Mazda 3《e-SKYACTIV X》壓燃引擎(六)非用不可~最強稀薄燃燒

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探討SKYACTIV-X引擎實際表現之前,先來瞭解HCCI「均質燃燒+壓縮點火」二個非使用不可的理由。第一個理由是最強稀薄燃燒、第二個理由是最快點火速度

▲二者都是缸內直噴引擎,左方為難以達到極致稀薄燃燒目的之均質燃燒狀態,多半用於高負荷狀態;右方為應用稀薄燃燒目的之分層燃燒狀態,不會預先供油,而是當活塞快要運行至上死點時才開始少量供油,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,火星塞點火瞬間就能順利引燃,達到優異的稀薄燃燒目的。這二種供油模式可以交錯應用也可以同時應用,變化多端,但空燃比終究並沒有辦法像壓縮點火汽油引擎那樣誇張,因為作動原理完全不一樣,所以節能與潔淨程度差很多。

最強稀薄燃燒

對引擎設計稍有概念的讀者,都能明白稀薄燃燒乃是省油的重要關鍵之一,柴油引擎之所以省油+低轉速扭力大,除了燃料熱值高、引擎壓縮比高之外,極致的稀薄燃燒也是關鍵,直白話就是~只要在燃燒室內噴一點點的燃料就能順利點火運作,而且多數燃料都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。

唯一可惜之處,就是柴油引擎無法使用潔淨的汽化狀態均質燃燒模式,只能採用高溫分層燃燒方式運作,所以一定會產生PM碳微粒以及NOx污染,也一定要使用昂貴的吸附型+選擇性觸媒。

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,並非整合各車廠的研究數據,所以相關數據相對保守。

* 最傳統的設計 均質燃燒火星塞點火引擎 HCSI 最佳空燃比14.7:1、最大空燃比20:1

* 絕對直噴設計 分層燃燒火星塞點火引擎 SCSI 最大空燃比29.4:1

*馬3 e-SKYACTIV X 均質燃燒壓縮點火引擎 HCCI 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,就是注入燃燒室的燃油太少、太稀薄時,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」或是「分層燃燒」,多數燃料都是在液態霧化形式下燃燒,不論霧化程度多麼高,多數燃料依然是液態而非汽化狀態,所以「分層燃燒」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,難以在瞬間一口氣燒個精光!

▲採用稀薄燃燒的缸內直噴引擎,另一種點火設計為火星塞直接擺在噴油嘴旁邊「邊噴邊燒」直接又有效!

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「分層燃燒」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碳微粒、HC燃油污染,每一項都對人體有害,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,整體來說還是汽化狀態的均質燃燒污染最小。

最後來討論HCCI均質燃燒的空燃比問題了,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Mazda SKYACTIV-X引擎僅挑戰36.8:1這樣的稀薄燃燒程度,至於實驗引擎則是可以挑戰60:1,但是很難達到實用等級的扭力輸出,除非車身很輕很輕,像是摩托車這種一百多公斤的重量就可以這麼做,所以Honda並沒有打算將HCCI壓縮點火汽油引擎率先應用在汽車上,而是機車優先。

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(一) 台灣突然導入怎回事?

(二) 淺談內燃機「供油+燃燒」共四種架構

(三) 柴油可以壓縮點火卻不能均質燃燒?

(四) 其它車廠有沒有壓縮燃燒汽油引擎?

(五) 汽油壓縮燃燒粉困難!仍須火星塞相挺

(六) 非用不可~最強稀薄燃燒

(七) 非用不可~最快點火速度

(八) 淺然結構設計 但依然是機密

(九) 因地制宜很重要、穩定又比性能更重要

(十) 直接點名缺點在哪裡!

(十一) 此時此刻在台銷售是哪招?高招!

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