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熱效率的邁進
更聰明、更有效率的引擎

252期 作者.攝影/超越車訊 (版權所有 禁止轉載)
與汽車剛誕生之初相較,今日的引擎科技看來進步神速;但事實上,這種燃燒汽油轉換為能量的內燃機,依舊屬於工作效率低落的機械,因為運轉時的熱效率一直並無太顯著的提升。在眾多車廠與工程師的努力不懈下,汽油引擎終於達到了40%的熱效率,加上連壓縮比都可改變的引擎問世後,能達到50%熱效率的汽油引擎,看來已不是夢!

熱效率=能量所能轉換為機械功的比例
什麼是「熱效率」(Themal Efficiency)?這個專有名詞的定義為引擎所提供的能量中,能轉換成「機械功」的比例。我們必須先說明,內燃機誕生百來年雖然進步快速,但其實至今在「熱效率」這回事上,一直並無太突破性的進步。為什麼熱效率無法提高?首先,燃料在汽缸中燃燒,本來就會有不完全燃燒狀態,而產生的能量,也會讓引擎運轉時的摩擦阻力、進排氣損失等吃掉少許;大部分的能量,則以「熱能」的型式,被冷卻系統吸收或散逸至空氣中(冷卻損失);剩下來的,才能用於轉化為機械能驅動車輛。
那引擎的熱效率大概為何?柴油引擎因為有高壓縮比並採壓縮點火,熱效率普遍有35∼40%左右;至於汽油引擎則大約在30%上下。汽油引擎經過百來年的發展,運用上這麼多新技術,還無法讓熱效率達到40%的地步,是否比大家想像得還要低了不少?也就是說,燃料所蘊含的能量,大約有七成被浪費掉,這樣看來,內燃引擎還真是種效率低落的機械不是嗎?
提高引擎的熱效率,一直都是每間車廠的重要課題;以中小型排氣量引擎為主流的日本車廠更是如此。其中,處於龍頭地位的豐田算是較有計畫與成果的日本車廠。如何提高熱效率?豐田認為最簡單的方法就是提高壓縮比,但隨之而來便是高溫與爆震等問題;另外,在維持輸出水準的狀態下盡量減少燃料消耗也是一個方法,因此每間車廠都在想盡辦法追求「稀薄燃燒」,但稀薄燃燒會導致點火困難,點火之後火焰也較難快速傳播至整個汽缸中,更別說也會帶來高溫與爆震;而豐田便是針對這兩大方向進行改善,並逐步讓引擎擁有更佳熱效率。

豐田的野望
40%熱效率達成,放眼50%目標!
高效率引擎新計畫

2014年4月,豐田集團宣布日後旗下動力單元研究的新方針,將以效率更高的新引擎陸續搭載於旗下車款,這個計畫將針對引擎的泵損失、排氣損失、冷卻損失、摩擦損失等四大項目進行改善,目標當然就是讓引擎擁有更佳熱效率,並讓燃油效率再提高10%。同時,也展出了最大熱效率分別37%與38%的1.0、1.3升兩款新世代「高效率」汽油引擎,為這個計畫開啟了令人矚目的序章!
2015年,是豐田高效率引擎計畫豐收的一年!於日本最受矚目的汽車工業展覽Automotive Engineering Exposition中,豐田一口氣展出了更多高熱效率汽、柴油引擎震驚業界;不僅如此,他們還透露正在開發一款新車,搭載最大熱效率可達40%以上的汽油引擎,這可是量產汽油引擎中的最高水準,還搭配了他們嶄新的TNGA模組化底盤。你應該猜到了,這便是最新一代的Prius。

