引領汽油引擎新時代 HCCI技術

車訊網 carnews 2017-11-15 08:59:00


Mazda均質填充壓縮點燃(HCCI)技術

2017年東京車展,Mazda公佈了新世代汽油引擎Skyactiv-X及所採用的均質填充壓縮點燃(HCCI)技術,成為全球首個實現該技術商業化並量產的廠商(將搭載於2018年的全新Mazda 3)。姍姍來遲HCCI引擎的未來潛力有多大?它的誕生是不是已經太晚?請看我們的分析。

文 許鴻德

第二代Skyactiv引擎的燃油效率較第一代提昇30%,將搭載於全新第四代Mazda 3;根據Mazda官方測試數據,其油耗可達到約28.57km/L的優異表現。預計2025年推出的第三代Skyactiv引擎其燃油效率也將再提昇(約40km/L),更符合歐盟65g/km的碳排放標準。

目前主流引擎的熱效率為30~40%,一般來說熱效率若能提高1~1.5%就可視為「新一代引擎」;Mazda揚言兩年內將挑戰「熱效率50%」,的確是汽車工程的重要里程碑。然而目前汽車產業關心的方向,已逐漸從技術突破轉移到「汽柴油引擎還能存活多久」?

Mazda在今年的東京車展上,將帶來世界首款採均質填充壓縮點燃(HCCI)的量產引擎Skyactiv-X,預計搭載於2018年上市的全新Mazda 3。

汽油引擎的基本架構除了噴油系統由機械式演進為電腦控制之外,其他部分在過去100年以來沒有太多改變。其實內燃式引擎(包括汽油與柴油)最大的缺點就在於燃料利用效率低(約33%)以及污染物的排放,雖然近30年來直噴引擎技術已幫助燃料利用效率顯著超越過去的化油器時代、但仍無法讓人滿意。前Honda車廠執行長福井威夫就曾表示即便是最先進的汽油引擎,所浪費的能量仍超過60%以上,因此他們認為「提高汽油引擎燃燒效率」仍有無窮的發展潛力,甚至大於昂貴的電池動力或Hybrid油電混合系統!

內燃式引擎最大的缺點在於燃料利用效率低以及污染物的排放,雖然最近30年來直噴技術已讓燃料利用效率顯著超越化油器時代、但仍無法讓人滿意。

目前的汽油引擎僅能將1/3的化學能轉化為機械能驅動車輛前進,其餘若非散失、或因沒有完全燃燒而被排出車外。隨著日漸減少的石油儲存及更加嚴格的油耗與排放標準,改進燃燒效率的努力始終沒有停止,過去不論是美國汽車巨頭GM與Ford、德國的VW及Daimler集團,還是開發省油技術不遺餘力的日本Toyota、Honda、Nissan與Mazda,都致力於提昇汽油引擎燃燒效率。但由於傳統汽油引擎行程(稱為OTTO Cycle)高燃燒溫度的熱力學限制,若想將引擎燃燒效率顯著提高(這裡指的是提昇30%以上),唯一的解答就是混合柴油與汽油引擎運作特色的HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition、均質填充壓縮點燃)技術。

Daimler與GM集團在HCCI領域研發多年而未果,主要是判斷HCCI引擎技術的問題大於優勢,並且解決技術瓶頸的難度過大或成本過高。

集傳統引擎技術於大成

從技術角度來看,HCCI引擎混合了傳統汽油與柴油引擎的部分特色,與傳統汽油引擎相同在於它們是先向汽缸內注入比例均勻的空氣和燃料混合氣體(柴油引擎則採燃油直接注入汽缸內),但另一方面HCCI引擎採用油氣在高壓下自燃(與柴油引擎相同)、而非傳統汽油引擎使用的火星塞點火方式。

從熱力學效率的觀點,HCCI引擎極具潛力:第一個優點是顯著降低的熱損耗率,由於無火星塞自燃方式的燃燒溫度較低,震爆對燃燒室壁的傳熱也跟著降低。另一個優點是燃燒週期短(因為燃燒過程主要是受化學反應而不是受混合過程所主導)。研究結果顯示HCCI引擎的熱利用效率可接近50%,燃燒後廢氣中的微粒物與NOx含量也大幅降低。從周邊硬體建構成本的觀點,HCCI引擎也享有高度競爭優勢:不論是氫動力、天然氣、E85燃料、高級柴油與生化柴油都必須高昂的周邊硬體建構成本(增設加油、輸送與儲存設計),HCCI引擎卻使用與目前完全相同的汽油、完全不需要改裝。

