3.0T壓榨630hp竟採高壓縮比!?《Maserati》海王星V6引擎|預燃室科技問答解惑(四)最終回

 

如果不清楚本篇所討論的主題「Maserati MC20超級跑車海王星V6引擎預燃室科技」煩請從之前的相關報導看起,本回合將解釋海王星V6引擎不為人知的設計奧秘,不要懷疑,您在別的地方找不到答案!此外還有相當重要的「其它車廠為何不想也不能跟進」,後者牽扯專利與成本問題,前者就麻煩讀者詳閱內文報導,因為一言難盡…

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▲一般的自然進氣V6引擎重量大約是200kg,加上渦輪增壓系統、性能化調校後當然不只這個重量。海王星V6引擎結構複雜、採用2顆大渦輪、並結合熱交換式機油冷卻系統,但重量僅220kg,輕量化設計相當到位,比較窄的汽缸頭、更短的引擎長度都是關鍵。

與Ferrari 296 GTB同為雙渦輪高轉速大馬力設計,海王星引擎採用高壓縮比設定為何沒有爆震疑慮?

先來看一下瑪莎拉蒂的海王星引擎壓縮比有多高

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、二氧化碳排放262g/km

Ferrari 488 GTB:3.9L 90度V8雙渦輪、缸內直噴、壓縮比9.4:1、661hp@8000rpm、77.6kgm@3000rpm、缸徑衝程86.5*83mm、斷油轉速8000rpm、乾式油底殼、售價1381萬、二氧化碳排放量260g/km

Ferrari 296 GTB:3.0L 120度V6雙渦輪(PHEV動力)、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、二氧化碳排放量149g/km

瑪莎拉蒂的海王星V6引擎犀利之處,不只是預燃室這一項「主菜」,其實還有其它不可缺少的配菜,就像德國豬腳一定要配酸菜!不囉唆了,第一項配菜是「燃燒室形狀」,第二項配菜為「活塞頂部造型」,這些也都是瑪莎新V6引擎的精髓,否則性能不會如此犀利,預燃室科技並沒有這麼簡單。整體而言,海王星V6引擎的燃燒室造型非常奇特,並非傳統汽油引擎公認的最佳腔室「半圓形」設計,相反地,海王星引擎採用完全相反的外寬內窄「游泳圈造型」,徹底顛覆傳統內燃機設計思維。

傳統的半球形燃燒室為「中央高、四周低」,火星塞在中央,點火後,火焰傳達到整個燃燒室的速度較快,多數汽油引擎都是如此。但游泳圈燃燒室為「中央窄扁、四周寬闊」,與傳統汽油引擎之思維背道而馳,然而此設計之特點在於~更容易將燃油氣推擠進入預燃室內。預燃室雖然小,但火星塞在此處的效能相對高,加上游泳圈造型燃燒室的空氣推擠效應,能幫助預燃室內順利燃燒,達成六孔《湍流噴射點火》功效。

▲所謂的預燃室《湍流噴射點火》技術,必須將火焰射到汽缸壁反彈效能才會好,因為燃燒室周邊空間較大較空曠,所以從外向內「包圍式燃燒」最快,與傳統由中央向外燃燒的思維截然不同,因此海王星V6引擎做成游泳圈或說是甜甜圈形狀的燃燒室並不意外,如此一來,可以將大部分的燃油氣體囤積在外環部位利於燃燒。

▲游泳圈狀的燃燒室,可以讓湍流噴射點火效率更容易發揮,此外還可以抑制爆震產生,然而這種設計,完全不適合一般火星塞點火引擎,不利於火焰傳遞速度,效率反而更差。

因「湍流噴射點火」設計思維,乃是高速火焰一定要噴到主燃燒室最遠端「造成渦流回捲」效果最好,也就是火焰噴流一定要射到汽缸壁「撞牆為止」,從周圍燃燒起、再回燒至中央的概念,游泳圈造型燃燒室正好可以幫助這種燃燒型態,產生更大的推力。如果是傳統的半圓形,因燃燒室四周的燃油氣體相對少,反而會降低湍流噴射點火的效益。

重點來了,外寬中窄的游泳圈燃燒室造型,能有效抑制爆震,因為爆震經常發生位置就是燃燒室周邊,四周寬闊的游泳圈造型,氣流活動空間較為寬廣,正好能讓燃燒室周邊的燃油氣體,產生更強烈的滾流,降低瞬間高溫發生機率,藉此抑制爆震。

游泳圈造型燃燒室既然這麼神奇,其它車廠為何不使用?因為此造型設計,相當不利於一般的火星塞點火原理!將使得火焰傳遞速度更慢、引擎效率更差,只適用於預燃室科技「湍流噴射點火」架構。當然,或許有車廠設計出其它更優秀的燃燒室造型,只是他們視為「機密」不講不說明,怕被其它廠商偷學去了,因此,法拉利就沒有公布296 GTB的引擎設計細節了!沒公布代表二種結果~不重要與非常重要…

▲海王星引擎的預燃室內並沒有供油系統,因此整體設計依然是以既有的結構加以修正,方能節省成本,並縮短研發時間,某方面來說,此概念其實和Mazda SKYACTIV-X汽油壓燃引擎與全新直六引擎相似,並非砍掉重練浪費時間與金錢。

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?

