新技术探讨比较[引擎]docx

1汽車新技術探討比較—引擎篇姓名:吳泰龍(DINO)班級:夜四技車輛一甲學號:994150202前言現今的自動車技術與二三十年前比較起來,已然邁入了新的技術領域,電子技術廣泛應用於汽車的各個領域，改善了汽車的性能，使汽車在安全、節能、環保及舒適等各方面都有了長足的進步。目前，汽油引擎的電子控制技術已經日趨完善，而國內外的柴油引擎電子控制技術則發展迅速，新技術層出不窮。近年來，高壓燃油直噴系統（Common-RailSystems）和高壓共軌噴射系統的發展使柴油引擎的燃油經濟性和排放性都有了很大的改善。廢氣再迴圈（EGR）技術、氧化催化器和微粒捕捉器也改善了柴油引擎的各項廢氣排放。引擎管理系統則對噴油和進氣過程進行綜合控制，保證引擎能夠在保持良好動力性的基礎上，達到最佳的燃油經濟性和排放性，同時降低雜訊和振動。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，加上許多的先進感應器及電子科技，因而讓引擎成為了高科技的代言者!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3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，當然,還有很多,但都大同小異,所以我舉出一些比較常見,比較有名的車廠技術來介紹,並有圖片讓大家能了解其作用原理.希望看官們有耐心的看下去吧!4目錄新技術引擎(汽油)可變汽門正時----------------------------------------p.5可變歧管-----------------------------------------------p.16缸內直噴技術(DI-DirectInjection)---------------p.18電子節氣門--------------------------------------------p.23單缸獨立電子節氣門--------------------------------p.26可變壓縮比---------------------------------------------p.27可變火星塞間隙--------------------------------------p.28全球唯一高效能量產W型引擎------------------p.29新技術引擎(柴油)VolkswagenTDI-史上最強柴油引擎-------------p.34Mercedes-BenzCDI-柴油共軌噴射----------------p.37未來引擎技術無凸輪軸引擎-----------------------------------------p.40氫燃料引擎--------------------------------------------p.43評語DINO的話---------------------------------------------P.465引擎新技術(汽油)目前各廠家對於引擎的調教,都有一定的水準,也有自己的特殊手法和名稱,但大體而言,多已可變汽門正時,即改變汽門行程或汽門開關時間,可變歧管,缸內直噴,電子節氣門等等,讓引擎技術更加突飛猛進.可變汽門正時當在引擎轉速較低時，我們會希望進氣汽門開啟的時間晚一點，關閉的時間早一點，以維持低轉速的動力輸出；而當轉速慢慢提高時，我們卻希望進氣門開啟的時機早一點，關閉的時間晚一點，讓油氣可以充份的提供，以產生連綿不絕的動力。如何讓汽門在不同的情況下於不同的時機開啟，便成了工程師努力的方向，可變汽門正時的概念於時形成!可變汽門正時有兩種形式,一為分段可變汽門,一為連續可變汽門,分段可變汽門正時的發展較早，在當時機構設計、油壓控制迴路等技術尚未成熟之時，大多是在凸輪軸與汽門搖臂的結構上做文章。以二段可變汽門正時結構為例，其在凸輪軸上有兩組開啟角度不同的凸輪組，推動著有兩段式結構的汽門搖臂。當低轉速時，透過電磁開關作動，讓大角度凸輪與對應的搖臂與汽門結構沒有直接連接，一直空轉，所6有汽門的開啟都由小角度凸輪控制，以符合低轉速動力輸出的要求。而當轉速到達臨界值時，電磁閥做動，小角度凸輪則轉為空轉，改由大角度凸輪結構組對汽門開閉進行控制，以滿足高轉速時汽門開啟延長的需求。但引擎對於轉速提升所需的汽門控制變化是持續改變的，以效率與動力輸出而言，連續可變汽門不分段的連續變化技術，可以針對各種不同轉速下引擎的需求做出最適合的調整，所以在引擎技術上又比分段式可變汽門正時向前跨進了一大步。以TOYOTA為例,Toyota的工程師在控制進氣門的凸輪軸上加裝VVT-i機構，以調整汽門正時。VVT-i可變汽門是藉由電腦計算依據引擎轉速、負荷和溫度等條件，透過油壓機構控制浮動式進氣凸輪軸，以連續無段變換凸輪軸角度方式，調7整進氣門開啟或延後，最大角度可達60度，使引擎不論在任何狀況下，皆能發揮最大的工作效率。根據原廠提示資料，在加裝VVT-i之後的引▲接下來看到的就是VVTi可變氣門正時，各擎油耗降低6﹪，馬位現在看到的是角度可變凸輪齒盤。力輸出會增加5﹪左右，中低速的扭力輸出也會增加達10﹪左右。環保方面HC碳氫化合物排放平均降低10﹪左右，NOx排放平均降低40﹪左右。接下來就是看看VVT-i作動的方式：首先在怠速運轉時，進氣門延後開啟，汽門重疊角度為零，使引擎在平穩運轉的前提下，轉速降低，進而減少油耗量。而在▲VVT-i強調的觀念就是以高性能低負荷、全轉速域時，汽門稍微輸出、高省油和低污染為目的。延後開啟，汽門的重疊角度較少，可減少新鮮油氣與廢氣混和的比例，以降低引擎運轉時的震動.8引擎工作若是在中等負荷、全轉速時，進氣門將提前開啟，汽門重疊角度增加，使適量廢氣和新鮮油氣混和，降低燃燒溫度，減少廢氣的排放（NOx下降）。在高負荷、中低轉速的時候，油門開啟角度變大，配合進氣門提前的開啟，使汽缸內進氣量充足，並提高容積效率，產生較大的扭力。再來就是高負荷、高轉速域時，油門將是接近全開狀態，進氣門延後開啟同時延後關閉，藉由大氣壓力使汽缸進氣量充足，提高容積效率，提昇馬力輸出，並產生高轉速大馬力、低污染的優異性能輸出。而另一種汽門機構則是HONDA著名的VTEC,其作動機制僅針對進氣汽門。以往VTEC作動僅能依照引擎轉速區分「動」與「不動」，當轉速到達一定程度時開始作動，能增加汽門的運作行程及開啟時間，提昇高轉速進、排氣效率，VTEC並沒有所謂「開一半」的情形，僅有兩段式設計，並非無段式。至於其他的可變汽門正時系統則相反，以改變汽門的相位角為主（開啟時機），至於能不能達到無段連續控制，全看系統的好壞而論。9而i-VTEC是HONDA目前最新的可變汽門機構,引擎屬於每缸四汽門設計，但其中的VTEC運作與一般DOHCVTEC不同，特殊之處在於i-VTEC具有控制兩支進氣汽門單獨開啟的功能。當引擎在低負荷以及低轉速時只讓一支進氣汽門作動，中高轉速時才會讓兩支進氣汽門同時作動，夠誇張吧。以圖文來說:燃燒不安定時之省油稀薄燃燒（iVTEC無作動，單一進氣汽門運作）在發動引擎時及暖車階段，汽缸內的燃燒運作並未安定化，此時iVTEC的汽門運作和一般引擎並無兩樣，但是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。上圖為排氣行程，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10導入廢氣進入進氣岐管內產生EGR效果。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。上圖同樣是排氣行程，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(可變閥門)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11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，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12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。如上圖的排氣行程，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BMWE39M5、E46M3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。13▲新世代1.8升i-VTEC引擎～R18的剖面照片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14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，那效能又將打折扣而且不環保。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