一.前言:(GDI跟傳統汽油引擎有何不同?)
嗯,在講GDI引擎之前,如同我們介紹turbo引擎一樣,如果,大伙還不清楚引擎的
運轉方式,可以簡單地回顧一下四行程引擎運轉原理^_^(原理教室之一).......,
我想大伙一定會發現凡是Otto-cycle的運轉都一定脫離不了那四種運轉方式,
而要如何作出更高效率或更高性能的引擎設計呢?
除了物理學上必然的先天限制外(熱力學第二定律)-人類不可能作出比Canot-cycle
更高效率的機械設計,那如何在四衝程引擎設計上得到更高性能的輸出呢?
進氣->壓縮->動力->排氣....如此的循環下去,工程師能作的改善,其實,
說破了也是針對這四個process作更有效的改良,而Mitsubishi的GDI(Gasoline Direct
Injection)引擎就是針對這四個步驟,在引擎內部作一些改進:
A.使用垂直的進氣道
B.高壓的燃油噴射幫浦
C.噴油嘴能形成高壓渦漩式的霧狀燃油分佈
D.活塞形狀改採有凹凸的曲面
E.因動力上不同的需求,採用三種不同正時的供油模式
F.在不同地區因油品的含硫(S)量不同,而配置不同的觸媒轉換器
圖一:GDI引擎的構造
GDI引擎在工程師們細心的調校下,能比一般的汽車引擎在CO,HC,NOx,CO2....等廢氣排放量降低!
且引擎動力輸出更強,卻又更省油!.....這些都是它很傑出的地方.
二.為什麼工程師們要設計燃油直噴式(GDI)引擎呢?:
一般的汽車引擎的熱效率約30%(即燃料100 joule的能量,約得到30 joule的動力),而柴油
引擎約可以到40%的熱效應,也因此在省油性上汽油引擎自然比柴油引擎差了許多,
然而汽油引擎卻有較低的氮氧化合物(NOx)的廢氣排放,且有較佳的動力輸出,如果想在
汽油引擎上加強它的省油性是必要加大它的"壓縮比",不過,這將引起另一個問題-暴振:~
Otherwise,我們採用稀薄燃燒(如Honda的VTEC-E引擎,油氣比約22:1;一般引擎是13~14.7:1)
但是,一稀薄燃燒的結果就是NOx又給它上升了,真是顧此失彼呀!
傳統的汽車引擎(也就是你我現在開的汽車引擎)是將空氣與汽油混合後,才將混合氣引進汽缸
內,而柴油引擎是直接噴入汽缸供油.....YA!!大伙一定想到,那為何不將四行程的汽油引擎
加上柴油引擎的優點-汽油直噴於缸內,看看是否能大幅改善油耗且兼顧性能上的需求呢!
Mitsubishi的GDI引擎就是基於上面的考量而設計的;In fact,早在19世紀末,當柴油引擎
被發明時,就有工程師有考慮過如此的idea,世隔半世紀後,1957年Mercedes-Benz也曾努力
過,且生產3000部的300SL跑車,可是之後卻由於造價高昂且油耗不理想而告失敗:~
又過了半世紀,1995年Mitsubishi第一次發表這全新的GDI引擎,號稱『油耗表現比柴油引擎好,
而且動力表現比汽油引擎更出色!』所以,三菱公司很積極地想把旗下的所有汽車引擎都給
它GDI化,Mitsubishi是來真的,且時間表都訂出來囉,所以,voliron才認為GDI引擎引進台灣
是遲早的事情,以下voliron再來詳細介紹GDI引擎的內部構造與引發的新問題,還有
它的解決之道!
Mitsubishi旗下各車款GDI化的時間表
三.GDI-汽油直噴引擎之工作:
三菱GDI引擎就是把汽油直接噴射進入汽缸中,如此可以冷卻缸內溫度,而提高空氣密度,
進氣效率提升,而進氣冷卻的效果也抑制引擎暴振的可能,且日後在進氣閥門那積碳的
機會就大大降低囉:)引擎積碳可是很嚴肅的問題喔!因為後果慘重呀:~~
進氣歧管改垂直式進入汽缸,這樣的設計多少有進氣增壓的效果;改用可以產生5Mpa的
高壓汽油幫浦與可以產生渦漩霧狀的噴油嘴,且這噴油嘴須要可以耐的著幫浦的高壓ㄛ.......
