二大關鍵《Mazda》堅持研發《SKYACTIV-X》壓縮燃燒汽油引擎黑科技(六)

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上回提到一個關鍵問題,那就是其它車廠仍在實驗階段的HCCI均質填充+壓縮燃燒引擎,但實際運轉時,能使用HCCI的轉速範圍相當窄,大約只有2000rpm左右,其它轉速範圍仍是以HCSI均質填充+火星塞點火方式運作,而且面對過大的溫差與壓力變化還會出現死火問題,不只是熱效率不如預期,更無法對應實際道路駕駛狀態。根據實驗結果,HCCI引擎燃燒室溫度變化超過3℃就會發生死火問題,至於一般市售引擎於實際行車狀態,燃燒室溫度落差則是會達到50℃的範圍,這就是多數HCCI實驗引擎無法市售化的關鍵,無疑是「理論與實際的差距」。

▲SKYACTIV-X汽油引擎工作原理雖然類似柴油引擎的壓縮燃燒設計,但是原廠乃是以SKYACTIV-G缸內直噴汽油引擎為基礎加以修改,並非從柴油引擎加以延伸,因為SKYACTIV-X引擎仍需要「火星塞」這個東西,更稀奇的是此引擎可以使用一般的火星塞,不需要使用HCCI引擎專用火星塞。

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多數HCCI引擎都會偷用火星塞

那麼Mazda SKYACTIV-X是如何達成HCCI模式?答案就是使用火星塞做為溫度控制輔助,而且運作轉速可以從1000rpm至4000rpm,也就是HCCI狀態可用轉速達到3000rpm,足以應付多數行車狀態,除非您已習慣拉轉速過日子。至於1000rpm以下、4000rpm以上,依然是一般的HCSI火星塞點火模式。

別以為HCCI引擎使用火星塞是一種偷吃步的行為,事實上其它車廠的HCCI引擎多數都有使用火星塞,只是規格與一般汽油引擎不同,是造型非常奇特之HCCI專用火星塞,具有多個火花點,講究「廣」而不是「強」,造型很像蜘蛛。

但是Mazda SKYACTIV-X引擎更厲害的地方,在於可以使用一般汽油引擎的火星塞,這有幾個好處,其一是降低成本,其二可以在HCCI與HCSI不同運作模式下使用同一顆火星塞,如此一來就不需要設計複雜昂貴的單汽缸雙火星塞引擎,講白話就是省錢又省事啦!完全符合Mazda「積木策略」將現有技術向上堆疊以達顛峰,BMW、M-Benz、Audi…等大廠才有本錢砍掉重練。如此看來SKYACTIV-X於內燃機科技領域確實做出非常大的貢獻與啟發,獲得2018愛迪生引擎改進金獎殊榮毫不意外。

▲HCCI引擎專用火星塞,造型相當奇特,目的在於燃燒室溫度控制,並非真的要給予一隻番仔火瞬間搞得天翻地覆!然而使用這樣的火星塞之後,燃燒室依然要塞入另一顆普通的火星塞做為一般點火用途,好對應HCCI引擎於不同溫度、壓力、轉速下仍能正常運作。如果SKYACTIV-X引擎必須採用雙火星塞設計,整個汽缸頭必須重新開發,不算是小工程,而且無法沿用之前的零件,基本上Mazda不會做這樣的事,所以SKYACTIV-X科技看似簡單,實際上一點也不簡單。

均質填充+壓縮燃燒 二個非使用不可的理由

探討SKYACTIV-X引擎實際表現之前,先來瞭解「二個」非使用HCCI不可的理由。

極致稀薄燃燒:對引擎科技稍有概念的讀者,相信都能明白稀薄燃燒就是省油的關鍵之一,柴油引擎之所以省油、低轉速扭力大,除了燃料熱值高、壓縮比高之外,極致的稀薄燃燒也是關鍵,說白話就是燃燒室內噴一點點的燃料就能順利點火運作,而且多數燃料可以完全燃燒產生強勁的爆發力,又省油、又好駕馭,燃燒不完全的HC污染也相對低。以下列出三種汽油引擎的空燃比數據,此為Mazda自家的關門實驗數據,並非綜合各車廠的研究數據,相關數據相對保守。

* HCSI均質填充+火星塞點火 多點噴射引擎 最佳空燃比14.7:1、最大空燃比20:1

* SCSI分層填充+火星塞點火 缸內直噴引擎 最大空燃比29.4:1

* HCCI分層填充+壓縮燃燒SKYACTIV-X引擎 最大空燃比36.8:1

在此稍微解釋,使用火星塞點火的一大盲點,就是燃油太少、太稀薄就沒有辦法順利點燃,即便火花再強勁仍有死火危機。缸內直噴引擎之所以可以克服這個難題,就是因為燃油乃是在火星塞點火前一刻才噴入燃燒室內,再利用活塞造型導引,讓燃料在火星塞周圍形成一團燃油漩渦不會向外擴散稀釋,純粹是「局部燃油濃度夠高」的關係,火星塞才能順利點燃這麼少、這麼稀薄的汽油。