超過40年的漫長研發歷史

HCCI引擎的設計構想早在1970年代就誕生,卻始終苦於多項控制技術瓶頸而無法實用化。首要問題是HCCI引擎在轉速很低或極高的狀態時無法平穩運轉(因為在這兩種狀態下無法控制混合油氣自燃)。幸運的是、由於電腦自動控制的技術突飛猛進,過去被視為高度挑戰的「精確控制噴油量」目標今日已能夠輕鬆達成。

過往包括GM、Honda車都嘗試開發「HCCI混合引擎」,也就是在低轉速與高轉速區域採用傳統的火星塞點燃方式運行,但在中轉速區域使用HCCI方式運作的引擎,不過皆未導入市售車型內。

「缸內燃油直接噴射系統」早已是現代引擎設計的標準技術之一,VW集團在1989年就研發出了第一具直噴柴油引擎TDI,也建立起該廠在柴油引擎市場的龍頭地位。2000年該集團高級品牌Audi率先推出FSI缸內直噴汽油引擎(可說是一種初具雛形的HCCI技術),這項技術將汽油以100bar的高壓噴射進入燃燒室,還可自由切換「分層注油」和「均勻注油」模式,利用電腦晶片控制噴射當前所需的燃料量,在油門半開狀態下,分層注油方式可充分發揮燃油經濟效益,因為此時只有火星塞周圍才需要富含汽油可觸發的油氣混合物,而引擎燃燒室的其他部分只需注入含高比例空氣的油氣混合物。

Mazda工程師透過在火星塞點火控制的創新突破、使得HCCI過程變得更加可控:在引擎低速、中速和高速運轉時、採用的工作模式都不相同,如此複雜的切換引擎高低速無縫銜接,可說是歷史性的創舉。

FSI技術的市場化對HCCI引擎的問世有著重要意義:它證明了向燃燒室注入非常均質的油氣是可能的。過往包括GM、Honda都嘗試開發「HCCI混合引擎」,這是一種在低轉速與高轉速區域採用傳統的火星塞點燃方式運行,但在中轉速區域使用HCCI方式運作的引擎,不過皆未導入市售車型內;Mazda卻宣告於2018年推出搭載HCCI引擎的量產車型,展現該廠在新世代引擎技術的研發成果!

2008年5月,GM讓歐洲記者試駕一部搭載2.2升排量HCCI引擎的Vauxhall Insignia概念車,這款車的燃油效率在15.22km/L左右,二氧化碳排量在150g/km左右,比起目前2.2升排量汽油引擎約13.1km/L的燃油效率和180g/km的二氧化碳排量要提昇不少。這款概念車在低速或巡航時可使用HCCI燃燒模式,車輛加速時仍須採用傳統的火星塞點火模式。HCCI引擎在量產之前還有許多挑戰需要克服,請參考附表。

第二代Skyactiv引擎的燃油效率將更加優化,而且會搭載在全新第四代Mazda 3之上,油耗更達約28.57km/L的優異表現。

HCCI面臨之挑戰

點火時間控制挑戰

火星塞點燃式的汽油引擎可以改變火星塞的點火時間,壓燃式的柴油引擎可以改變缸內噴油的時刻,但HCCI引擎吸入的是一團均勻的稀薄混合油氣,壓縮之後多點燃燒,再加上不是由精確定時的火星塞點火進行控制,著火時間提前還是延後,過往缺乏有效的控制方式。

引擎低負荷與高負荷時控制挑戰

HCCI的燃燒反應較快,所以要通過特定方式控制反應速率,一般會採取較高的EGR(廢氣燃燒比例)來減緩燃燒速率,以免發生爆震,相對之下缸內平均壓力難以達到較高的水平。

「Skyactiv」全新動能科技提帶給Mazda新一代產品輕量化、效率化,燃油表現更出色,並給予駕駛者出色的操控感受。

HC碳氫化合物排放控制挑戰

由於HCCI引擎屬於「低溫燃燒」,不足以導致氮氧及HC碳氫化合物的生成。但是低溫條件下引擎處低負荷狀態,燃燒效率降低、使得HC的排放成為棘手問題。

極限情況下啟動困難挑戰

採用「壓燃」的HCCI引擎在極限溫度或高海拔地區的稀薄空氣環境,要確保能夠自動點火是最難克服的困難。目前解決方式為仍然保留火星塞(火星塞點火─HCCI雙模引擎)裝置。