活塞表面是呈凹凸的曲面,....etc.這些的改變使得GDI引擎能使用超稀薄燃油(40:1)
且點火情況良好.燃油經高壓後"層狀霧化",且油汽運動方式都有改善,克服稀薄燃燒的
點火不易,引擎暴振與NOx過高的問題(是由於高壓供油,且汽流的捲動方式,配合活塞
頂頭的凹凸曲面,在壓縮行程後,使得被噴入汽缸內的燃料經微粒化後形成非擴散的
噴霧狀,然而在活塞頂部空間汽化,而這些混合氣被迴漩帶到火星塞附近,使得稀薄油氣
在點火點附近濃度足夠,整個汽缸混合氣也還可以足夠到燃燒的比例,看圖二).
PS:請配合參考(圖一)喔!
左邊:GDI直立式進氣歧管,反向迴漩氣流; 右邊:傳統汽油引擎的進氣方式
圖二:GDI的點火情況
四.3種供油模式:
傳統汽油引擎之所以耗油是因為汽油與空氣在汽缸外混合後才進入汽缸,也因此容易在進氣門
那端因混合氣的洩漏而耗油並且產生積碳!(所以我們常在汽車百貨店看到有在賣進氣閥門的
"去碳溶劑")此外,閥門在一開一關間也會造成進氣效率的阻礙與延遲.......
而GDI引擎就沒有上述的問題,因為燃油直接噴射入汽缸內,且GDI引擎提供不同的進氣供油
模式,其中超稀薄燃燒(Ultra-Lean Combustion Mode)的空燃比(空氣:燃油)高達『40:1』,哇塞!
以下我們就來介紹,GDI引擎因應不同動力需求而對應的不同供油正時模式:
1.低於120km/hr時,Ultra-Lean Combustion Mode(Compression Stroke Injection):
在時速低於120km/hr以下,使用40:1的超稀薄燃燒,由於供油正時接進在壓縮行程的末期,
空氣密度極高(因為汽缸此時體積小,接近上死點),供給少量的燃油即可,再配合GDI引擎的
其他特殊構造(上面已經介紹過),可以避免暴振或點火不易的問題!40:1的超稀薄燃燒就是
這樣產生的!(參考圖三之左圖)
2.高於120km/hr時,Superior Output Mode(Intake Stroke Injection):
高動力輸出模式,使用進氣行程時供油,跟現行一般傳統引擎一樣!能輸出較高的動力!
燃油在進氣行程供油,有上一段提述的冷卻汽缸的功用(可避免暴振)(參考圖三之右圖)
PS:此模式的空油比約是30:1
3.起步或再加速時,Two-Stage Mixing Mode(Intake & Compression Stoke Injection):
在轉速突然拉高(再加速,或重起步時),由於GDI引擎的壓縮比高達12.5:1,引擎暴振的
問題需要考慮進去,所以在此Mode,GDI在引擎供油上下功夫-採用兩段式供油-
它在進氣行程時,先噴少許的燃油來冷卻汽缸,空油比是60:1,在壓縮行程的末期,再噴一次油,
此時,火星塞的附近有最濃的混合氣,以便點火,且這時間整個缸內的混合氣達到12:1,
如此高的比例正是為因應駕駛人強烈的動力需求而設計的!(當油門給它用力踩下去時)
如下圖:
two-stage-mixing(於進氣與壓縮行程各噴油一次)
五.GDI引擎在動力,油耗與廢氣排放的表現:
哎,光以上就寫了4個小時:~
Mitsubishi的GDI引擎是否成功與否就在這一段的量測結果!最先在世人眼前公佈的是一具1.8升
的引擎,它的對照組就是一具現行台灣Mitsubishi Lancer-Virage用的傳統式引擎,
I.油耗方面:
傳統引擎是12.2km/liter;而GDI引擎是16.2km/liter,進步了二成四的省油性!
