不可否認,大部分的車主都希望自己的愛車馬力越大越好,但是在大腳油門「尬掐」時,您是否想過內燃機的油耗以及廢氣污染的問題?汽油總有燒完的一天,現在不好好珍惜並尋找替代能源,就會發生「前人砍樹、後人曬太陽」的窘境。引擎在正常燃燒狀態下所產生的二氧化碳會造成溫室效應,至於其他有害物質還包括一氧化碳、燃燒不完全的油氣(HC)、高溫行程的氧化氮(NOx)、硫化物等,對人體及自然界絕對沒有好處

 

好吧,那我們都不要開車或騎車,通通去踩腳踏車或搭「11路」!我舉雙手同意,但是多數人都是舉雙手投降或反對。既然如此,那就讓我們好好研究一下如何節省燃料以及降低有毒廢氣排放。
如果您看完本文就通盤了解並能提出質疑者,那您一定是位機械天才或科班出身讀者。如果您看不太懂,不要責怪自己,要怪筆者文筆及技術知識不佳。如果對改裝或汽車技術有興趣者,能完全了解本篇文章之敘述後,對引擎科技知識將增添一甲子功力

<稀薄燃燒的迷思>
想要省油並增進效率就必須朝向稀薄燃燒及高壓縮比這兩個途徑。為了維持引擎正常運作,空燃比通常維持在14.7:1左右會有較佳的燃燒效率,調整範圍在12:1∼16:1之間,超出這個範圍,燃油混合氣就不容易被引燃。油氣濃、空燃比低容易產生燃燒不完全,造成積碳及耗油、HC廢氣生成等情形。但是汽油能幫助引擎散熱的功效,所以燃油氣濃能保護引擎免於高熱危害以及減少爆震發生的可能性,對於低轉速進氣效率不彰的自然進氣引擎能改善扭力輸出。所以耐久賽及一些穩紮穩打的賽車手都選擇較低的空燃比。而且適度的油氣濃度,空氣中的氧氣將充分與油氣結合產生二氧化碳與水,就不會和氮氣起作用產生有毒性的NOx。
油氣較淡、空燃比高的稀薄燃燒方式能減少汽油的消耗量,達到省油的目的。但是稀薄燃燒容易產生爆震、缸溫過高、氧氣運用不完全等情形,高溫加上燃燒後廢氣中含氧過多的結果,造成氧氣與氮氣結合產生大量的NOx,必須藉由特殊的觸媒段吸收NOx,並導入空氣,讓NOx與HC再次被觸媒催化成水及二氧化碳。第二種方法就是大量利用EGR系統引導廢氣進入進氣岐管,這樣的功效是因為燃燒後的廢氣含氧量極少,加入進氣系統中一起混合能降低油氣的氧氣比例,如此就能抑制NOx的產生。廢氣除了可以推渦輪外還有環保功效,夠神奇吧!
但是NOx吸附觸媒成本高,廢氣中含NOx越多就要用越長的特殊觸媒段來吸收,如此一來,大排氣量的引擎製造成本將會成等比上昇,市場競爭力較弱,日後的維修成本也很驚人。EGR系統要精確控制廢氣導入量並不容易,而且在怠速時、引擎負荷量大時、暖車時期(引擎未達工作溫度前)不能使用EGR,不然會造成引擎運轉不順及扭力降低,所以EGR不能完全取代特殊觸媒。最好的方法就是兩者都用,但是羊毛出在羊身上,消費者必須忍受昂貴的車價才能享有既環保又省油的引擎。

<認清內燃機效率不佳的事實>

首先,讀者必須了解四行程內燃機的效率其實不高,在四個運作行程中只有動力行程在做功,其他三個行程都處於消耗能源的狀態。而且當車輛遇到紅燈處於靜止,引擎呈怠速運轉狀態,車輛沒有前進可是引擎還是得持續運作不能熄火,相當浪費能源,而且怠速時的油耗及廢棄污染都相當嚴重。

再者,注入內燃機的汽油約略只有1/3的能量來產生動力,其餘1/3轉化成熱能被內燃機本體吸收,另外1/3未完全燃燒經由排氣機構釋放出去污染環境。看到這樣的數據,對許多人而言都感慨其效率之低,浪費消費者的汽油錢,但是對於機械工程師而言,內燃機的效率遠不及外燃機,想從耗損能量中搾出百分之十轉注到引擎輸出動力上,是不可能的任務。

