續存在,越久越好。

最近讀到美國能源部的網站上有一篇特別報導,列出了近年來汽車引擎省油五大科技,這個月的史丹福專欄就來幫大家說明、闡釋一下,下次看到這些引擎科技的名詞,您要知道這些技術都是可以幫您省下油錢的。

在談新科技前,還是先把汽車引擎的基本運作原理很簡單地複習一下。

汽油引擎通常是由一組468、或12個汽缸組成。引擎運作過程首先汽缸活塞向外伸展,經由進氣閥門吸入油氣混合氣;接著活塞向內壓縮、火星塞點火燃燒,產生能量再次推動活塞向外,帶動曲軸推動汽車;最後活塞向內壓縮,將燃燒後的廢氣經由排氣閥門排出,完成進氣、壓縮、燃燒、排氣四個衝程。

引擎省油五大科技,和這個引擎的基本運作每個步驟都很有關係。接下來便依照美國能源部網站提升引擎效率排名的順序,從第五名的科技可變汽門正時談起。

(5) 可變汽門正時(Variable Valve Timing, VVT)

前面提到汽車引擎的「呼吸」是透過汽缸頂部的閥門進氣、排氣。引擎是使用凸輪軸來驅動進氣和排氣閥門開閉,控制燃料和空氣混合氣何時進入汽缸、燃燒後的廢氣何時如何排出汽缸,也就是進氣、排氣的「正時(timing)」。除了正時之外,進氣和排氣閥門開閉時間的長短(或者說進氣和排氣閥開啟的深度),也直接影響到引擎各循環中的進氣量。

傳統引擎凸輪的外型線條往往就設定了引擎進氣和排氣閥門開閉的時間,不管引擎工作的狀況,閥門開閉的正時和深度都是固定不變的。但如汽車加速或引擎高速運轉時,固定進排氣的方式可能無法讓引擎充分進氣,當然也影響性能;相對的低負載、低轉速時,閥門還是以同樣的正時和深度開閉,又會影響引擎油耗。

如果用人的呼吸來類比引擎的進氣排氣,您在激烈運動時身體需要大量空氣燃燒葡萄糖產生能量,身體會自然做比較深且急促的呼吸,如果您只是躺在沙發上看電視、身體不需要太多能量的話,便自然會做比較淺且緩和的呼吸。引擎可變汽門正時(VVT)技術正是這個概念,根據引擎工作需求來調整引擎的呼吸。

VVT引擎也和一般汽車引擎一樣使用凸輪軸來驅動進氣和排氣閥門,但特殊控制設計使得VVT引擎在高轉速時延長進排氣時間,低轉速時則減少進排氣時間,可以在需要時產生更大的引擎動力,而整體燃料效率也提高,廢氣排放則降低。這項技術原本只侷限運用在高價位的高性能車和豪華車,但現在已經普及到幾乎所有價位、各車廠的車種,例如豐田的VVTi、本田的VTECBMWVANOS等等,都是採用類似的技術概念。根據美國能源部的網站提供的數字,可變汽門正時技術可以將引擎效率提升5%左右。

(4) 汽缸關閉(Cylinder Deactivation)

汽車引擎技術的發展上,“More Power”“Less Fuel”一向是兩個完全背道而馳、互不相容的目標,大馬力輸出必須要有大排氣量,而大排氣量引擎幾乎就等同於耗油。然而常作負重、拖曳、越野等特殊用途的小卡車、吉普車、SUV,大馬力仍是重要的考量條件,因此汽車省油技術的發展上有一個思考脈絡是,如何能讓大排氣量、大馬力引擎仍然能夠省油?

這個問題的答案是,如果引擎的排氣量是可變動的,輕負載時用小排氣量運轉,重負載時再恢復成大排氣量,不就可以“More Power”“Less Fuel”兩全其美了!

許多車廠的引擎省油科技採用了這種「可變排氣量引擎技術」,簡單的說,就是在輕負載時把部分汽缸“關掉”,這些汽缸就不會耗油了。例如克萊斯勒的技術叫做「多排氣量系統(Multiple Displacement System, MDS)」,GM把他們的系統叫做“Displacement on Demand”,簡稱DoD,意思是“需要時才提供排氣量”;Honda則把他們的系統叫做「可變汽缸管理(Variable Cylinder Management, VCM)」。

為了保持引擎的平衡和運轉的平順性,目前所有的設計都在輕負載時關掉一半汽缸,在克萊斯勒和GMV8引擎上只用4個汽缸,在HondaV6引擎上則只用3個汽缸,四汽缸的引擎則不適合這項技術。所謂“關掉汽缸”的動作,包括關閉這些汽缸的燃料噴射,以及關閉這些汽缸的進排氣閥;關閉汽缸的燃料噴射比較容易,只要在噴射供油控制系統中增加一些控制指令就可以了,關閉汽缸的進排氣閥則需要一些進排氣閥機構設計上的改變。根據美國能源部的網站提供的數字,汽缸關閉這一類的技術可以將引擎效率提升7.5%左右。

(3) 渦輪增壓或超級增壓(Turbochargers or Super charger)

