MITSUBISHI新一代GDI技術介紹

更環保更省油更有力的GDI SIGMA系列引擎

記者:sutl 2001-10-18

繼1996年8月,MITSUBISHI成功的發表GDI﹙Gasoline Direct Injection﹚汽油缸內直接噴射引擎後,其超稀薄燃燒的省油特性瞬即驚訝世人。不過,因為一些環保及引擎運轉特性的問題,GDI引擎一直跨不出日本國門。不過,新一代的GDI Sigma系列引擎將嘗試打破這個困境,使GDI引擎更環保更具實用性。

汽油引擎燃燒問題簡介

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▲左上為一般汽油噴射引擎噴油嘴的位置,左下為GDI引擎噴油嘴的位置,右上為GDI引擎的渦流走向,右下為一般引擎橫流式進氣走向。

在介紹引擎之前,先講一下缸內燃燒的問題,否則接下來的文章將有看沒有懂。
  一般來說,汽油跟空氣只有在特別的混合比例下,才會產生點火爆炸的動作,一份汽油要爆炸大概要17~10倍重的空氣來燃燒﹙空燃比﹚,化學理論上在14.7這個比例時可以完全燃燒。不過一般控制引擎出力的方法是用控制進氣量﹙節氣門﹚的方式來達成,所以反而是噴油量要配合進氣量。但很多時候,車子根本不需要那麼多的馬力﹙如怠速、等速、減速時﹚,但為了維持引擎的運轉,仍需至少1/17的汽油來燃燒,無形中又浪費了許多汽油。
  所以,在石油危機之後,全世界車廠都致力於稀薄燃燒的研究,希望能用更少的汽油來達成穩定的燃燒,以前的方法有偏置氣門,低速只開一氣門,皿型活塞頂,橫流式進氣管等等﹔一切只為產生渦流,使重量較重的汽油粒子集中在火星塞周圍,這種種的努力,使得空燃比可以達到25的比例。
  不過這跟柴油引擎比起來可真是小巫見大巫,柴油空燃比隨隨便便就上達50下達5,所以很多柴油引擎並沒有節氣門,直接用噴油量控制引擎出力,而且柴油燃燒特性穩定,供油量多點少點影響不大,不像汽油引擎那麼敏感,所以柴油引擎早就用機械式的高壓噴油嘴作缸內直噴了,壓力多在100kg/cm^2,但汽油引擎卻一直受限於精密的噴油嘴不耐高壓問題,而遲至二十世紀末才開始有缸內直噴引擎面世。


MITSUBISHI GDI初代引擎簡介


▲新一代的GDI Sigma引擎採用三組四顆觸媒轉化器。

若需要詳細的介紹,本站以前有三篇MITSUBISHI GDI引擎的詳細介紹﹙一﹚﹙二﹚﹙三﹚。所以在這只簡述GDI的作動原理及其所產生的問題。因為MITSUBISHI當初發展這顆GDI引擎時,著重的是省油,所以引擎的一切設定皆以省油為主,所以後來實際販售後,陸續有車主的反應回來,這些反映的意見,遂成為下一代GDI引擎的重要參考。
  先看第一代的設定,為了達到最稀薄燃燒的極限,一定要達到史無前例的渦流,並且活塞頂形狀及汽油噴射角度更要在最後推上一把,以期火星塞附近有夠濃的油氣可燒,這樣總的空燃比就能提高,節省燃油。
  不過,若是在需要大動力時,還用這種供油法的話,勢必使火星塞附近油氣過濃,反而點不著火,所以噴油時間改在初進氣時,以期油氣均勻分佈,這樣空燃比才能降低,才會有大馬力及防止爆震的效果,不過因為進氣管角度及活塞頂型狀無法改變,注定這顆引擎不會有大馬力。


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▲左圖為三種噴油方式的作動時機,縱軸為負荷,橫軸為轉速,可以看出點火時噴油只在低轉速低負荷下實施,在大多數的情況下使用進氣時噴油,只有在中低轉速超重負荷時使用兩階段噴油。

而且稀薄燃燒還有一項最嚴重的問題「超高溫」,有學過內燃機的人都知道,氧﹙O2﹚越多溫度越高,在瞬間溫度超過1600℃時,空氣中原本很安定的氮氣﹙N2﹚會活化,進而跟氧結合形成氮氧化物﹙NO、NO2等等﹚,俗稱光氣,這可是劇毒物質,所以除了對NOx規範較不嚴的日本之外,GDI引擎是通不過很多先進國家的環保法規,而第三世界國家的汽油雜質又太多,會破壞精密的高壓噴油嘴。所以,GDI注定只能在日本國內上市。


MITSUBIHSI 新一代的GDI Sigma系列引擎

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▲第一排圖為點火時噴油的示意圖。第二排圖為進氣時噴油示意圖。第三排圖為兩階段噴油示意圖。第四排圖為低速重負載時若一次噴足油將會產生預燃爆震的示意圖。第五排圖為缸溫過高時在排氣時噴油以降低Nox的示意圖。