缸內直噴引擎的運作方式就稱為分層填充或分層燃燒,多數燃料都是在液狀霧化型態燃燒,霧化程度再高,多數燃料依然是液態而非汽化狀態,所以「分層」一詞的定義就是~液態燃油的燃燒過程乃是從表面慢慢燒至內心,好似徒手剝洋蔥,必須一層一層扒開。

這種液態霧化燃燒方式可以達成優異的稀薄燃燒目的,Mitsubishi未市售的缸內直噴實驗引擎空燃比甚至可達40:1。但是「分層填充」液態霧化燃燒有一個大麻煩,那就是會產生嚴重的NOx光氣、PM微碳粒、HC燃油等污染,各個都對人體有害,難以通過日益嚴苛的環保法規。是的,目前的環保法規不只是看二氧化碳排放這麼簡單,NOx與PM也都很難過關。所以前一陣子仍有缸內直噴引擎面臨停產或修改的命運,並非油耗問題,而是相關排污檢測過不了關,整體來說還是HC均質填充、汽化燃燒的污染最小。

好吧,終於輪到HCCI的空燃比問題了,因為是壓縮高溫燃燒的關係,與火星塞只放出單一火花的運作原理截然不同,活塞壓縮到一定程度產生足夠的溫度,所有燃料就會一口氣燒個精光,只有壓縮程度不夠高的問題,沒有燒不起來的困擾,所以空燃比可以非常非常誇張,但是考量引擎仍需要足夠的扭力維持運轉,也不可能噴太少的燃料,而且壓縮比也不能無限制提升,所以SKYACTIV-X引擎僅挑戰36.8:1這樣的稀薄燃燒程度,實驗引擎則是可以達到60:1,但鐵定達不到實用的扭力輸出。

▲採用稀薄燃燒的缸內直噴引擎,會藉由活塞造型導引燃油圍繞在火星塞附近,不會擴散至周邊,待點火瞬間就能順利引燃,達到稀薄燃燒目的。另一方式為火星塞直接設計在噴油嘴旁邊「邊噴邊燒」最直接又有效!

加快燃燒速度:如果瞭解以上稀薄燃燒、缸內直噴等工作原理後,接著就比較容易理解燃燒速度與油耗、性能之間的問題。火星塞點火是從一個點燒起來後再慢慢擴散至整個燃燒室,狀態如同諾曼第登陸→奪回德國佔領區→二戰結束,總共花了一年以上的時間。

但是壓縮燃燒方式並非線性的火焰傳導而是「波動狀態」瞬間噴發,猶如辛亥革命「群情激奮、遍地開花」態勢,從武昌起義到清宣統皇帝退位僅約四個月,革命軍並沒有從武昌一路打到北京甚至整個中國,而是各省先後革命或獨立脫離清朝統治,所以花費時間相對短。以下為實際數據分析,看完之後相信很有感覺。

*火星塞點火燃燒速度:20~100公尺/秒

*壓縮燃燒之燃燒速度:>350公尺/秒

因為二者速度相差三倍以上,所以只要是壓縮燃燒引擎,不論是汽油或柴油引擎,幾乎整個燃燒行程,也就是活塞從上死點到下死點幾乎都在做功沒有偷懶。至於火星塞點火引擎,幾乎一半的燃燒行程都在做一件事,那就是「火焰擴散」,等到多數燃料都燒完了,可以做功的行程也只剩下一半,很虧啊!

正因為上述二大原因,可以大幅增進內燃機的工作效率,所以Mazda非常積極地擁抱SPCCI火星塞控制+均質填充+壓縮燃燒汽油引擎。根據原廠數據,與自家SKYACTIV-G引擎相比較,SKYACTIV-X引擎燃油效率提升20~30%以上,扭力輸出提升10%,基本上這是一個相當出色的成績,因為導入48V輕油電系統,燃油效率最多提升5~10%,加入汽缸間歇系統後也差不多是如此。然而這麼科技的SKYACTIV-X,實際銷售數年之後並沒有獲得空前的成功,而且台灣也沒有賣,整體來說就是一個殘念!好吧,下回該爆料一下了…

▲中央為SKYACTIV-X引擎,右方為柴油引擎,都是使用壓縮燃燒原理,活塞達上死點時發揮快速燃燒效果,整個燃燒行程幾乎都在做功。反觀左方的火星塞點火汽油引擎,活塞下行程約一半的時間都在做「火焰擴散」這件事,實際做功距離相對短,而且轉速越高越不利,因為活塞運動速度太快,火焰燃燒速度會跟不上,效率會變得更差。

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共1則回應
訪客
2021-11-15 13:46:04

問題是""SKYACTIV-X"",有在效率方面達成甚麼特殊成就嗎?就燃油性上,似乎看不出來。就引擎輸出上,也沒啥麼特別突出?!

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