2009-12-30 11:17:25| 人氣62,096| 回應1 | 上一篇 | 下一篇
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【趨勢】Direct Injection (缸內直噴引擎)

<Direct Injection(缸內直噴引擎)> 

為了讓汽車引擎達到更強的輸出與更高的燃油經濟性,各家車廠一直致力於新科技的開發,而除了相當廣為人知的氣門技術、增壓手段之外,近年來尚有名為「缸內直噴」的科技崛起,並得到各家車廠的青睞。究竟這譯自於「Direct Injection」的新玩意與目前廣泛使用於量產車引擎供油系統中的Multi-Point Injection有何不同,未來前景又是如何?就讓本文為您逐一解答。

在構造上,傳統多點噴射系統的噴油嘴是位於進氣歧管前方,在引擎需要供油時,由電腦計算出最佳的供油量並與進入引擎的空氣混合後,經由進氣閥門到達汽缸內部,並進行壓縮、爆炸等動作。至於缸內直噴系統,則是將噴油嘴置於汽缸內部,其特色在於引擎燃油的取得不需要經過氣門的開啟,而能夠藉由電腦主動控制噴油時間、壓力與噴射量。與傳統噴射系統相較,缸內直噴不受限於傳統機械構造的進氣方式,而且能夠依照引擎所需隨時調整空燃比例等特點,均使其表現擁有無限的想像空間。

眾所皆知,內燃機在一般工作狀態中所需的理想油氣比例為1:14.7,這種調配是傳統化油器的專長,不論天候、溫度,永遠進行著一成不變的工作。然而在少數狀態下如冷車啟動、怠速運轉、急加速或低氣壓環境等,這樣固定的供油方式實際上並無法全面滿足引擎的運轉需求,甚至可能因而產生黑煙、燃燒不全與馬力不足等狀況。至於噴射供油系統,則相對顯得智慧許多,其中樞系統會隨時偵測引擎溫度、進氣流量、轉速變化、震動狀況,並依照實際需求調整供油量與點火時間,因此在動力輸出、燃油經濟與排污表現上可以取得相當不錯的平衡。

為了達到最佳效率,Direct Injection系統皆配備了高壓噴油嘴,以提高油氣的霧化程度與混合效率。
 
但是由於引擎構造的先天限制,噴射引擎所吸進油氣的時間只有在氣門開啟狀態下才能進行,故行車電腦所能控制的因子其實也相當有限。直到缸內直噴系統問世後將噴油嘴內移到汽缸內部後,才開啟了全新的視野,其能直接由電腦主動決定噴油時機與份量,至於氣門則僅看管「純空氣」的進入時程,兩者則是在進入到汽缸內才進行混合的動作。

由於工作環境特殊,故採用缸內直噴系統的引擎除了在部品材質上更加講究,就連活塞、燃燒室形狀也都經過特別設計。
 
也由於油、氣的混合空間、時間都相當短暫,故缸內直噴系統的噴油嘴必須輔以高增壓系統,以大幅提高燃油的噴射壓力與效率,並達到高度霧化的效果,期有更佳的混合表現。此外,缸內直噴系統的燃燒室、活塞也大多具有特殊的導流槽,以供油氣在進入燃燒室後能夠產生氣旋渦流,藉以提高混合油氣的霧化效果與燃燒效率。

Mercedes-Benz的3.5升V6引擎在導入了CGI技術後,馬力輸出一舉由原本的272hp提升到292hp!
 
在構造改變之後,供油動作已完全獨立於進門與活塞系統之外,中央電腦也因而擁有更多的主導權。於是乎,超乎傳統噴射理論的稀薄燃燒與更多元的混合比便得以發生。

在穩定行進或低負載狀態下,採用缸內直噴設計的引擎得以進入Ultra lean(精實)模式。在此設定下,引擎於進氣行程時只能吸進空氣,至於噴油嘴則在壓縮行程才供給燃料,以達到節約效果。根據實際測試,其最高能達到1:65的油、氣比例,除了節能表現相當驚人,整體動力曲線也能夠維持在相當高的平順程度。然而本模式由於會產生相當大量的NOx(硫化物)與高溫,所幸在近期由於技術與材料科學的突破,故也已得到相當程度的解決。