為了使GDI引擎更具實用性,MITSUBISHI開發出了全新世代的GDI Sigma系列引擎,以盡上一代GDI引擎未盡的環保之憾。
  因為超稀薄燃燒時氮氧化物必定會大量產生的宿命,所以新一代的引擎用上了四個觸媒轉化器來處理NOx,兩個三元觸媒﹙NOx、CO、HC﹚裝在頭段,一個負責兩缸的廢氣,初步處理後,在下段裝設專門處理NOx的觸媒,中段再由一個三元觸媒來善後,經過這樣層層處理後,GDI Sigma系列引擎比現時任何引擎還更環保了。﹙不過這樣很浪費錢﹚
  新一代的GDI Sigma引擎在噴油上變化更多,以更完美的應付各式行駛狀況,除了超低負荷時的點火前噴射、重負荷時的進氣時噴射之外﹔還有應付中低速超重負荷用的兩階段噴射,在進氣時先噴空燃比60的汽油,以降低缸溫增加容積效率及減少爆震﹙因為GDI引擎缸溫有時會超過800℃,若一次噴足油會在壓縮時產生預燃爆震﹚,到點火前再將汽油噴足,使得中低速扭力更充沛,引擎發熱量更少﹔另外,若缸溫過高有超量產生NOx的可能時,將在排氣階段噴油,以適度減少NOx產生量,也避免觸媒過熱。
  不過,GDI Sigma系列引擎仍然捨棄超大動力的目標,因為進氣管及活塞並未改變,無法均勻的分布油氣,也就不可能用超濃油氣來燃燒,不過這違背更環保更省油的趨勢,所以被捨棄也是可理解的。


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▲由左至右分別為GDI-CVT、GDI-ASG、GDI-HEV、GDI-Turbo、GDI-ISA五款引擎。

一直講到GDI Sigma是系列引擎,是因為Sigma一共有五款不同的引擎,分別為GDI-CVT、GDI-ASG、GDI-HEV、GDI-Turbo、GDI-ISA五款,GDI-CVT就是有CVT變速箱;GDI-ASG﹙Automatic Stop and Go﹚是自動熄火啟動引擎,只要車一停下來就熄火,油門一踩就啟動,在歐洲這是很常見的環保省油設計,也考驗著引擎發動特性,很高興日本車廠開始有這項設計;GDI-HEV﹙Hybrid Electric Vehicle﹚為混合動力引擎,說穿了就是有引擎馬達雙動力的引擎;GDI-Turbo就是有Turbo。
  GDI-ISA﹙Integrated Start and Alternator﹚整合馬達發電機引擎,就是因為這顆引擎,所以上一段才對GDI-HEV輕描淡寫而過,因為ISA比HEV強大多了。首先,這顆引擎上搭載的是一顆具有強大馬力的馬達兼發電機,馬達兼發電機?沒錯,相信大家國中理化課都上過法拉第左右手定則,知道馬達跟發電機其實是一體的兩面,所以馬達兼發電機有何不可,只可惜因三菱公佈資料不足,無法得知用的是交流電還是直流電,不過直流的可能性很大,因為交流馬達要定速很容易,要加速很難,而且這套系統使用42V電壓,使用交流電的必要就將低了。﹙以上為個人猜測,電學知識請自己補足﹚
  不過若只有上述一點能耐就不值得大書特書了,MITSUBISHI說這是一套”soft”HEV軟性的混合動力系統,因為發電機不是一直連動於引擎的嗎?而且這發電機又是一顆馬達,所以功用就很多了,首先它可以有ASG﹙自動熄火啟動﹚的能力;再來有HEV﹙混合動力﹚引擎馬達雙動力;又這是一顆大馬力發電機,所以它也可以提供額外的煞車力道,不僅降低煞車系統負荷,也順便充電;最後不要忘了它是發電機,所以在一般行駛狀況下是屬於充電狀況。等於是一顆電機同時提供了啟動、加速、煞車、充電四大功能,真是太完美了。
  目前MITSUBISHI試做的GDI-ISA為1.1L 直3引擎,最大出力為75hp/105Nm,而搭載的馬達發電機最大出力為12hp/100Nm,使用五速自手排變速箱。寫到這一定有人以為馬達的扭力寫錯了?一點都沒錯,因為馬達是屬於定功率動機,在理論上極低速時會有無限大的扭力,實際上低速時的扭力往往是高速時的十幾二十倍,這也就是電動車很少裝變速箱的原因,可以想見搭載這顆引擎的車在低速時的爆發力必定極為驚人。
  在原油逐漸枯竭,而電池科技尚未突破之前,像GDI這種以省油為出發點的引擎勢必越來越多,然而在我們有生之年一定會看到引擎消失於世上,所以現在我們就靜靜看著引擎在最後的一段旅程上,會繼續帶給我們什麼驚奇吧。