II.動力性能上:
扭力提高了10%,而低轉速起步時,由於有two-stage mixing的供油模式,使得GDI引擎在低
轉速時的扭力再進一步的提升!
III.廢氣排放標準:
耶!為什麼voliron要用紅色字呢?因為GDI引擎最引人注意與爭論的地方就在這裏!
且個人認為Mitsubishi還有一些重要的數據並未公佈,等一下小弟會提到.....
GDI引擎在碳氫化合物(HC)或CO2的排放標準比較低是大家都認為沒問題的,
問題是NOx的含量卻沒有通過美國的標準,那台灣的第三期環保法規,GDI也一定無法
通過,也因此Mitsubishi用新的三元觸媒轉換器,比原先的GDI在身上加上高容積的-EGR
(exhaust gas recirculation,EGR)與在排氣端加上Reactive-type exhaust manifold
如圖:
新的三元觸媒轉換器(for 2nd GDI)
我們知道在引擎剛發動時,由於溫度不夠高,觸媒轉換器無法順利的工作,也使得引擎在
這段時間內的污染最為嚴重,且冷機時的引擎的油耗也比其他工作溫度來的高許多!
也因為如此,我們之前介紹的M-Benz的新單凸V6引擎採用兩進一出(閥門),它的排氣端
只有一個valve,且大面積,為了就是想留住引擎燃燒的溫度,使排氣溫度能在短時間內
達到觸媒轉換器工作的溫度;相同的理由,GDI引擎也想辦法達成一樣的目的,不過
它是在供油模式中下功夫-" two-stage-combustion ",這樣也可以使觸媒轉換器的工作
時間由原本傳統引擎的100sec到達250度,縮短到只要不到一分鐘的時間就到達一樣的
工作溫度!這two-stage-combustion也對抑制其他HC.CO2........etc的廢氣排放有幫助!
此處的『two-stage-combustion』是在汽車剛發動時使用,它是在壓縮行程時噴油一次,
然後,在點火燃燒後的動力行程時再噴一次油,之後才進行排氣行程;所以囉,........
two-stage-mixing mode與two-stage-combustion mode是不一樣的喔!
PS:以上所指的溫度是引擎排放的廢氣溫度,而非引擎的工作溫度!
Two-stage-combustion燃燒使觸媒轉換器得以提早工作
Two-stage-mixing燃燒與新的觸媒轉換器連手下,HC排放進一步減低
NOx有改善囉~~
此外,為了符合超嚴格的空污標準,如美國加洲地區,日本....(台灣當然也是),GDI引擎
還特別加上"NOx Trap Type catalysts",對NOx的排放再進一步的控制!!
還有部份地方由於油品的含硫量過高,GDI引擎在這些地方則需加上"Selective Reduction
Type catalysts",如歐洲地區......
其實,還有一個地方Mitsubishi Motor並沒有特別去公布這方面的數據,就是在"再加速,
與起步"two-stage-mixing mode的油耗是否真的比一般引擎來的outstanding?還有,
這段期間的NOx的排放情況如何?是否真的還是在法律的標準以下?三菱並沒有進一步的
說明?...嘿嘿嘿...抓包ㄛ,各位也拭目以待吧!我想應該還是可以解決的.
六.結論與GDI引擎的未來:
GDI引擎還是遵守著四行程引擎的模式下再加以改進;而值得一提的是GDI引擎的設計
還是可以再加上"可變進氣歧管"的設計,也可以加上"可變氣門正時"系統,當然,turbo的技術
也可以被引進來!這些技術三菱原本就有啦,所以,不久的將來GDI+turbo或GDI+MIVEC
等引擎的發表是可預期的:)
不過,GDI引擎在部份零件上的售價與耐用度還需要進一步的降低與考驗,如:高壓油幫浦
的售價與耐用度....;在同級對手身上,Toyota的D4也是很有名的對手,且也已經量產!
