《Toyota RAV4 Dynamic Force引擎》科技回顧（02）淺談分層燃燒、均質燃燒、壓電式噴油嘴

2022-01-31 13:00:00

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第一回合瞭解高壓縮比、爆震等基本常識後，再來談談自然進氣架構的缸內直噴汽油引擎，簡稱直噴引擎，壓縮比高達14：1不會爆震嗎？當然會，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」。

▲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

何謂均質燃燒、分層燃燒

均質燃燒，就是在「汽化+平均分布」狀態下燃燒，潔淨、低污染，多數汽油引擎都是如此，但壓縮比太高會有爆震疑慮

分層燃燒，就是在「液態+非平均分布」狀態下燃燒，節能但污染大，除非使用壓電式噴油嘴，否則無法通過環保法規。

分層燃燒的命名，乃是因為液態汽油的燃燒過程，乃是從表面開始燒起，再一層一層地向內燃燒，直到完全燒盡，此一過程很像在剝洋蔥或高麗菜，所以叫做分層燃燒。

VW集團最新、最普遍、最省油的FSI引擎，其實就是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，屬於「分層燃燒」架構，但並非所有直噴引擎都是FSI燃料分層噴射設計，如本系列報導的主角Toyota Dynamic Force引擎，雖具備「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，也是本系列報導的關鍵，在相似結構下的情況下，Dynamic Force引擎的運作思維，其實和VW集團的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、成本相對高，因為壓電式噴油嘴與控制系統並不便宜。是的，養小三哪有這麼容易！從「豬揚變色」到「雷神之鎚」就能看出個端倪！所以Dynamic Force引擎只用均質燃燒，一夫一妻簡單又便宜…

▲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，中高轉速因活塞速度太快，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在賽道上都是以萬轉的高轉速衝刺，爆震完全不影響動力輸出。

壓電供油嘴直噴的救星

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，但問題是柴油引擎如果沒有昂貴的觸媒做後盾，就會大量噴發NOx等有害氣體，兼PM2.5+PM10冒黑煙大烏賊，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，不如使用效率更高的柴油引擎就好！

幸好，透過先進的「多階段供油」分層燃燒設計，也就是壓電式噴油嘴，或稱為超音波噴油嘴，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。

▲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（壓電=超音波），傳統電磁式噴油嘴根本辦不到！

「專利與技術門檻」是第零個問題，即便成本不高也無法自行開發！至於「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！

小小結論

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」！無庸置疑，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個追隨者，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。