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大而無用小而美 引擎發展趨勢


刊登時間: 2015/08/13

文/童國輔

全球引擎吹起Downsizing風潮,八缸變六缸、六缸變四缸、四缸還有三缸可降,且降低排氣量後不僅沒有喪失原有動力,油耗表現還能大幅度進步,到底如何做到的?以及未來發展的趨勢為何?將在此單元中與大家一起來探討。




由於引擎運作是透過點燃混合氣的方式來產生動力,因此只要給愈多的空氣加上足夠的燃油,引擎馬力自然就會提高,於是在過去不注重環保的情況下,引擎排氣量才會愈做愈大。

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排氣量耗油元兇
降低代表更環保
只要有在關心全球車壇發展的讀者,應該早已注意到近年各大車廠推出的新世代引擎,都逐漸朝向小排氣量的方向進行,雖然旗艦車款的排氣量還是3.0L~4.0L以上,但相較於過去的引擎配置,整個產品線的引擎排氣量都有降低的趨勢,對大排氣量引擎情有獨鍾的美系車廠,也開始加入小排氣量引擎的開發陣容,之所以如此主因在於全球油價高漲與環保意識抬頭下,如何讓車輛更省油與環保,已成為全球各車廠的新世代動力研發重點。

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過去常見的5.5L以上的超大排氣量V8、V12引擎,未來將會隨著引擎科技的進步,與環保意識抬頭而愈來愈少見。

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大家或許會問:為何降低排氣量就能節省燃油呢?關於這個問題就需從內燃機的運作原理說起。引擎要正常運作需提供比例適當的空氣與燃油,才能產生爆炸推力,而排氣量指的是引擎在一次運轉時所需吸入的空氣量,排氣量愈高的引擎,吸入的空氣愈多相對所需提供的燃油量就愈多,因此單怠速運轉,排氣量大的引擎就比排氣量小的引擎來得耗油,更不用說大腳油門時的耗油量,因此想要引擎更省油,降低排氣量是最快也是最直接的做法,這也自然而然的成為各車廠追求降低油耗目標時,不約而同的發展主軸。

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為何過去沒發展
性能降低是主因
既然縮減排氣量就能獲得降低油耗的效果,為何過去各車廠並沒有大力發展此技術,除了油價低廉的因素外,是否還有其他考量?最主要的考量就是擔心引擎出力會隨著排氣量縮減而降低,尤其是自然進氣引擎更是難以避免,因為在過去引擎想要擁有強勁的出力,只能以提高排氣量去換取,即使是渦輪引擎也是需藉由提高供油量,才獲得更大的引擎出力,因此過度降低排氣量有可能會導致引擎馬力變小,而無法應付消費者對動力的需求。

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採移植自摩托車624 c.c.雙缸引擎設計的Tata Nano廉價小車,與採用999 c.c. 3缸引擎的Smart Fortwo,都是小排氣量引擎的先驅者。

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當然,就全球車壇來看,小排氣量引擎並非是最近才突然問世的產物,例如日本境內推行許久,排氣量660c.c.以下的微型車款K car,或者是產品初始就定義為低排量都會迷你車,採用999 c.c. 3缸引擎的Smart Fortwo,以及998 c.c. 3缸引擎的Toyota Aygo、Peugeot 107與Citroen C1孿生兄弟,甚至是2009年震撼全球車壇,採移植自摩托車624 c.c.雙缸引擎設計的Tata Nano廉價小車等產品,都算是車壇低排氣量引擎的前鋒,但這些引擎只能算是「省油版」的設計取向,與現今想要「馬兒跑、又要馬兒少吃草」的節能+性能雙兼顧的需求,能以小搏大,由小引擎取代舊款較大排量引擎的設計出發點,仍有一定程度上的差異。

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而上述提到的這些問題,在引擎科技日益成熟、電腦運算速度愈來愈快的情況下,使得引擎輕量化技術、缸內直噴、渦輪增壓技術、可變氣門正時科技、電子液壓可變進氣系統、Start/Stop怠速熄火系統,甚至可變汽缸管理技術等,過去只能在旗艦車款上看到的汽車科技,逐漸普及到小排氣量引擎後,小排氣量引擎已能在節能、排放與性能之間取得兼備的均衡表現。

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將小排氣量引擎發揮到極致的,應該算只能在日本當地販售的K-Car,以這部Honda N-One為例,搭載的引擎為代號S07A的0.7L三缸引擎,其中渦輪版可輸出63hp/6000rpm、10.6kgm/2600rpm的最大動力,應付只有900kg的車重剛好足夠。

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三缸引擎成救贖
運轉平衡要注意
而在縮減排氣量的趨勢下,各車廠無不注意每汽缸對應400~500c.c.排氣量的最佳效率原則,太低或太高都會導致汽缸效率下降,因此縮減排氣量到最後,使得三缸引擎成為目前最均衡的做法,而整體排氣量則落在1000c.c.上下,三缸引擎的能見度,過去車壇中不太常見,最大原因是單數汽缸引擎會有平衡上的問題;以四缸引擎為例,曲軸轉動帶動連桿推動活塞,活塞會是一、四缸起,二、三缸降,當一、四缸活塞在上死點,二、三缸活塞則在下死點,這樣剛好可以使汽缸運轉時的震動彼此抵銷,達到引擎的運轉平衡,當然最理想的狀態勢V型汽缸。

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但是問題來了,基數三缸引擎,如果按造四缸引擎作動原理,一、三缸起,二缸獨立,這樣會造成很嚴重的震動,因此三缸引擎的活塞運作方式,通常是一、二、三缸依序達到上死點與下死點,就像跳波浪舞一樣。不過如此一來,低轉速時引擎的震動可能還不明顯,但到高轉速後一樣會有曲軸平衡問題,早期會使用反向平衡軸來抑制震動,但成效不彰,之後大部分車種都改用飛輪、皮帶盤與曲軸配重,達到運轉時的平順。

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過去渦輪增壓技術是用來壓榨引擎動力表現,不過隨著市場氛圍與車廠重心轉向,使得該技術已成為小排氣量引擎兼顧油耗與性能的重要幫手。

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結語
小排氣量引擎在渦輪增壓、缸內直噴、可變汽門系統的輔助下,輸出的動力表現已與1.6L的自然進氣引擎不相上下,更不用說後續晶片改裝後的效果,更逼近2.0L NA引擎的水準,且還能同時擁有平均油耗18km/L的高經濟性,整體表現是十年前所不敢想像,連筆者都想買一部來當做通勤車。

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而隨著渦輪引擎科技的不斷發展,除了在引擎耐用度及渦輪增壓效率上的日漸精進之外,能讓渦輪引擎一躍成為新世代節能動力發展新星的主要原因,乃是在於缸內直噴技術的逐漸成熟。




透過可變汽門正時系統的幫助,可使引擎效率提升5%左右,並且營造高原式的扭力輸出,且有些車廠例如Toyota還藉此系統的幫助,使引擎同時擁有Otto與Atkinson循環的優勢。




 




過去只在高級旗艦車款上才搭載的怠速熄火裝置,未來應該也會慢慢普及到平價車款上,讓都會用車的油耗更加節省。




三缸引擎在未來的能見度只會愈來愈高,且在新科技的幫助下,整體出力不見得會比較1.8L引擎來得差,將成為各車廠展現實力的重要指標。