Honda也發表過汽油直噴+VTEC的三缸1000c.c.的IMA整合式引擎.
GDI引擎對NOx的排放情況還是不盡理想,因為,它目前是加上一堆東西在觸媒轉換器上才有勉強
通過空污標準的結果,所以囉,好還要更好!Mitsubishi Motor的工程師也是有可以再
進步的地方!However,就科技眼光來看,三菱的GDI引擎也的確也它很值得稱許的進步,
19世紀末的工程師雖想到過,但20世紀中M-benz的努力也只有曇花一現,20世紀末才由
Mitsubishi真正把它實現!光這點,放眼目前其他車廠的引擎科技,說GDI引擎為三菱的
科技結晶一點也沒錯!一.前言:(GDI跟傳統汽油引擎有何不同?)
嗯,在講GDI引擎之前,如同我們介紹turbo引擎一樣,如果,大伙還不清楚引擎的
運轉方式,可以簡單地回顧一下四行程引擎運轉原理^_^(原理教室之一).......,
我想大伙一定會發現凡是Otto-cycle的運轉都一定脫離不了那四種運轉方式,
而要如何作出更高效率或更高性能的引擎設計呢?
除了物理學上必然的先天限制外(熱力學第二定律)-人類不可能作出比Canot-cycle
更高效率的機械設計,那如何在四衝程引擎設計上得到更高性能的輸出呢?
進氣->壓縮->動力->排氣....如此的循環下去,工程師能作的改善,其實,
說破了也是針對這四個process作更有效的改良,而Mitsubishi的GDI(Gasoline Direct
Injection)引擎就是針對這四個步驟,在引擎內部作一些改進:
A.使用垂直的進氣道
B.高壓的燃油噴射幫浦
C.噴油嘴能形成高壓渦漩式的霧狀燃油分佈
D.活塞形狀改採有凹凸的曲面
E.因動力上不同的需求,採用三種不同正時的供油模式
F.在不同地區因油品的含硫(S)量不同,而配置不同的觸媒轉換器
圖一:GDI引擎的構造
GDI引擎在工程師們細心的調校下,能比一般的汽車引擎在CO,HC,NOx,CO2....等廢氣排放量降低!
且引擎動力輸出更強,卻又更省油!.....這些都是它很傑出的地方.
二.為什麼工程師們要設計燃油直噴式(GDI)引擎呢?:
一般的汽車引擎的熱效率約30%(即燃料100 joule的能量,約得到30 joule的動力),而柴油
引擎約可以到40%的熱效應,也因此在省油性上汽油引擎自然比柴油引擎差了許多,
然而汽油引擎卻有較低的氮氧化合物(NOx)的廢氣排放,且有較佳的動力輸出,如果想在
汽油引擎上加強它的省油性是必要加大它的"壓縮比",不過,這將引起另一個問題-暴振:~
Otherwise,我們採用稀薄燃燒(如Honda的VTEC-E引擎,油氣比約22:1;一般引擎是13~14.7:1)
但是,一稀薄燃燒的結果就是NOx又給它上升了,真是顧此失彼呀!
傳統的汽車引擎(也就是你我現在開的汽車引擎)是將空氣與汽油混合後,才將混合氣引進汽缸
內,而柴油引擎是直接噴入汽缸供油.....YA!!大伙一定想到,那為何不將四行程的汽油引擎
加上柴油引擎的優點-汽油直噴於缸內,看看是否能大幅改善油耗且兼顧性能上的需求呢!
Mitsubishi的GDI引擎就是基於上面的考量而設計的;In fact,早在19世紀末,當柴油引擎
被發明時,就有工程師有考慮過如此的idea,世隔半世紀後,1957年Mercedes-Benz也曾努力
過,且生產3000部的300SL跑車,可是之後卻由於造價高昂且油耗不理想而告失敗:~
又過了半世紀,1995年Mitsubishi第一次發表這全新的GDI引擎,號稱『油耗表現比柴油引擎好,
而且動力表現比汽油引擎更出色!』所以,三菱公司很積極地想把旗下的所有汽車引擎都給
它GDI化,Mitsubishi是來真的,且時間表都訂出來囉,所以,voliron才認為GDI引擎引進台灣
是遲早的事情,以下voliron再來詳細介紹GDI引擎的內部構造與引發的新問題,還有
它的解決之道!