Alfa Romeo的JTS(Jet Thrust Stoichiometric)直噴系統在轉速僅1500rpm以上便會停止稀薄燃燒功能,以降低NOx的排放。
 
當引擎需要較大動力時,行車電腦則會選擇進入低污(Stoichiometric combustion)模式,此時的噴油動作雖然在傳統的進氣步驟進行,不過電腦仍會依照排氣管感知偵測系統所傳回的資訊隨時進行油量微調,並縝密計算排放物與觸媒間的互動關係,以將污染降到最低。至於全負載系統,則稱為Full power mode。在此戰鬥狀態下,噴油系統通常將會與點火、進氣系統緊密合作,並以釋放出最強的動力為目標。

簡而言之,Direct Injection的優勢就在於利用自主性極高的噴油系統,來創造出「低速節能」、「中速減污」與「高速強悍」三者兼具的表現。

根據記載,世界上最早採用缸內直噴引擎的量產車為1955年登場的Mercedes-Benz 300SL,其裝置了來自Bosch的燃料整合系統,整體設定以性能表現為主要考量。至於噴油嘴,則被安置在汽缸壁上。

早在1999年時,Ford便曾發表以節省燃料為訴求的1.1升3缸Direct Injection動力系統,並裝置於Fiesta Concept之上。

Mitsubishi曾經以GDI引擎成為缸內直噴技術的領導者,但在時空轉移之後,當年優勢已不復見。
 
近代掀起相關發展熱潮的,則當屬Mitsubishi Motors,該公司在1996年便曾以代號4G93的直列四缸引擎為素材,建造了副名為GDI(Gasoline direct injection)的動力系統,並裝置於該廠旗下的Galant/Legnum車系上,隨後也成功銷往歐洲,並出售技術予PSA集團。然而由於當時技術並不成熟,因此也造成該系統的低速NOx排量相當驚人,而隨即被許多注重環保的國家拒於門外,其發展也因而減緩。

Audi的FSI技術採用側向放置的噴油嘴,與目前主流且常見的直立式設計有相當大的差異。
 
到了2001年時,Volkswagen/Audi集團也發展出獨有的FSI(Fuel Stratified Injection)缸內直噴系統,除了效能相當優異,同時更搭配了渦輪增壓來創造出性能味強烈的組合。至於BMW,則是也早在該公司的V12引擎上裝置了直噴機構,更進一步的成績則將在今年下旬以HPI(High Precision Injection)的面目搭配渦輪增壓與世人見面。

Mazda以缸內直噴系統搭配渦輪增壓技術,鍛造出獨樹一格的DIDI Turbo引擎,並成為該廠的新一代性能領導。

至於這兩年,則有Mercedes的CGI與Mazda的DISI系統先後問世,上述兩者皆以壓榨性能為主要設計取向,並且在市場上也都有亮眼的成績。此外,美國的GM、Ford以及義大利的Alfa Romeo、日本Toyota等車廠,也都陸續有相關作品問世,讓缸內直噴系統的普遍性日漸升高。


缸內直噴引擎的優點是「低速節能」、「中速減污」與「高速強悍」在上文就已經直接點出了,仔細看數據上馬力可以提升10%左右,加上稀薄燃燒系統可以省油20%左右,最後加上壓縮系統(turbo)直接提升極速與加速能力,這一切都是缸內直噴引擎帶來的直接利益。

但是在這許多利益之後的高成本附出,值得使用者好好的深思一番,像高壓噴油嘴、活塞、引擎本體、噴油控制系統這些都是需要重新設計的高成本,因為精密度的大大提升所以後續的保護維護費用必定不翡。

又缸內直噴引擎幾乎都把壓縮系統(turbo)加上,所以turbo本身就是有壽命的,turbo的壽命又低於引擎本體,所以當turbo損壞時又是一筆不小的開支。

最後再次提醒你,缸內直噴引擎在獲得提升馬力+節省油耗的利益時,別忘掉了引擎成本的付出也是必然的。

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蒼蠅水
很讚的分享~~
2020-02-22 21:08:56
是 (若未登入"個人新聞台帳號"則看不到回覆唷!)
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