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《Toyota RAV4 2.0》超省油!《Dynamic Force》引擎的省思(一)

《Toyota RAV4 2.0》超省油!《Dynamic Force》引擎的省思(一)

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加速性能
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乘坐舒適
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動態操控
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內裝配備
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物有所值
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先進科技
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油耗表現
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安全配備
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《Toyota RAV4 2.0》超省油!《Dynamic Force》引擎的省思(一)

▲Toyota RAV4 Adventure

話說五代RAV4熱銷靠的是優異的均衡性,不論空間、配備、操控、加速、油耗、售價、造型…,想打槍真的不容易,引擎設計更是得意,不只是科技令人大吃一驚,造就驚人的「15.1km/L」驚人的油耗成績,然而多數人並不知道箇中奧秘,就當是豐田黑科技,好的,那就先來談談「黑科技前傳」吧!

提升壓縮比  「爆震」先報到!

《Toyota RAV4 2.0》超省油!《Dynamic Force》引擎的省思(一)

▲四行程引擎一次循環包含進氣、壓縮、動力(燃燒膨脹)、排氣四階段

圖片來源:吉寶知識系統

在閱讀本文之前,煩請讀者先參閱這一篇圖、文、影音三合一科技報導: 【國王學苑】解析《Toyota》新世代動力系統 ─ Dynamic Force引擎

這篇專業的汽車科技報導,已詳細介紹全新Dynamic Force引擎(簡稱DF引擎)用了哪些新設計與新配置,本篇就儘量減少艱澀的物理和化學濃度。首先,傳統汽油引擎的熱效率只有25~30%左右,比起柴油引擎35~50%的熱效率相去甚遠,即便大車廠紛紛在汽油引擎上裝載複雜的可變汽門、電控+水冷式廢氣循環系統,但是對於熱效率仍是「挖壕溝」微幅進化,主因在於車用柴油引擎的壓縮比幾乎都是從16:1起跳,但車用自然進氣汽油引擎多數都是從10:1起跳,直到「缸內直噴」科技純熟之後,壓縮比可達14:1或更高的境界,終於將熱效率一口氣提升至35%以上的新高點。

然而汽油引擎為何不能將壓縮比提升至16:1以上,這樣不就可以和柴油引擎平起平坐?主因在於汽油在液態時燃點相當高(510~530℃),但汽油因分子結構簡單容易汽化,而且汽化後的閃燃點非常低(-50~-20℃),在極地戶外可以用打火機點燃開始汽化的汽油,但在常溫下卻無法點燃柴油。應用在引擎的難處,就是液態汽油難以直接點燃好用來做功、但卻又非常容易汽化閃燃產生爆震自廢武功,沒錯,汽油的個性不但難以成就柴油般的大事而且又很「玻璃心」!聽起來怎麼跟多數愛亂噴的網友很相似?沒錯,讀者終於知道什麼是「汽油本色」了吧!

《Toyota RAV4 2.0》超省油!《Dynamic Force》引擎的省思(一)

▲壓縮比:燃燒室最大容積與最小容積的比值

圖片來源:吉寶知識系統

因此汽油引擎必須藉由火星塞製造出「冬天裡的一把烈火」才能順利燃爆。但是在引擎壓縮過程中、火星塞尚未點火前,已經汽化的汽油又很容易受到高溫影響而自燃,接著又引燃周圍的霧狀汽油形成無法控制且不規律的燃燒,這就是先前所提的「爆震」現象,無疑是扯自家人後腿,大幅減損扭力輸出並且會損壞引擎。再次強調「燃點」和「閃燃點」不一樣且沒有關係,在現實生活中可以用打火機點輕易點燃一桶汽油的「表面」,但燃燒的部分就只是汽化後的汽油,液態的汽油無法用打火機點燃,所以短時間不會發生「整桶汽油大爆炸」的壯觀景象,子彈打穿油箱不會立即爆炸也是同樣的道理。

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▲左邊為汽油引擎正常點火狀態、右邊為爆震現象

圖片來源:semanticscholar.org

反觀分子結構複雜的柴油燃點相對低(350~380℃),但閃燃點相對高(55℃↑),只要在高壓高溫狀態,將柴油直接噴到引擎燃燒室內就會燃燒,而且只要噴一點點柴油就能燃燒,不需要火星塞這種東西,這設計稱為Diesel Engine狄賽爾引擎,車用柴油引擎與船用重油引擎都屬於狄賽爾引擎。如果將汽油用在柴油引擎會怎樣?在冷引擎狀態,汽油不會被壓縮燃燒,引擎無法運作;在熱引擎狀態,因壓縮比不夠高,所以汽油噴入瞬間還是不會壓縮燃燒,但是在膨脹行程中汽油一旦開始汽化,就會發生「群起自燃」的超複雜爆震現象!因爆炸氣流過於混亂,不但沒有扭力可言,還會損壞汽門與供油系統。關於如何將汽油應用在狄賽爾引擎並非完全沒機會,之後談到Mazda SKYACTIV-X引擎科技時再詳細分析。

均質燃燒+分層燃燒

《Toyota RAV4 2.0》超省油!《Dynamic Force》引擎的省思(一)