如果是賽車引擎,研發經費、投注人力絕非市售引擎所能比擬,此外再考量市售引擎必須兼顧量產、模組、品質、耐用、維護、平順、噪音、成本、重量、體積、油耗、環保…。簡單來說就是牽一髮而動全身,改變任何設計,可能都會造成意想不到的故障或是毛病,即便副燃燒室並非全新科技,柴油引擎早有此一設計概念與實際應用,Honda早於1970年代就有CVCC副燃燒室市售引擎,當時還是化油器的年代!顯見這並非不可行之事。

然而今日的引擎已經進化到一個相當極致的地步,跨出任何一步其實都有風險存在,成本更是一大疑慮,賓士與BMW為了縮短「前橫置引擎+前驅技術平台」新車款的研發時間,所以分別和Peugeot與Renault合作,直接沿用法系引擎與技術平台加以調校,問題不是雙B沒有研發能力,而是從頭開始緩不濟急,將會嚴重拖累新車上市期程。

就Maserati的海王星V6引擎設計來說,研發成本與工程,其實都超出多數車廠的能耐!也可以說要不是MC20是一輛超級跑車,售價可以拉抬至千萬等級,否則如何支付海王星引擎高昂的研發成本,至於其它車廠似乎沒有本錢做這種事,不是沒錢,而是不符合投資效益。

目前唯有Honda有意願將相關預燃室技術與「專利」,應用在二輪界仿賽車高轉速引擎上面。是的,各車廠引擎不能隨便亂更動與修正的另一個問題,就是因為專利!許多創新與構思幾乎都有專利權保護,這也是車廠之間的一項激烈競賽,賺取專利或設計權利金也是一筆豐厚的收入。

▲海王星引擎上端可以明顯看出「雙供油系統」,會繞來繞去的金屬管線,就是壓力350Bar的共軌直噴系統,然而此設計與分層填充無關,此引擎依然是汽化燃燒而非霧化燃燒,不會有過多的NOx、HC、PM等高污染問題。

海王星V6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?同樣是脫褲子放屁?

談到海王星V6引擎的缸內直噴系統,其實是一項高成本設計,壓力高達350Bar,並且加上了更複雜的等距共軌設計,噴射壓力是一般直噴汽油引擎的3倍以上,法拉利296 GTB的缸內直噴系統也沒有這麼嗆。但此技術並不艱澀,因為Mazda SKYACTIV-X火星塞溫度控制均質壓燃汽油引擎的缸內直噴系統壓力高達1000bar,至於柴油引擎則是達到2000Bar,所以不需要過於高估海王星V6引擎。

既然已經擁有350Bar高壓共軌直噴系統,那麼海王星V6引擎為何還要使用一只壓力僅區區6Bar的多點噴射系統?因為功能不同!海王星引擎的預燃室科技精髓,就在於燃油完全汽化的「均質填充」再加上快速燃燒。達成高效率與低污染目的。至於相反設計則是燃油不完全汽化、多數為霧化狀態的「分層填充」,也就是許多缸內直噴引擎的設計原理。因分層填充會產生更多污染物質,所以不被海王星引擎接納,只因海王星引擎多了一套昂貴的高壓共軌缸內直噴系統,很容易讓人誤會。

其實這套350Bar的共軌直噴系統,是為了「瞬間加速燃燒室內的滾流」而設計,二大目的與先前所提到的燃燒室設計一樣,純粹為了「1.確保燃氣能回填至預先燃燒室內」,原理為一邊抽氣並一邊灌氣,有點複雜需要詳細說明,在此暫時說到這裡以免歹戲拖棚沒完沒了。另一點則是「2.確保燃燒室周邊具備強勁滾流不會產生爆震」,是的,光靠燃燒室造型並無法確保上述二件事,其實應該這麼說:強勁滾流的動力其實靠缸內直噴系統進行加速,其它方式都沒有缸內直噴系統「射幾發」那麼優異!

