《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

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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。

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共1則回應
wjj super
2022-02-08 15:44:26

這網站太強了。引擎科技的分析與剖析,真的深入淺出,令人收穫頗豐。

不像一般汽車雜誌與網站,只會說馬力幾匹,扭力幾公斤米。

要跟作者與此網站的工作人員,說聲:你們真的很用心。請繼續努力下去喔!!

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