<常見的引擎環保設計>

之前,為了達到良好的引擎燃燒效率,所以發明了噴射引擎取代空燃比控制不易的化油器,加上許許多多的先進感應器及電子科技,讓引擎成為台灣「電子花車」大戰的導火線(NISSAN掀開配備戰之前不就是先將Sentra的化油器引擎改成噴射引擎,當然這是開玩笑的說法,但是大量使用電子科技應用在汽車上非引擎科技莫屬)。

當今,量產的自然吸氣引擎中單位容積燃燒效率極高的BMW車系(馬力、扭力兼具),運用了各缸獨立的節氣門以及進氣岐管直噴技術、電子節流閥、連續式可變汽門正時機構、優異的引擎管理電腦,讓M5、M3成為車迷崇拜的對象。但是在環保的努力上,同樣具有超高燃燒效率的HONDA車廠所做的研究,確實走在全世界車廠的最尖端。

普遍而言,各家車廠降低廢氣污染的措施有使用無鉛汽油、排氣管加上觸媒轉化器、油箱廢氣循環系統、曲軸箱廢氣循環系統(PCV)、引擎廢氣循環系統(EGR),較高檔的設
計還有進氣預熱系統、排氣管二次進氣系統、引擎反置設計,以上所述是比較常見的設計,接下來就要進入HONDA的科技領域。

光看筆者簡單的論述,相信許多讀者仍是一片茫然,就用圖文來解釋吧:
※ 燃燒不安定時之是iVTEC大膽使用稀薄燃燒,此時沒有EGR的機制運作,NOx須靠特殊設計的觸媒段來吸收。但是在暖車時期,缸溫不高,所以NOx的污染情形並不嚴重。右圖為排氣行程,當活塞到達上死點之前,進氣汽門是不會開啟的,大部分的噴射引擎都是這樣設計的。當汽缸內的混合氣燃燒狀況不穩定時,iVTEC無法運用進氣汽門開啟的方式導入廢氣進入進氣岐管內產生EGR效果。
※ 燃燒安定時之省油EGR效果稀薄燃燒(VTEC作動,VTC正時提前,單一進氣汽門運作,行程及開啟時間增長)暖車完畢後,缸內燃燒狀況安定,使用一進二出的進排氣機構會產生穩定的渦流,這時iVTEC將發揮效用。當引擎處於低負荷時是省油的最佳時機(不論是低、中、高轉速都必須省),這時需要大量利用EGR效果以及稀薄燃燒才能達成。iVTEC引擎並未設計額外EGR閥門機構,而是利用進氣汽門來達成,這種設計可說是HONDA的獨門密技,只有少數車廠學的來。右圖同樣是排氣行程,當引擎管理系統發現引擎處於低負荷狀態(從駕駛者踩油門的深淺,或說是節氣門開啟的角度來判定),VTEC與VTC同時作動,汽門開啟的行程變長、開啟時間也增加、重點是開啟的時機也提前。在活塞到達上死點時進氣汽門就開啟了,所以一部份的廢氣藉渦流效應就經由進氣閥門跑到進氣岐管內,與下一步驟的進氣行程中,廢氣將與燃油混合氣一同進入汽缸中達到EGR的效果。這時搭配引擎管理電腦的控制讓供油嘴的噴油量減少達到稀薄燃燒的效用。因為引擎負荷量不大,進氣岐管真空值較高,所以進入汽缸中的油氣也不多,用稀薄燃燒不容易發生爆震現象,引擎溫度也不會太高,NOx的抑制有EGR功效控制,省油、環保兼具。而且在引擎設計上仍可使用高壓縮比增進引擎效率。以往VTEC設計只有在中高轉速才運作,但是iVTEC在低轉速也必須作動。
※ 低轉速大扭力輸出狀態(VTEC作動,VTC正時做適度調整,單一進氣汽門運作,行程及開啟時間增長)當引擎處於低轉速,而駕駛者開始踩油門加速時,此時引擎管理系統必須截斷EGR功效,才能精確控制空燃比,達到最佳扭力輸出。而且就算是引擎位於低轉速時,要衝刺還是要讓汽缸吸到多一點燃油混合氣,所以VTEC還是繼續作動讓進氣汽門開的又長又久。但此時的進氣效率又沒有差到要開兩個進氣汽門才能供應足夠的進氣量。如此,少了一支汽門運作,引擎內部的慣性阻力就小,引擎扭力輸出較以往VTEC更佳。之前的VTEC引擎是感應轉速作動,iVTEC是感應引擎負荷及轉速雙管齊下,兼具SOHC與DOHC的優勢。至於EGR的解除就是使用VTC機構延後進氣汽門的開啟時機來達成。如右圖的排氣行程,當活塞達到上死點前,進氣汽門開啟時機延後,廢氣因開口太小無法進入進氣岐管內,EGR功效因此而取消。這樣的運作特性目前唯有iVTEC能達成,一般的可變汽門正時機構能達成EGR效果,但是要兼顧怠速、暖車、起步時的引擎轉順暢性就必須使用特殊設計,如怠速進氣閥、怠速供油噴嘴、電子節流閥、可變進氣岐管、甚至各汽缸獨立的電子節流閥(如BMW E39 M5、E46 M3的ETBC系統)才能解決使用高角度凸輪軸所帶來的引擎湧浪現象,但是要控制單一汽門個別作動,還能調整行程、時程及正時,非iVTEC莫屬。

