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少即是多-新世代小排气量涡轮引擎发展趋势


2020-07-07


少即是多-新世代小排气量涡轮引擎发展趋势

随着现今汽车动力科技的日新月异,不但在动力输出上的数据益加强大,拜优异的引擎科技之赐,引擎的容积效率也较过往大幅提升,以广为人知的钢砲车款Volkswagen Golf GTI为例,其于1976年所推出的第一代Golf GTI车款,其搭载一具可输出110匹最大马力的1.6升自然进气引擎,具有极速181km/h的性能实力,以当时的性能输出标準来说,第一代Golf GTI的性能表现已令人惊艳。

突飞猛进的引擎动力科技

将时空转换至2011年,现今贩售的第六代Golf GTI随着引擎科技的演化,动力心脏早已更换成具备燃油直喷及涡轮增压系统的2.0升引擎配置,随然排气量仅较第一代车款仅多出0.4升,但最大马力输出却提升至210匹表现,较第一代车款增加了近乎一倍的水準,这便是汽车动力科技演进的实际验证之一。此外,引擎排气量的增加及汽缸数的增长,亦是动力科技所造成的发展趋势之一。

以BMW旗下最富盛名的性能车款M3为例,其发展至今已进入第四代车款,由第一代M3车款搭载的直列四缸引擎,演化至第二代及第三代的直列六缸引擎,而进化至第四代车款后,更提升至前所未有的V型8缸配置,动力输出更由首代车款的195匹最大马力,演变至现今的420匹最大马力,动力增加的幅度可谓惊人。由此看来,更大的排汽量及更强的动力设定,似乎已是未来引擎科技的发展重点所在,但这一切却在近年来不断发出警讯的能源危机,以及日渐受到重视的环保议题出现后,开始产生了变化。

引擎科技发展的重大转折

总和来说,石油能源的逐渐减少造成油价高涨,以及汽车排污造成的环境污染及温室效应开始发酵的问题,都是抑制汽车科技将引擎动力持续往上提升的主要原因,特别是能源危机的逐渐明朗化,更使得各家车厂莫不致力于替代能源动力的发展,现今已日趋普及化的Hybrid混和动力车款便是最好的例证,而纯电动车的科技发展在现今也已日趋成熟,有望成为未来替代能源动力的主流。

但是在替代能源动力仍未完全发展及普及化之前,内燃机引擎仍是现今汽车市场上的主流,面对现今各个国家日趋严苛的排污及油耗标準,现今车厂除了持续提升引擎的燃烧效率、藉以提升更为优异的排污表现之外,如何在不降低既有动力表现的前提下,却能提供更为优异的油耗及排污数据,就成了现今引擎科技发展的重要课题。而在现今许多车厂纷纷推出小排气量涡轮增压引擎、取代原有的大排气量自然进气引擎之后,似乎已可嗅到这股新世代动力的发展趋势。

广  告涡轮增压引擎的初期发展

在探讨这股小排气涡轮引擎风潮之前,我们先来看看涡轮引擎的发展与历史。实际上,涡轮增压引擎发展之初,并不是为了节能环保而生,其利用设置在进气与排气系统间的一个涡轮机构,藉由引擎废气推动涡轮叶片,让进气系统藉由涡轮的加压达到强制进气的效果,使得引擎在同样的排气量容积上可以注入更多的空气与油气混和,在火星塞点火时达到更强大的爆炸效果,藉以产生出更强的动力表现,由此可得知涡轮系统的配置,主要的用意乃是在于强化引擎动力的表现。

而为了与更多注入燃烧室的空气混和,引擎喷油嘴就必须注入更多的燃油,才能达到涡轮增压时需具备的油气混和比,甚且为了避免增压时的高压缩比设定让点燃油气爆炸后,带来极高的引擎室温度,引擎电脑更必须多喷一些燃油藉以达到降温的功能,所以初期发展的涡轮引擎,虽然能压榨出较自然进气引擎明显优异的动力输出表现,但油耗及排污表现并不出色,甚且引擎本体为了承受涡轮增压时的高压缩比设定,在引擎本体上也需特别强化,否则在耐用度上也会明显缩减,使得引擎製造成本明显提高,所以初期的涡轮引擎,仅使用于赛车及高性能车款上,在一般车款上并不容易见到。

直喷系统大幅改善涡轮引擎既有缺点

而随着涡轮引擎科技的不断发展,除了在引擎耐用度及涡轮增压效率上的日渐精进之外,能让涡轮引擎一跃成为新世代节能动力发展新星的主要原因,乃是在于缸内直喷技术的逐渐成熟。一般採用电子喷射系统的引擎,虽然能够藉由各项电子讯号(譬如引擎含氧感知器、进气流量计等等),精準的控制喷油量,但毕竟其仅建构在进气歧管内,油料与空气的混和在进入燃烧室前就已完成,而进入烧燃室前可能因为进气歧管的温度或是多种外在因素,都会影响了油气进入燃烧室前的混和比例精确度,所以在喷油量的精準度上仍是有着提升的空间。

以直接置于燃烧室的高压喷油嘴取代传统喷油嘴的缸内直喷系统,则是完全解决了这个油气混和比例不够精準的问题,特别是涡轮引擎需要的油气混和量较一般自然进气引擎更多,相对来说更会放大这个问题,而缸内直喷系统不但解决了这个问题,甚且更进一步提升了涡轮引擎的输出效率,并且藉由缸内直喷系统中高压喷油嘴的设计不断进化之赐,除了可以让燃油喷出量更为精準之外,还可针对引擎低转速与高转速时的不同需求,而在喷油量与喷油时机上进行变化,如此不但可改善涡轮增压引擎容易产生的涡轮迟滞问题,还可强化涡轮开启时的动力表现,当然在自然进气引擎上,缸内直喷系统同样可发挥上述的效果,但在涡轮引擎上的表现将更加的优异。

涡轮系统成熟化逐渐取代自然进气动力

此外,涡轮增压系统的日新月异,当然也是这股小排气量涡轮引擎风潮的推手之一。涡轮引擎发展之初,常陷入小出风量涡轮与大出风量涡轮的抉择,小出风量涡轮的涡轮迟滞特性较低、引擎仅需较少的废气即可轻易推动涡轮叶片达到增压效果,但对于引擎动力输出的提升有限,效果较不明显。大出风量涡轮虽然动力提升效果明显,但需要较大的废气量才能推动,造成涡轮迟滞的特性明显,引擎低转速力量反而不如一般自然进气引擎,而涡轮开启后的力量虽更为强劲,但明显的动力落差反而造成操控上的难度,鱼与熊掌难与兼得。

而双涡流涡轮、双涡轮及可变叶片涡轮系统,皆是为了改善涡轮引擎效能所开发出的新世代引擎科技,不但能明显改善涡轮增压引擎先天上的设计缺陷,还可大幅提升引擎的运作效率,拜前述的涡轮引擎科技之赐,现今的新世代涡轮增压引擎早已不可同日而语,除了在排污及油耗表现上的大幅提升之外,还可达成自然进气引擎难以达到的扭力及马力双平原完美衔接设计。

新世代的直喷涡轮增压引擎设计,完整强化引擎全转速域的动力输出表现,有了斤斤计较、每一分都不浪费的动力输出后,无论是动力表现或排污都可更为优异,如此便能以较少的引擎缸数及排气量的涡轮增压引擎,达到与大排气量的自然进气引擎相同、甚至更为优异的动力输出表现,成为现今新世代汽车动力系统的主流。



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