《法拉利》120度V6還沒發揮極限!淺談Maserati預燃室V6引擎|不甩HCCI均質壓燃科技(二)

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上回提到一個重點,那就是《瑪莎拉蒂》Maserati夾帶了F1極致賽車引擎的黑科技,此外還蘊藏《Ferrari》動力科技DNA,本回將剖析《Maserati》 MC20超級跑車海王星V6引擎的「預先燃燒室」科技,此技術突破了「均質填充+火星塞點火」非缸內直噴傳統多點噴射汽油引擎「燃燒室內火焰燃燒速度緩慢」的頭痛問題,並且一次克服「潔淨、效率、動力」三大關卡。簡單來說,瑪莎拉蒂的天王星V6引擎最可惜之處,就是「它是一具超級跑車的引擎」一般人根本享受不到此一環保又充滿性能氣息的優質內燃機!可惜啊…

▲所有超級跑車動力必備條件~乾式油底殼低重心、高效率可變流量機油泵、二顆以上的大渦輪、高轉速、輕量化、高性能、美觀…,瑪莎拉蒂MC20的海王星V6引擎通通具備,順便把「潔淨節能」這一大項也納入其中!不需藉助Hybrid也能達到優異的環保效能,順便輕量化車身強化性能,這具引擎的功效相當強大!

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反觀Mazda SKYACTIV-X這顆類HCCI均質壓燃汽油引擎,潔淨與效率都到位了,符合環保法規而且很省油,但是研發與製造成本都不低,而且沒有跨越「優質動力」這項門檻,因此實際駕馭缺乏特色與熱情。(類HCCI的定義為Mazda採用火星塞溫度控制技術,屬於「半點燃+半壓燃」的複合科技,非純壓燃架構,但燃燒速度依然快)

為了讓讀者快速進入戰鬥位置,好瞭解「預先燃燒室」的奧秘,再來複習一下內燃機的「進氣、供油、燃燒」四種不同架構。

1多點噴射汽油引擎= HCSI均質填充+火星塞點火=燃燒速度慢、NOx與PM污染低

2缸內直噴汽油引擎= SCSI分層填充+火星塞點火=燃燒速度中、NOx與PM污染高

3最夢幻的汽油引擎= HCCI均質填充+壓縮燃燒=燃燒速度快、NOx與PM污染低

4柴油引擎= SCCI分層填充+CI壓縮燃燒=燃燒速度快、NOx與PM污染更高

(NOx是傷害肺部的有害氣體、PM是致癌微粒如PM2.5或PM10等)

關於「3」夢幻、神話、終極版的汽油引擎,因為是「對照組」所以不在此地詳細討論,有興趣的讀者請參考以下相關報導之連結,在此只要瞭解一件非常重要的事實~壓縮燃燒的火焰傳遞速度是火星塞點火的3~20倍左右,所以只要是壓縮燃燒原理,熱效率一定好,實際駕馭之優點就是扭力大、好開、省油、二氧化碳排放量相對低,對於會依照碳排放量課稅或優惠的國家來說,消費者養車更為經濟。

*火星塞點的火焰傳遞速度:20~100公尺/秒

*壓縮燃燒之火焰傳遞速度:>350公尺/秒(快約3~20倍)

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▲關於Maserati MC20的研發,個人比較佩服的是「紙上談兵」這件事!瑪莎拉蒂大量使用電腦模擬、自動機具、模型測試、機台測試等科技,大幅縮減研發時間、經費、人力,否則以藍寶堅尼「十年磨一劍」的研發速度來看,MC20到現在還沒上市呢!當然,很多東西都是從法拉利那邊學來的。

▲Ferrari全新120度大開角V6高轉速引擎,為了增進火焰燃燒傳遞速度增進馬力,藉由缸內直噴系統的強力噴發,再加上火星塞在一旁不搧風只點火,將火焰迅速帶到燃燒室各個角落。不過缸內直噴的缺點就是許多汽油只是霧化而非汽化,燃燒過程會產生較大的NOx、PM、HC污染,依然要面對環保與油耗問題。

▲這就是Maserati MC20海王星V6預燃室引擎的設計圖,是的,黑板上畫的東西就是這個,可明顯看到雙汽缸共用曲軸支點、多點+直噴雙供油、緊湊結構、預燃室等多項設計。