Mitsubishi旗下各車款GDI化的時間表
三.GDI-汽油直噴引擎之工作:
三菱GDI引擎就是把汽油直接噴射進入汽缸中,如此可以冷卻缸內溫度,而提高空氣密度,
進氣效率提升,而進氣冷卻的效果也抑制引擎暴振的可能,且日後在進氣閥門那積碳的
機會就大大降低囉:)引擎積碳可是很嚴肅的問題喔!因為後果慘重呀:~~
進氣歧管改垂直式進入汽缸,這樣的設計多少有進氣增壓的效果;改用可以產生5Mpa的
高壓汽油幫浦與可以產生渦漩霧狀的噴油嘴,且這噴油嘴須要可以耐的著幫浦的高壓ㄛ.......
活塞表面是呈凹凸的曲面,....etc.這些的改變使得GDI引擎能使用超稀薄燃油(40:1)
且點火情況良好.燃油經高壓後"層狀霧化",且油汽運動方式都有改善,克服稀薄燃燒的
點火不易,引擎暴振與NOx過高的問題(是由於高壓供油,且汽流的捲動方式,配合活塞
頂頭的凹凸曲面,在壓縮行程後,使得被噴入汽缸內的燃料經微粒化後形成非擴散的
噴霧狀,然而在活塞頂部空間汽化,而這些混合氣被迴漩帶到火星塞附近,使得稀薄油氣
在點火點附近濃度足夠,整個汽缸混合氣也還可以足夠到燃燒的比例,看圖二).
PS:請配合參考(圖一)喔!
左邊:GDI直立式進氣歧管,反向迴漩氣流; 右邊:傳統汽油引擎的進氣方式
圖二:GDI的點火情況
四.3種供油模式:
傳統汽油引擎之所以耗油是因為汽油與空氣在汽缸外混合後才進入汽缸,也因此容易在進氣門
那端因混合氣的洩漏而耗油並且產生積碳!(所以我們常在汽車百貨店看到有在賣進氣閥門的
"去碳溶劑")此外,閥門在一開一關間也會造成進氣效率的阻礙與延遲.......
而GDI引擎就沒有上述的問題,因為燃油直接噴射入汽缸內,且GDI引擎提供不同的進氣供油
模式,其中超稀薄燃燒(Ultra-Lean Combustion Mode)的空燃比(空氣:燃油)高達『40:1』,哇塞!
以下我們就來介紹,GDI引擎因應不同動力需求而對應的不同供油正時模式:
1.低於120km/hr時,Ultra-Lean Combustion Mode(Compression Stroke Injection):
在時速低於120km/hr以下,使用40:1的超稀薄燃燒,由於供油正時接進在壓縮行程的末期,
空氣密度極高(因為汽缸此時體積小,接近上死點),供給少量的燃油即可,再配合GDI引擎的
其他特殊構造(上面已經介紹過),可以避免暴振或點火不易的問題!40:1的超稀薄燃燒就是
這樣產生的!(參考圖三之左圖)
2.高於120km/hr時,Superior Output Mode(Intake Stroke Injection):
高動力輸出模式,使用進氣行程時供油,跟現行一般傳統引擎一樣!能輸出較高的動力!