從2010年發表「Skyactiv」全新動能科技後,Mazda工程團隊致力於將引擎、傳動系統、底盤懸吊、車體等達到最佳化設定,且更為輕量化、效率化,燃油表現更出色,並給予駕駛者出色的操控感受。其中在動力部分,研發重點為高壓縮比汽油NA(自然進氣)與柴油渦輪引擎,Mazda目前的Skyactiv-G汽油引擎達到全球車壇最高的14:1壓縮比,比起市面上競爭對手引擎8:1~10:1壓縮比要高出許多,但下一代Skyactiv-X的壓縮比將是18:1的驚人水準(同時搭配36.8:1的超稀薄空燃比)!

從2010年發表「Skyactiv」全新動能科技後,Mazda工程團隊致力於將引擎、傳動系統、底盤懸吊、車體等達到最佳化設定。

早在2014年Mazda工程團隊就在均質壓燃技術取得進展,為了率先達成商業化里程碑,這家日本車廠重新定義了HCCI的意義:它不再是傳統的均質填充壓縮點燃、而是轉換成Spark Controlled Compression Ignition(火星塞控制壓燃)、縮寫也變成SPCCI。工程師透過在火星塞點火控制的創新突破、使得HCCI過程變得更加可控:在引擎低速、中速和高速運轉時、採用的工作模式都不相同,這不光是涉及到火星塞點火與壓燃的切換,而且還涉及到壓縮比的變化、噴油方式的變化、進氣模式的變化等等,如此複雜的切換引擎高低速無縫銜接,可說是歷史性的創舉。

更令人欣喜的是,由於少了電池與馬達零組件,HCCI引擎的製造成本遠低於Hybrid油電混合動力系統(僅是Hybrid系統成本的20%)、而節能效果卻可達到Hybrid系統或柴油引擎的80%,前景可謂無限寬廣!第二代Skyactiv引擎的燃油效率將較第一代提昇30%,而且會搭載在今年東京車展發表的全新第四代Mazda 3;根據官方測試數據,新世代Mazda 3的油耗可達約28.57km/L的優異表現。預計2025年推出的第三代Skyactiv引擎、其燃油效率將是40km/L,也將符合歐盟65g/km的碳排放標準。

Mazda車廠積極參與汽車運動,也說明該廠在先進引擎技術上「敢為天下先」的創新精神。

各車廠HCCI引擎研發史

Daimler集團

於2006年7月發表1.8升四缸DiesOtto引擎,包括渦輪增壓、可變壓縮比以及可變氣門正時等功能,動力輸出達到238匹馬力。在2007年德國法蘭克福國際車展發表的Mercedes F700概念車即採用此技術後,Daimler集團如今已將重心轉移至電池動力與燃料電池技術。

GM集團

曾發表的180匹馬力HCCI引擎是Ecotech改進過的2.2升引擎。GM工程師在此加上了可變氣門正時、氣門挺桿和先進燃燒控制系統,其汽油自燃模式可以使車輛順利達到90公里/時的巡航速度。先前GM表示計劃2015年才能將這種汽、柴油混合模式的引擎量產上市(但目前已無限期延後)。

VW集團

VW集團的HCCI引擎是以現有的1.6 FSI汽油引擎為基礎,並增加改良後的可變氣門正時和先進引擎管理系統。目前他們正在開發兩款HCCI引擎。第一款引擎名為Combined Combustion System(CCS混合燃燒系統),是以 2升柴油引擎為基礎,不過使用的是均質吸入燃油系統而非傳統的柴油噴射系統、因此需要使用混合燃料才能達到最優性能。第二款引擎名為Gasoline Compression Ignition(GCI汽油壓縮點火);它在巡航時使用HCCI,但必須在加速過程使用火星塞點火。

VW集團稱其可在40~100km/h的速度範圍中使用HCCI汽油自燃模式。VW和GM皆表示他們的實驗用HCCI引擎可使用汽油、甚至是E85乙醇燃料。

Mazda目前的Skyactiv-G汽油引擎擁有全球車壇最高的14:1壓縮比,比起競爭對手的8:1~10:1壓縮比要高出許多。

HCCI引擎的商用化是否太晚?