因海王星V6引擎屬於超級跑車動力,不可能使用最高轉速只有4000~5000rpm的柴油引擎,也不可能採用運作範圍限制在1000~5000rpm的火星塞溫度控制HCCI引擎,不論是瑪莎或是法拉要的都是「高轉速引擎」,所以第3或第4選項都不在超跑名門的物色範圍內。

換個角度來說明,超跑引擎的壓縮比不能太高,氣體壓縮阻力太大、會影響高轉速發揮,12.5:1大概就是頂天狀態,除非採用米勒循環等特殊設計。但是超跑通常不會太在乎油耗,所以不會為了燃油效率加上太多複雜設計,耐用度與調校都是問題,高轉速、大馬力才是王道。因此必須採用超高壓縮比的柴油或汽油壓燃引擎,當然不受瑪莎與法拉的青睞。

但是火星塞點火型態的汽油引擎燃燒速度偏慢怎辦?這點當然很重要,因為火焰傳遞速度快,才能在瞬間完全燃燒、產生充裕的爆發力把活塞往下推,柴油引擎或是馬自達的SKYACTIV-X汽油壓燃引擎都屬於這種最佳工作狀態,效率當然好。

至於傳統超跑引擎的思維就是~火焰燃燒速度慢沒有關係,多噴點汽油就好!燃燒不完全並不可惜,反正燃油汽化會吸熱,正好用來降低燃燒室溫度、幫助引擎散熱多美妙不算浪費喔!為完全燃燒的油氣噴到排氣系統還會發出「碰、碰、碰」的回火鞭炮聲響,這種聲音太迷人太性感!為何賽車引擎都非常耗油?相信讀者不難理解,高轉速壓榨馬力就這麼回事,事實上所有性能車款都有此問題,不只是超跑。因此某方面來說,研發高性能電動跑車或純電運動型SUV,具有積極與正面的意義,至少可以減輕飆車的罪惡感!這點個人相當贊同,並非討論一堆引擎科技,就代表個人排斥電動車,沒那回事。

然而「多噴一點汽油」這種想法違背環保健康愛地球,不只是碳排放量非常高,燃燒不完全的汽油(HC碳氫化合物)對人體同樣有害,環保法規對於排放污染將會越抓越緊,對於銷售量不算高的Koenigsegg或是Pagani比較不會受到環保法規「緊箍咒」的影響,但是銷售量相對高很多的法拉利就不一樣!其它有此共識的車廠大概就是法拉利的對手Lamborghini。

因此Ferrari算是較早研究火焰燃燒速度問題的性能車廠,因為旗下市售超跑有此需要,否則遲早會被政府或環保團體盯上。不過法拉利的技法並不複雜,就是利用缸內直噴系統加速燃燒室滾流「快速轉圈圈」,帶動火焰跟著旋轉、迅速點燃所有汽油。

在此用「燒稻草堆」做比喻,傳統均質填充+火星塞點火設計,就像是丟一隻火把在稻草堆上就不管它了,這種偷懶的作法,將稻草燒完所需要的時間當久。至於燃燒室高速滾流的思維,就像是拿著火把沿著稻草堆邊緣一直走、邊走還邊點火,這樣稻草堆當然比較快燒完。

因為法拉利相對重視燃燒效率,所以旗下車款不只是性能強悍,論效率與環保也相對出色,不過Maserati為了一戰成名、一炮而紅、一飛衝天,所以MC20將使出最終及的手段,這之後會說明,等不及?直接從最後面看起就對了。

問題來了,屬於分層填充狀態的缸內直噴引擎,燃燒瞬間汽油呈現「液態+汽態」,與均質填充的純汽態燃燒不一樣,缺點就是NOx、PM、HC等污染「三高問題」相對嚴重!面對環保法規緊箍咒,遲早都會有掐到受不了的困境,屆時只有二種方式~發展PHEV或是轉型做純電超跑,由此不難看出Ferrari目前正朝這二個方向前進,這是必然趨勢。

▲這就是海王星引擎預燃室的真面目,說穿了就是在燃燒室中央上方塞入一個小型的副燃燒室,頂端有火星塞,負責點燃副燃燒室內的燃氣,再藉由六個放射孔向燃燒室進行強力噴發,瞬間引爆所有燃氣,讓活塞的下行程獲得滿滿推力,說穿了真的不複雜,但實際設計與調校哪有那麼簡單!