一個正常的汽油引擎壓縮比大約在10:1,也就是說油氣混合氣吸入汽缸後,被壓縮到原先體積的十分之一左右,接著再點火燃燒。一般來說壓縮比提高,燃燒效率會更好,但是汽油引擎如果壓縮比太大,壓縮產生的高溫使得油氣混合氣會在壓縮衝程就提前自燃而產生爆震(knocking),所以一般汽油引擎壓縮比限制在8:112:1,沒有辦法提得太高。柴油引擎則是僅僅吸入空氣,壓縮之後再將燃料噴入汽缸內壓縮空氣中,由空氣被壓縮產生的高溫、熱量讓燃料自燃。柴油引擎壓縮衝程只壓縮空氣,沒有提前自燃的顧慮,且要靠壓縮空氣產生的高溫高熱點燃柴油,先天上需要比較高的壓縮比,因此柴油引擎壓縮比一般從14:1到高達25:1

OK,汽油引擎壓縮比受到限制,另外一個變通的方法,是在引擎每一次進氣行程以高壓的方式將更多油氣混合氣擠入引擎汽缸,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,超級增壓則是直接油引擎動力帶動增壓。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%

把渦輪增壓列在引擎省油科技,感覺有些怪怪的,Turbo原先的目的主要是在提升引擎動力。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。

另一個方向的想法,採用渦輪增壓的話使用較小排氣量的引擎也可以提供足夠馬力輸出,不需要使用大排氣量引擎,也是一種省油的方式,而且渦輪增壓把原本排放出去廢氣中的能量回收再利用,確實也提升了引擎燃料效率。根據美國能源部的網站提供的數字,渦輪增壓又可以將引擎效率提升7.5%左右。

(2) 直接噴射供油(Direct Fuel Injection)

第二名的汽車引擎省油科技是直接噴射供油。傳統的噴射供油方式,是將油霧和空氣先在引擎的進氣歧管混合,再被吸入汽缸,所謂「直接噴射供油」則是將空氣和燃料分開,空氣還是從進氣歧管被吸進來,燃料則是直接噴入汽缸中,有點像前面提到柴油引擎的方式。搭配精密的電腦控制,直接噴射供油對噴油量和時間可以有更精準的控制,汽缸中燃料噴嘴的位置也可以產生更佳的噴油模式,將汽油打散成為更細緻的油霧,產生更完整的燃燒,也就是每一滴汽油可以產生更大的馬力、更少的汙染。

直接噴射供油系統將油氣和空氣分開,將油氣直接噴入汽缸,有些類似柴油引擎的方式,也可以幫助減少爆震,引擎壓縮比可以提得更高。美國能源部的網站提供的數字,直接噴射供油搭配渦輪增壓或超級增壓,可以將引擎效率一舉提升12%左右。直接噴射供油最主要的缺點,就是這樣的引擎結構複雜,成本比較高,特別是燃料噴射頭必須直接承受汽缸內的高溫高壓,製造必須更為強固。

(1)  整合式的起動馬達兼發電機(Integrated Starter/Generator)

這裡所謂整合式的起動馬達兼發電機,其實就是大家常聽到的「停走技術(Stop/Start Technology)」,可以自動執行停等熄火的動作,在汽車暫停下來時自動將引擎熄火,當駕駛人踩下油門,系統又自動快速重新起動引擎向前行駛。

這個整合式的起動馬達兼發電機取代了汽油引擎車原先獨立的起動馬達和發電機,設計上有兩種可能的概念,一是類似傳統汽車發電機採用皮帶驅動,另一種則是類似傳統起動馬達裝置在引擎和傳動系統之間,直接轉動引擎曲軸。駕駛人鬆開油門讓汽車滑行或者踩下剎車時,引擎的控制單元自動將引擎熄火,駕駛人踩下油門時,起動馬達/發電機使用電瓶中的電力快速發動汽油引擎。和油電混合動力汽車一樣,整合式起動馬達/發電機也可以將引擎的能量轉換成電力儲存在電瓶中,也經常加入「再生式剎車(regenerative brake)」的機制,在煞停汽車的過程中汽車車輪帶動發電機,將汽車車速減緩損失的動能轉換成電力儲存下來,進一步提升省油效率。

根據美國能源部的網站提供的數字,停走技術-整合式的起動馬達兼發電機可以將引擎效率提升8%左右,汽車引擎省油科技第一名。

除了上面討論的這些引擎省油科技之外,汽車省油與否最重要的其實還是駕駛人的駕駛行為,即使開同樣一部車,如果您習慣於把油門一腳踩到底,耗油一定會比輕踩油門緩緩加速的駕駛人要高得多。許多車廠也在開發一些汽車技術引導駕駛人省油開車,最簡單的方法就是在儀表板上加了一個綠燈,當引擎在最有效率的操作狀態時綠燈便會亮起,讓駕駛人知道。有些車廠甚至在思考如何把將引擎保持在最有效率的操作狀態設計成駕駛人的一種game,提升駕駛人省油開車的動機。

駕駛人輕腳開車,也許才是最重要的省油科技呢!