豐田高效率引擎Key Point!
2NR-FKE Key Point:引擎水道隔板+高壓縮比
搭載於去年小改款Corolla的1.5升2NR-FKE引擎,是由原有的1NZ-FE修改而來;由於採用Atkinson循環,為了彌補損失的輸出功率加大進排氣道的口徑;引擎水道下方配置了採用發泡橡膠與不鏽鋼薄板組成、一種稱為「EXPAT」的隔板,可阻礙冷卻水的流動,讓汽缸中段的溫度比上半部提高了約20℃,可使機油黏度降低,減低活塞與缸壁間的摩擦耗損,汽缸上半部較低的溫度則能避免爆震發生。另採用能更順暢排氣的4-2-1型式頭段,搭配由10.5增加至13.5的高壓縮比設定,讓熱效率由原本的36%提升至38%。

1GD-FTV Key Point:高科技活塞塗層
用於大型貨卡的1GD-FTV 2.8升四缸柴油引擎,採用的關鍵技術為一種Thermo Swing Wall Insulation Technology的新塗層,將這種隔熱與散熱性極佳的塗層覆蓋於活塞頂部,便可降低燃燒時由活塞傳導給缸體的熱量,最高可降低約30%的冷卻損失;相較於舊世代的1KD-FTV動力單元,熱效率提高了15%以上達到44%。

8NR-FTS Key Point:排氣歧管優化+D4-T直噴系統+VVT-iW
去年搭載於小改款Auris的1.2升汽油引擎,採用渦輪與新式D4-T直噴系統的組合,並將一體成型排氣歧管整合於水冷式缸頭內控制廢氣溫度;吸氣側則採用了可變角度更大的VVT-iW系統,可在必要時讓引擎由奧圖循環切換至Atkinson循環模式,不過為了避免爆震,壓縮比僅設定在10.0:1。

世界第一的New Prius
New Prius雖搭載與前代車型相同的2ZR-FXE 1.8升直四引擎,基本架構、排氣量,以及以Atkinson循環模式運作等仍維持不變,但重點是以豐田高效率引擎計畫的方針進行修改。 對於Hybrid車而言,由於低轉速有馬達輔助,內燃引擎的工作範圍大多處於效率較佳的中高扭矩區域,但也因這個區間的引擎負載通常較大、燃燒溫度較高,容易導致爆震現象,而新引擎之所以能有如此高的熱效率,最大關鍵便是把EGR氣體(Exhaust Gas Recirculation)輸入量提高到過去的2.5倍之多,並事先加以冷卻,有效地降低了汽缸溫度。
但問題來了,EGR氣體過多會導致燃燒效率降低且速度變慢,因此將進氣口形狀由過去的彎曲改為直線,並同步縮小口徑,結果就是大幅增加進氣流速,並配合活塞頂部形狀的修改,讓混合氣體能在汽缸內形成更強烈的「滾流」(Tumbling);至於因強大滾流導致點火困難的問題,則透過提高火星塞點火能量來解決。此外,透過軸承、汽門彈簧等機件的改良,引擎的機械耗損降低了14%之多,也採用與2NR-FKE相同的引擎水套隔板控制冷卻水流量以降低冷卻損失。經過這些看來不起眼的細部修改後,New Prius的2ZR-FXE熱效率由原本的38.5%提升至40%大關,或許看似僅有1.5%的增進,但背後可是花了極大的功夫才能達到如此境界,這幾乎達到了柴油引擎的水準,也是量產汽油引擎的新里程碑。
在看似不符成本的研發之下,豐田率先達到了40%熱效率的境界,但這會是極限嗎?顯然不是,因為除了豐田之外,其實日本政府與產業界也都在積極地研究如何讓引擎有更佳熱效率,如由日本政府大力推動的戰略創新創造計畫(SIP)中,便有一項「革新燃燒技術」研究計畫,這項計畫是藉由學術界與業界合作的方式進行,他們的最大目標,便是開發出擁有50%熱效率的汽油引擎!