其實不只是海王星引擎這樣搞,一般相對便宜很多的四缸引擎也是如此,如Toyota RAV4的Dynamic Force引擎,而且同樣採用雙供油系統。是的,RAV4的引擎也屬於均質填充而非分層填充,並非所有直噴引擎都是分層填充。

然而海王星引擎乃是「高轉速+大馬力」非普通動力的概念:噴油時間非常短暫、供油需求量相當大、滾流速度必須特別強勁、而且直噴燃油還必須完全汽化,於是350Bar的高壓共軌噴射系統就此登場。是的,Ferrari 296 GTB的缸內直噴系統也不過160Bar左右,由此不難看出海王星V6引擎的缸內直噴系統有多重要,同樣是預燃室科技不可或缺的命脈。

▲為了確保預燃室內也吃得到新鮮的燃油氣,方能提供「預燃」的可能性,此時必須藉助非常強勁的滾流,光靠游泳圈式燃燒室造型絕對辦不到,必須藉由缸內直噴系統來達成,但是與分層填充無關,並非所有缸內直噴引擎都要配合分層填充與燃燒。

▲近期最犀利的引擎,當屬瑪莎拉蒂的海王星V6引擎,其次是法拉利與麥拿倫的120度大開角V6引擎,此外還有Nissan的可變壓縮比引擎,而且下放置國民車款上,一般人都享用得到。

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?

最後,必須說明一個相當重要的關鍵與盲點,那就是燃燒室內開任何的小孔或是腔室,對於穩定性與耐用度來說,都是充滿疑慮的一件事!沒錯,這就是多數車廠不願意發展副燃燒室引擎的重要原因。具有副燃燒室的引擎使用一段時間之後,工作效率就開始不斷下滑,相當不利於長時間、高里程使用,除非經常拆引擎進行除碳或更換副燃燒室等維護工程。

引擎再如何要求完全燃燒這件事,都還是會有積碳問題存在,因為不可能真的將燃氣完完全全燒乾淨,汽油成分沒有這麼單純(甲烷相對優異、氫氣更佳)。所以說,只要是汽油引擎,就一定會有積碳問題,積碳絕對會影響海王星V6引擎副燃燒室與六個噴射孔的容積、溫度、孔徑、通道光滑、氣流順暢性、噴流的強弱與方向。

因此,積碳到何種程度會影響引擎效能?此時需不需要進行任何除碳工程?需要拆引擎除碳?還是採用目前最新科技氫氣除碳?或是採用藥水灌注方式進行除碳?還是經常使用引擎除碳藥水灌注於油箱當中就可以?或是瑪莎拉蒂預燃室表面都有特殊金屬或陶瓷塗層(像是不沾鍋那樣),能抑制積碳生成或是降低積碳厚度,長時間使用不影響燃燒效能?或是海王星引擎銅質預燃室工作溫度極高「可以直接將積碳燒掉」不會有此疑慮?

▲昔日在賓士的高壓共軌直噴技術發展純熟之前,許多柴油引擎都有預燃室設計,容易造成積碳阻塞,影響火焰噴流的方向、角度、強度,引擎效能日漸低下,沒力、噴黑煙、高震動等問題越來越嚴重。因此今日只會在大型柴油引擎上面才會見到副燃燒室設計,一般柴油引擎早就視副燃燒室為虎豹豺狼避之唯恐不及。

▲Honda計畫將F1賽車的預燃室科技,下放至性能二輪上面,其一,Honda NSX下台一鞠躬、超跑斷根沒搞頭了;其二,摩托車界的仿賽車轉速高達一萬轉左右,搭配此科技很有賣點,至於其它原因請看下面分析。

總之,如果無法克服積碳、效率恆常性、壽命耐久性等問題,沒有廠商敢發展副燃燒室引擎,砸了招牌、毀了品牌形象的可能性非常高!

如果我有這樣的引擎與跑車(純粹想像),有幾件事最好不要做:其一,開著超跑在車陣中塞車,加速積碳生成;其二,把超跑當計程車開,累積高里程加速引擎效能劣化;其三,沒有經常拉轉速的習慣,促使引擎老化;其四,不按時保養,造成機油劣化加速引擎積碳;其五,只顧著把妹、開車習性溫吞,浪費一具優質高轉速引擎。

由此不難看出,因為MC20是超級跑車,相對適合預燃室引擎科技,如果是一般的國民車款,上述五點絕對是經常犯,難保預燃室引擎的工作效率不會退化。基於此,還有人覺得XX車廠會跟進預燃室引擎嗎?雖然說Honda會使用,不過應用範圍乃是二輪界的仿賽車(約一萬轉的高轉速引擎),原因為何不難理解。

目前四輪界會推出預燃室引擎的車廠,大概只有法拉利吧。畢竟法拉利有辦法幫瑪莎拉蒂設計新引擎,之後Ferrari研發自家更犀利的預燃室引擎相信不是難事,但不保證此事一定會發生,說不定研發純電超跑還比較實際!只能說,目前油電與純電都還有進步空間,而且狀態稍嫌不明,任何新科技可能都是槓桿點,如何權衡與抉擇既困難又關鍵,讀者消費者只能靜觀其變。

▲未來,說不定瑪莎拉蒂將保留內燃機直到末日,法拉利則是上探純電超跑領域,如果真是如此,那也不會太意外,因為瑪莎目前的態勢就是這樣。但不變得是:如何確保研發單位時時刻刻都處於巔峰狀態,維持最佳效率,方能贏得此一困難戰役,法拉與瑪莎目前也都是這麼做!

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