 

 

 

 


※ 中高轉速大扭力輸出狀態(VTEC作動,VTC正時提前,雙進氣汽門運作,行程及開啟時間增長)引擎處於中高轉速高負荷時,為了達到最佳進氣效率,除了VTEC開啟之外,VTC也跟進。從右圖中的排氣行程可以看出一些端倪,當活塞到達上死點時,進氣汽門已經開啟,但是作用不在於導引廢氣進入進氣岐管產生EGR效果,相反的,是讓進氣岐管的燃油混合氣預先進入汽缸內,將汽缸燃燒過的廢氣從排氣汽門擠出去,讓高負荷下的中高轉速引擎效能更佳。但是最重要的問題為進氣岐管如何產生夠大的渦流效應將燃油混合氣在排氣行程中「擠」進汽缸中,因為在排氣過程中,汽缸的廢氣壓力     通常大於進氣岐管的壓力,除非是增壓引擎,不然以自然進氣引擎而言,進氣岐管內的壓力通常是低於大氣壓力的,但是HONDA以可變式進氣岐管以及優異的流體力學設計完成此項不可能的任務,連汽缸內部的旋轉氣流設計也須經過嚴密設計,不然提前進入汽缸內的混合氣如果又從排氣岐管溢出,那效能又將打則扣而且不環保。混合氣提前進入汽缸中,具有降低汽缸溫度的效果,而且混合氣有更多的時間來提昇溫度,燃燒效率更佳,也不容易積碳並能降低HC排放。但是低轉速、高負荷時為何不用這種高效率進氣方式,主要原因就是自然吸氣引擎在低轉速進氣效率不理想,在進氣岐管壓力不足的情況下,提前開啟進氣汽門反而會讓廢氣溢出,降低汽缸的油氣濃度。

HONDA認為要讓燃油效率充分發揮,必須具有高壓縮比、高進排氣效率的引擎設計方能達成目標,所以VTEC、iVTEC誕生。而且進氣效率佳,低轉速狀態下不須提高供油濃度來搾出汽缸內所有氧氣的燃燒效益,這樣會增加油耗及HC的排放。相反的,HONDA在供油上盡量以低燃油濃度來達成,能省則省,只要不發生爆震或爆引擎就好,加上HONDA引擎耐用度佳,對高轉速及高溫的適應性良好,在iVTEC引擎上,活塞的造型也經過特殊設計,除了四周有避免敲擊到汽門的缺口設計,中央還有類似缸內直噴引擎的凹槽設計,應該具有導引混合氣及降低爆振的功效。優異的整體引擎表現,HONDA動力機構廣為賽車界歡迎,並贏得消費者口碑。

iVTEC出現在量產的七代Civic 2.0身上,以1410㎏的車重,平均油耗達14.2㎞/l,具有154hp/6500rpm、19.0㎏m/4000rpm的動力水準。平名化的車價享有高科技、低污染的功效。以BMW的自然進氣引擎科技而言,應該也有這樣的實力,但必須利用許多高科技、高價位配備來達成,短期內應該很難「平名化」。

