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
▲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。
▲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
▲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。
▲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。