但Maserati才剛砸大錢成立自家引擎研發既生產中心,都還沒回本就要轉往PHEV或純電超跑發展?哭哭啊!但哭不能解決問題,於是瑪莎使出終極手段,拿出F1聖殿中的秘密武器,將Ferrari曾應用在大馬力賽車引擎的實驗科技「預先燃燒室」付諸量產,就性能來看無疑是神兵利器,就量產引擎妥善與耐用原則來看則是「勇氣可嘉」!

預先燃燒室並非海王星引擎的創新科技,早期的柴油引擎都有此設計,目的就是要克服「壓縮但不燃燒」的死火問題,然而這種戲法要變在汽油引擎上沒那麼容易,Honda等車廠都曾研究過預燃室應用在市售引擎的可行性,畢竟F1引擎研發製造商不只Ferrari,但最終因妥善率考量紛紛放棄。

Maserati MC20的海王星V6引擎預燃室設計經過大幅度簡化,主要就是一個小小的銅製腔室內配置一個火星塞,點燃一小部分燃氣後,高溫火焰藉由六個小孔迅速向外噴發,得以瞬間將整個燃燒室的燃油氣體通通點燃,延續之前的比喻「猶如拿著六管火焰槍直接朝稻草堆噴發」一樣迅速有效,這種感覺就是一個「爽」字!

根據原廠的說法,預燃室的火焰燃燒速度相當接近壓縮燃燒,由此不難想像這種引擎的熱效率絕對高,而且絕對可以對應超高轉速需求,廢話…F1引擎轉速高達18000~20000rpm沒多一個0喔!此科技下放於市售引擎,即便海王星V6引擎的8000rpm看似驚人,但是和F1引擎相比「只是零頭」根本小菜一疊,如此不難想像為何海王星V6引擎的動力輸出媲美Ferrari 296 GTB的120度夾角高轉速V6引擎。

Maserati MC20:3.0L 90度V6雙渦輪、多點噴射+缸內直噴、壓縮比11.0:1、630hp@7500rpm、74.4kgm@3000~5000rpm、缸徑衝程88*82mm、斷油轉速8000rpm、乾式油底殼、售價1280萬

Ferrari 296 GTB:3.0L 120度V6雙渦輪、缸內直噴、壓縮比9.4:1、663hp@8000rpm、75.5kgm@6250rpm、缸徑衝程88*82mm、斷油轉速8500rpm、乾式油底殼、售價1688萬

就基本架構來看,海王星V6引擎如果再加以調校,不需要拼高轉速,相信可以反壓制法拉利的V6,畢竟二者壓縮比差距相當大,不難看出Maserati留一手:其一為引擎耐用度與妥善率考量,全新動力與科技還是保守一點比較好;其二則是環保形象,排污等整體數據必須漂亮,馬力暫時超越對手就好,之後不敵再來強化;其三法拉利不可能讓MC20性能表現超越296 GRB,這樣無法向董事會、投資者、車主、車迷們交代,所以某些關鍵技術並沒有外放,如可以增進扭力輸出的曲軸偏置調校,萬一不小心讓MC20超越296 GTB,就真的是拿石頭砸自己腳了!

然而預燃室科技依然充滿疑點:

預燃室既然這麼香,法拉利為何自己不「犀利」一下,反而讓瑪莎先嚐?有貓膩?

性能與環保關鍵既然在於「預燃室」為何還要使用雙火星塞設計?脫褲子放屁?

同為雙渦輪高轉速大馬力設計,海王星引擎高壓縮比設定為何沒有爆震疑慮?

預燃室設計看起來沒有很複雜,研發應該不會太困難,為何其它車廠不跟進?

海王星引擎既然屬於「HC均質填充」低污染架構,那麼除了多點噴射之外,為何還要使用缸內直噴系統?又一次脫褲子放屁?

之前說過Honda等車廠也有類似科技,既然這麼犀利為何沒有市售化?是不是有副作用或耐用度方面的問題?(下回待續…)

▲話說有錢的MC20車主都是看外表,開起來爽不爽最重要,管他預燃室高效節能又環保,只有買不起的人哭喊高科技下放,事實上預燃室科技市售化充滿訣竅,詳細分析下回揭曉。

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共2則回應
章魚
2021-12-03 16:06:22

牽扯到專利問題,此科技想要普及可能還要等數年後專利到期,不過到那個時候已經是電動車的天下了!內燃機都不內燃機了!!!!

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訪客
2021-12-03 10:15:31

很喜歡這類的文章,沒看過這麼詳細的解說,讚。

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