在iVTEC的發展過程中,其實是充滿艱辛的,因為汽門的開啟行程、開啟時間、開啟時機等變因是環環相扣的,當引擎的負荷及轉速變化時,這三者應如何變化是需要長時間測試,加上供油、進氣岐管設計、可變岐管的細微角度變化、噪音控制、溫度控制、整體動力輸出搭配、耐用度等等都是牽一髮而動全身,是門艱澀的經驗科學,但這也是HONDA
的資產及秘密武器。如果研發過程沒有這麼困難,國內早就自行研發出DOHC VTEC。
ZLEV超環保引擎科技>

擁有iVTEC並不能滿足污染控制機制,必須要作整體搭配。雖然iVTEC能提供EGR效用,但是不可能完全抑制稀薄燃燒所產生的NOx,必須搭配NOx吸附型觸媒,但是可以大幅縮減這種特殊觸媒的體積以降低成本。

HONDA研究出「ZLEV」引擎科技,能將有害廢氣排放降到難以想像的地步。其設計機制對應剛發動引擎、暖車運轉時期、正常運作等三種狀況,引擎本體必須以VTEC機制來運作,排氣機構使用多段式觸媒設計,主要分成前後兩段。

前段觸媒設計非常接近排氣岐管,為的就是要充分吸收廢氣的熱能,方能以最快的速度達到觸媒工作溫度。而且這一段觸媒只要工作溫度稍高就具有吸附HC的功用(但是溫度過低仍不具功效),能夠在暖車運轉及正常運作等兩個階段發揮功效。

中段觸媒的設計又細分成三部分,前兩部分是具有HC吸附功能的高效能觸媒,其特性為低溫也具有吸附HC的功效,當工作溫度上昇後,他能將HC與氧氣結合產生水蒸氣及二氧化碳。所以排氣中段位於中段觸媒之前有二次空氣注入孔的設計。這兩截觸媒能提供引擎啟動瞬間及正常運作時的廢氣清淨作用。

中段的後方使用一具電熱式觸媒段,經過電熱線加熱後,觸媒能迅速達到工作溫度,主要功用為轉化暖車階段的有毒廢氣。

除了觸媒設計相當特殊外,對於空燃比的控制才是經典之處。除了使用含氧感應器外,還使用線性結構HC感應器幫助引擎監控系統判斷。這套系統相當忌諱廢氣中氧氣成分過多,因為系統中沒有昂貴的NOx吸附觸媒以及EGR機構。

ZLEV引擎必須在啟動的瞬間讓VTEC作動,讓大量的空氣進入汽缸中,視引擎運作狀況再適時關閉。但是目前HONDA的VTEC機制是以引擎轉速感應啟動,要與引擎啟動瞬間同步,必須再設計。

ZLEV的設計,成本上是個考驗。ZLEV強調的是環保而非省油或性能(事實上這麼多觸媒
段的阻力要達到高性能似乎很困難,除非加粗觸媒段直徑或採用雙排氣通套設計,但是$會很驚人),只要精確控制空燃比,避免稀薄燃燒發生,就不需要EGR閥門、iVTEC、NOx吸附型觸媒,成本控制就視產量而定。

<小而美、小而省>

嚴格來說,世上有全方位省油的引擎嗎?答案是否定的。只要您開車時習慣大腳油門衝刺,以現今的高科技引擎而言水準都差不多,就算是iVTEC也省不了多少。以缸內直噴引擎而言,省油設計是在低負荷時期(雖然其壓縮比相當高,但是您聽過日本MITSUBISHI GDI引擎實際行車狀況很省油的報導嗎?顯示這項科技實際運用與理論還有一段差距),其它設計如iVTEC也是,SVC也是如此,大概只有米勒循環引擎比較能兼顧高負荷時的油耗,但是成本及調校尚未成熟化,所以這具引擎也沒有造成很大的轟動。所以要省油,開車時油門就不要踩太重,上述設計的引擎才能發揮省油的功效。

如果要全方位省油,只有減輕車重一途是最直接、有效