直噴式引擎再探討(一)

記者:Teddy 2000-03-28

在即將到來的二十一世紀,車輛所使用的動力源必須具備有低耗能,低污染的特性。這些可能動力源包括了燃料電池,複合動力及高效率內燃機。以下要向讀者們對高效率內燃機的其中一種,汽油直噴引擎,做個進一步的探討。

什麼是汽油直噴引擎?為什麼要有汽油直噴引擎?

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直噴式引擎基本構造

汽車用的四行程汽油引擎裡,噴射引擎已經成為標準,這種傳統的噴射引擎,透過安置在進氣道內的噴嘴,將燃油向汽缸內噴射。但是汽油直噴引擎不同,它的噴嘴安置在缸頭內,燃油以更細密的顆粒直接在汽缸內噴射。這樣的引擎我們就把它們稱做是汽油直噴引擎,Direct Injection Engine,也常被稱為DI引擎。


汽油直噴引擎最出名的,就是日本三菱的GDI家族了。三菱成叫lash;的把汽油直噴引擎給給商品化。整個產品線,從大排氣量到小排氣量,相當完整,可以看出三菱想用GDI引擎來取代傳統噴射引擎的企圖相當強烈。這也使得GDI:Gasoline Direct Injection,幾乎已經成為汽油直噴引擎的代名詞。而世界其他各車廠,不管是不是看好汽油直噴引擎在未來的發展,或多或少都對這樣技術作持續的瞭解與接觸。TOYOTA 發表了一款技術展示意味濃厚的D4引擎,NISSAN也有所謂的NEO Di引擎,在技術的掌握上可說是各具擅場。


那為什麼要有汽油直噴引擎呢?燃料電池和複合動力在未來的發展是可以預期的,但可能都還遙遠了點,內燃機引擎的輸出大,性能可靠,駕駛樂趣高,成本又低,這樣的特質不是其他動力源所比得上的。所以如果能把現在汽油引擎的油耗降低,其實還是能在未來的市場裡佔上一席之地。

汽油直噴引擎就是將低油耗的一條路

我們先回顧一下現行的車用的引擎好了,現在最常見,各方面表現均衡的引擎大概就是傳統的汽油噴射引擎(Port Fuel Injection,PFI),以及柴油引擎。PFI引擎在性能上和駕駛性上,表現得相當的優秀,但PFI引擎容易爆震,壓縮比的提高有限,它的空燃比又必須維持在14.5:1,沒辦法作稀薄燃燒,使得熱效率有限。而柴油引擎的壓縮比高,做稀薄燃燒又很方便,使得柴油引擎很省油,但是性能卻不夠好。那是不是有個辦法能讓性能優異的PFI引擎能有著像柴油引擎一樣的省油特性呢?那就是汽油直噴技術。


汽油直噴引擎是怎麼運作的

燃油直噴技術並不新鮮,所有的柴油引擎都是,在連lash;多年前,也曾經出現過汽油直噴引擎。但是,這種引擎的控制,需要在短時間內,做出複雜精確的反應;所以要把汽油直噴落實,並商品化,則一定要等到近年來電子控制技術的成熟才有辦法。微處理器的快速發展,加上引擎控制技術的長年累積,為汽油直噴引擎的發展,打下了必要的基礎。DI引擎油耗降低,性能卻能維持或更好,關鍵在於DI引擎有兩種燃燒模式:成層燃燒與均質燃燒。


我們先來看看成層燃燒。低負荷時,不需要太大的輸出,節約油耗應該盡量在這個運作範圍內達成。DI引擎在低負荷時可以稀薄燃燒,提供巡航或怠轉時所需的小額輸出。這種稀薄燃燒,空燃比可以達到30或50。本田最近發表了他們的新DI引擎,公布的空燃比可達65,而一般的PFI引擎的空燃比卻只能達到14.5。
 

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   直噴式引擎工作過程

事實上,空燃比如果真的到達50或65,這麼稀薄的混合氣是點燃不起來的。所以必須要讓汽缸內的混合氣不均勻混合,一部份非常稀薄,一部份比較濃厚,然後將這一小撮較濃的混合氣,精確的控制到火星塞的附近來點燃。這就是所謂的層狀燃燒。

而在高負荷時呢?這時候油耗並不是重點,引擎必須要盡量的提高輸出,讓車輛能很快的加速或爬坡。在這時候的燃燒模式就改成了與PFI引擎類似的均質燃燒。空燃比降低到與PFI引擎相近的水準,並且盡量讓燃油與空氣充分混合揮發,以得到最好的燃燒狀況。

在低轉速,低扭力需求的時候,像擁擠,走走停停的市區,DI引擎用層狀燃燒來節省燃油。而在右上角,高轉速,高扭力的時候,像山路上的運動式駕駛,DI引擎切換到均質燃燒來獲致最大輸出。

在實際上,要達到以上兩種燃燒模式共存在同一具引擎裡,已經不是件容易的事,如果考慮到駕駛性以及在兩種模式中間的切換過程,DI引擎的控制是必須要精準快速又複雜的。
汽油直噴引擎的運作是怎麼樣達成的?

而DI引擎要如何達到這兩種燃燒模式呢?

在成層燃燒方面,目前市面上發表的DI引擎,都是用固體邊界的方式來導引這一小撮的混合氣。所以我們會在DI引擎上發現各式各樣不同形狀的活塞頂。有的是半球,有的是深皿,有的是淺皿,這些奇形怪狀的活塞頂就是用來導引這股較濃混合氣的。

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TOYOTA的「D-4」直噴式引擎

除了用活塞頂來導引這股較濃的混合氣,DI引擎的進氣道可能會有些獨特的設計來彼此配合。三菱GDI的進氣道很有名,空氣由上方灌進燃燒室,形成大量的逆向滾流,可以推送這股較濃的混合氣到火星塞的周圍。豐田D4的進氣道則像個蝸牛殼,提供了很強的渦流來聚集這股混合氣。但是也有些進氣道的設計跟一般PFI引擎相去不遠,端賴各家車廠所開發的技術而定。

而為了確保混合氣的不均勻混合,大部分的燃油會在壓縮行程的後期才噴射,如果太早噴就都均勻混合掉了。所以燃油揮發的時間很短,噴嘴必須能噴出很微細的油粒,加上壓縮行程後期,汽缸內部氣體的壓力已經很高,DI引擎的燃油幫浦必須提供非常高的壓力,才能讓噴嘴向高壓的缸內噴射微細的燃油顆粒。DI引擎的燃油壓力大概是五十個bar到一百多個bar,而傳統高性能PFI引擎的燃油幫浦卻大約只提供幾個bar而已。


對成層燃燒來說,DI引擎的燃油噴嘴也扮演了很重要的角色。它噴出燃油束的形狀,長度,粒子的大小,或是提供給缸內氣體的動能,是DI引擎的關鍵核心技術之一,也是未來DI引擎裡最有進步潛力的一部份。在高輸出模式時的均質燃燒就單純得多,一般的PFI引擎其實也是均質燃燒。兩者沒有太大的不同,都是在進氣行程噴射燃油,不過DI引擎的噴嘴是安裝在燃燒室罷了。