日產的成功 8.0∼14.0之間壓縮比可變!
壓縮比的難題

畢竟有了超過百年的發展,車廠對於如何提高引擎的輸出、效率或油耗表現等方式早就瞭若指掌,但問題是,引擎並非一直以相同的條件運轉,而是不斷依照路況改變負荷與轉速等條件,想讓引擎在高、低轉速或不同負荷下皆維持相同效能並不容易;舉例來說,讓低轉速便擁有大扭力的方法,對於引擎在高轉速時可不一定適用,壓縮比的設定當然也是如此。有一好沒兩好,對於市售車來說,如何兼顧各種行車狀況下的表現才是重點,這也是各種能依照狀況變化的「可變機構」接連誕生的原因,如可變氣門正時或揚程機構、可變進氣歧管等;令人驚訝的是,現在連壓縮比都可改變了!
壓縮比的定義為活塞位於下死點時的汽缸總容積除以活塞位於上死點時的總容積,簡單來說便是混合氣體被壓縮的比例,壓縮比愈高,引擎的工作效率當然愈好;但壓縮比可不能無限度的提高,因為高壓縮比伴隨而來的就是高壓高溫,因此壓縮比設定上限通常是以導致爆震的界線來決定。所以在接近爆震邊緣盡量高壓縮比就對了?那也不一定,至少對近年來成為趨勢的渦輪引擎而言便並非如此。渦輪固然是小排氣量引擎用以創造動力的最佳方案,但帶來的高壓與高溫可是更甚於NA引擎,因此僅必須調降壓縮比避免全增壓時的爆震現象;但相對而言,調低壓縮比後,在低轉速、低負荷等渦輪處於工作效率不彰時,引擎整體的工作效率便會顯得相當低落。

高效率/高動力模式切換
如何讓引擎能在不同負荷或轉速下擁有更佳的熱效率?讓壓縮比隨需求改變高低不就行了?早於2003年,Saab便曾提出過這個概念,並推出了名為SVC的可變壓縮比概念引擎,而後不少車廠包括Nissan在內,也紛紛推出了自家於此領域的發展概念,但最終卻都因為冷卻系統的設計困難或機件結構過於複雜等問題而無法付諸量產。不過,日產針對可變壓縮比引擎的研究可並未停止,經過20年的時間,終於在今年8月宣布,即將開始量產旗下的VC-T可變壓縮比引擎(Variable Compression Ratio)。以結構來看,VC-T與Nissan在2005年前發表的VCR概念引擎(Variable Compression Ratio)採取相似構造,當然,與20年前相較,連桿材質的強度與精密度皆有大幅提昇,或許這就是VC-T之所以能達到量產階段的原因。簡單來說,VC-T的原理便在於採用液壓機構改變連桿高低,這當然也同時改變了活塞上、下死點的位置,壓縮比便能在8.0:1∼14.0:1之間切換。當引擎處於低負荷渦輪工作效率不彰時,便採用高壓縮比設定帶來較佳熱效率與油耗;相對地,需要動力時,便降低壓縮比,讓渦輪能夠盡情發揮全力而不用擔心爆震。VC-T將率先配置在Infiniti旗下搭載2.0升四缸渦輪引擎的QX50車款,更詳細的資訊則將在隨後的巴黎車展上公佈。

通往50%熱效率的鑰匙
內燃引擎雖然發展了很長一段時間,但達到今日的成就可並非一蹴即成,而是由許多小細節的進步堆積而來,就像是豐田的2ZR-FXE與日產的VC-T一樣。2ZR-FXE的新技術不算多,但靠著舊有技術的不斷進化改良,達到了40%熱效率的境界。發展已久的可變壓縮比技術實現後,引擎便可在低負荷區和高負荷區改變壓縮比,也真正擴大了引擎能夠以高熱效率行駛的區域,同時也代表著人類對於引擎擁有了更多的掌控權。
除了豐田與日產,其實各車廠的工程師們仍在研究如何讓引擎擁有更佳熱效率的方法,包括在燃料中混入更多空氣的「超稀薄燃燒」,或如何在氣缸內製造強氣流、並提供更強力點火的技術,甚至是使汽油燃料和廢氣通過觸媒轉換器變成氫再導回燃燒的「燃料改質」等。當然,可變壓縮比引擎,或許會是有朝一日引擎熱效率能達到50%的其中一把鑰匙。


 

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