▲左為進氣行程開始供油的均質燃燒、右為壓縮行程開始供油的分層燃燒

圖片來源:wordpress.com

瞭解基本常識後再來談談自然進氣缸內直噴汽油引擎(簡稱直噴引擎),壓縮比高達14:1,不會爆震嗎?才怪!而且是非常容易爆震,不然古早的汽油引擎早就將壓縮比提升到14:1的境界!那麼直噴引擎如何抑制爆震?答案就是利用Stratified Combustion「分層燃燒」,有別於傳統引擎的Homogeneous Combustion「均質燃燒」模式,均質燃燒故名思義就是汽油在「部分汽化+部分液態+平均分布」的均衡狀態下燃燒。至於VW集團經常見到的FSI引擎,就是Fuel Stratified Injection「燃料分層噴射系統」的簡稱,是缸內直噴系統中的一種設計,M-Benz、BWM、Volvo、Jaguar…等多數直噴引擎都是如此,但並非所有直噴引擎都是FSI設計,Toyota的Dynamic Force引擎雖為「缸內直噴+多點噴射」雙供油系統,但堅持採用「均質燃燒」,不屬於FSI!

這概念非常重要,也是首篇報導的關鍵:在相似結構下,Dynamic Force引擎運作思維和FSI引擎截然不同!FSI引擎仰賴「分層+均質」燃燒雙模式運行,大享「齊人之福」,但後果乃是廢氣污染大、切換時機難、程式很複雜,養小三哪有這麼容易?從「豬揚變色」事件就能看出個端倪!所以Dynamic Force引擎只用均質燃燒,「一夫一妻」簡單多了…

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▲均質燃燒常用於高轉速、高節氣門角度;分層燃燒常用於低轉速、低節氣門角度

圖片來源:Audi原廠官網

討論「分層燃燒」之前,首先要明白爆震比較容易發生在中低轉速,在中高轉速時因活塞速度太快,汽油還來不及發生爆震現象時火星塞就點火了,所以直噴引擎在中高轉速時也是使用「均質燃燒」,也就是引擎在進氣行程就開始供油,不但噴油量大,而且霧化與汽化效果都好,沒有燃燒不完全的疑慮。至於會產生爆震問題的中低轉速,就非得使用「分層燃燒」不可。在此說個額外但很重要的賽車知識,20年前F1禁用缸內直噴科技,其V10高壓縮比自然進氣引擎仍使用多點噴射系統,雖存在爆震問題,但工程師都直接忽略,因為F1一上陣就是萬轉以上高轉速衝刺,爆震完全不影響動力輸出。

多階段供油  直噴有救星

回到正題,「分層燃燒」之所以能在高壓縮比狀態下避免爆震,關鍵在於進氣行程不噴油、壓縮行程初期也不噴油,沒錯,不噴油就不會爆震。但是在壓縮行程末期,也就是活塞快要到達上死點時,此時缸內直噴系統終於噴出汽油,透過多點高壓噴油嘴迅速霧化,此刻火星塞再補上一個愛的火花,直噴引擎就這樣正常運作起來了。聽起來好棒棒,但說穿了就是「加了火星塞的柴油引擎」嘛!這沒什麼不好,只要壓縮比夠高、熱效率保證好,但問題是柴油引擎若沒有昂貴的觸媒做後盾,那就是會排放大量NOx有害氣體、兼噴發PM2.5與PM10的大烏賊,如果汽油直噴引擎還要加裝複雜的「碳粒吸附型+尿素選擇性」多重觸媒,那就可以直接淘汰,直接使用高效率柴油引擎就好!

幸好,透過先進的「多階段供油」分層燃燒設計,就是從進氣行程開始,缸內直噴系統就開始微量噴油,一直到壓縮行程快結束時,依科技層次,總共可以分成三次、五次、七次等多階段供油,只要確保「每次供油都很微量」就不會爆震,不需要昂貴的觸媒,汽油直噴引擎就能符合黑煙與NOx排放標準,並保有高壓縮比、高效率特性。

《Toyota RAV4 2.0》超省油!《Dynamic Force》引擎的省思(一)

▲即便採用Audi相同科技,追隨者始終無法超越一A二B!Toyota於是覺醒…

圖片來源:blogspot.com

聽起來簡單,但實際上則是要仰賴先進、精密的壓電式供油系統(超音波),傳統電磁式噴油嘴根本辦不到!因此「專利與技術門檻」是第零個問題,「要花不少錢向Bosch等廠商購買」是第一個問題,「供油系統故障率偏高」是第二個問題,「對於汽油品質很挑剔」是第三個問題,「引擎調校很複雜」是第四個問題,但最終問題乃是:即便使用相同的多階段供油+分層燃燒技術,因研發經驗落後歐洲大廠,Toyota再怎樣也無法超越VW集團或是雙B!先前Toyota與BMW的合作,Nissan與M-Benz的合作,今日二者都決定要「走出自己的路」!

編輯觀點

沒錯,Toyota研發Dynamic Force引擎是被逼出來的,也可以說是「追隨者的省思」!其結論就是豐田決定不當追隨者,不只是繞道而行、更要迎頭趕上!然而Dynamic Force引擎的表現究竟如何?請看後續分析。

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