目前主流引擎的熱效率為30~40%間(汽油引擎的熱效率約為30~35%,柴油引擎可達40%),汽車產業不成文的共識是,如果引擎熱效率提高1~1.5%就可視為「新一代引擎」,Mazda的HCCI引擎技術揚言兩年內將挑戰「熱效率50%」的超高門檻,這的確是汽車工程的重要里程碑。不過,目前汽車產業關心的方向,其實已逐漸從技術突破轉移到「汽柴油引擎還能存活多久」。

在注重環保的北歐國家、汽柴油車輛禁止銷售的時間表早已提上議程:從最早的挪威到荷蘭,都將在2025年開始禁止汽柴車輛在該國市場銷售。即使是為了顧及國內強大的汽車工業廠商利益的德國,也計畫2030年全面禁售內燃引擎車輛(即汽柴油車輛),以實現車輛的全面零排放,屆時德國消費者只能選擇購買零排放車型(如純電動車或者氫燃料電池車輛,不含Plug-in車款)。目前這項禁令已獲得了德國執政黨和最大反對黨的一致贊同,並且也敦促歐盟其他國家也盡快將燃油車禁令提上日程,爭取在 2030 年之前實現「歐盟全境新車零排放」。法國能源部長餘洛則表示,作為履行巴黎氣候協定承諾「五年大計」的項目之一,他們計畫在2040年前全面停止銷售汽油和柴油車。

Mazda也正與Toyota協商共用燃料電池、混合動力及「Skyactiv」全新動能科技,以滿足日趨嚴格的排放標準並削減成本。

2030年聽起來遙遠,實際也就12年時間,還不夠一般車型兩代車的換代時間(一般8年一次換代),這不禁讓人擔心:才要粉墨登場的Mazda HCCI引擎技術、是否馬上就要匆匆謝幕?

針對前述疑問,部分汽車人士認為汽油引擎的末日遠遠沒有到來!2015年全球電動車銷售為45.5萬部、2016年達到70萬部。根據EV Sales最新發佈的數據,全球電動車市場2017年上半年全球電動車的累計銷量達到449817部(年同比成長幅達到41%),預估今年全球電動車的累計銷量有望達到110萬部,雖然這個數字對比兩年前已經翻了一倍多,但在全球汽車市場的佔有率仍只有區區1%。2017上半年在法國的新車市場中,使用柴油和汽油的車輛仍佔有95.2%、混合動力車型佔比3.5%,純電動車僅佔1.2%,前述數字充分說明了目前電動車目前的「小眾」局面。另一方面,Mazda也正與Toyota協商共用燃料電池、混合動力及「Skyactiv」全新動能科技,以滿足日趨嚴格的排放標準並削減成本:Toyota計劃向Mazda提供燃料電池及插電混動技術,而作為回報Mazda將為Toyota提供其汽油及柴油引擎技術,有了更大的使用群體、未來Mazda可更進一步降低生產成本。

GM、Daimler集團、Toyota都曾對轉子引擎抱持興趣,但發現量產實用化的困難度比預期還要高後,紛紛打了退堂鼓。反觀是Mazda書寫了自己的轉子引擎傳奇。。

遙想1960年Felix Wankel在VDI德國工程師學會向世人公開發表無活塞迴轉式引擎(轉子引擎)的創新理論,曾吸引包括GM、Daimler集團與Toyota的目光,但經過試驗發現量產實用化的困難度比預期還要高後,前述廠商紛紛對轉子引擎打了退堂鼓。反觀是Mazda於1967年5月率先推出世界上第一款將轉子引擎實用化的量產車型Cosmo Sport。在革命性汽車技術領域,愈是大廠其策略往往會愈趨保守,Daimler與GM集團在HCCI領域研發多年而未果,主要是判斷HCCI引擎技術的問題大於優勢,並且解決技術瓶頸的難度過大或成本過高。如今包袱較小的Mazda宣佈要將此技術率先量產,再次說明了該廠在先進引擎技術上「敢為天下先」的創新精神。Mazda押注HCCI技術能否得到豐厚回報?讓我們拭目以待。

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