燃油在進氣行程供油,有上一段提述的冷卻汽缸的功用(可避免暴振)(參考圖三之右圖)
PS:此模式的空油比約是30:1
3.起步或再加速時,Two-Stage Mixing Mode(Intake & Compression Stoke Injection):
在轉速突然拉高(再加速,或重起步時),由於GDI引擎的壓縮比高達12.5:1,引擎暴振的
問題需要考慮進去,所以在此Mode,GDI在引擎供油上下功夫-採用兩段式供油-
它在進氣行程時,先噴少許的燃油來冷卻汽缸,空油比是60:1,在壓縮行程的末期,再噴一次油,
此時,火星塞的附近有最濃的混合氣,以便點火,且這時間整個缸內的混合氣達到12:1,
如此高的比例正是為因應駕駛人強烈的動力需求而設計的!(當油門給它用力踩下去時)
如下圖:
two-stage-mixing(於進氣與壓縮行程各噴油一次)
五.GDI引擎在動力,油耗與廢氣排放的表現:
哎,光以上就寫了4個小時:~
Mitsubishi的GDI引擎是否成功與否就在這一段的量測結果!最先在世人眼前公佈的是一具1.8升
的引擎,它的對照組就是一具現行台灣Mitsubishi Lancer-Virage用的傳統式引擎,
I.油耗方面:
傳統引擎是12.2km/liter;而GDI引擎是16.2km/liter,進步了二成四的省油性!
II.動力性能上:
扭力提高了10%,而低轉速起步時,由於有two-stage mixing的供油模式,使得GDI引擎在低
轉速時的扭力再進一步的提升!
III.廢氣排放標準:
耶!為什麼voliron要用紅色字呢?因為GDI引擎最引人注意與爭論的地方就在這裏!
且個人認為Mitsubishi還有一些重要的數據並未公佈,等一下小弟會提到.....
GDI引擎在碳氫化合物(HC)或CO2的排放標準比較低是大家都認為沒問題的,
問題是NOx的含量卻沒有通過美國的標準,那台灣的第三期環保法規,GDI也一定無法
通過,也因此Mitsubishi用新的三元觸媒轉換器,比原先的GDI在身上加上高容積的-EGR
(exhaust gas recirculation,EGR)與在排氣端加上Reactive-type exhaust manifold
如圖:
新的三元觸媒轉換器(for 2nd GDI)
我們知道在引擎剛發動時,由於溫度不夠高,觸媒轉換器無法順利的工作,也使得引擎在
這段時間內的污染最為嚴重,且冷機時的引擎的油耗也比其他工作溫度來的高許多!
也因為如此,我們之前介紹的M-Benz的新單凸V6引擎採用兩進一出(閥門),它的排氣端
只有一個valve,且大面積,為了就是想留住引擎燃燒的溫度,使排氣溫度能在短時間內
達到觸媒轉換器工作的溫度;相同的理由,GDI引擎也想辦法達成一樣的目的,不過
它是在供油模式中下功夫-" two-stage-combustion ",這樣也可以使觸媒轉換器的工作
時間由原本傳統引擎的100sec到達250度,縮短到只要不到一分鐘的時間就到達一樣的
工作溫度!這two-stage-combustion也對抑制其他HC.CO2........etc的廢氣排放有幫助!
此處的『two-stage-combustion』是在汽車剛發動時使用,它是在壓縮行程時噴油一次,
然後,在點火燃燒後的動力行程時再噴一次油,之後才進行排氣行程;所以囉,........
two-stage-mixing mode與two-stage-combustion mode是不一樣的喔!
PS:以上所指的溫度是引擎排放的廢氣溫度,而非引擎的工作溫度!
Two-stage-combustion燃燒使觸媒轉換器得以提早工作
Two-stage-mixing燃燒與新的觸媒轉換器連手下,HC排放進一步減低
NOx有改善囉~~
此外,為了符合超嚴格的空污標準,如美國加洲地區,日本....(台灣當然也是),GDI引擎
還特別加上"NOx Trap Type catalysts",對NOx的排放再進一步的控制!!
還有部份地方由於油品的含硫量過高,GDI引擎在這些地方則需加上"Selective Reduction
Type catalysts",如歐洲地區......
其實,還有一個地方Mitsubishi Motor並沒有特別去公布這方面的數據,就是在"再加速,
與起步"two-stage-mixing mode的油耗是否真的比一般引擎來的outstanding?還有,
這段期間的NOx的排放情況如何?是否真的還是在法律的標準以下?三菱並沒有進一步的
說明?...嘿嘿嘿...抓包ㄛ,各位也拭目以待吧!我想應該還是可以解決的.
六.結論與GDI引擎的未來:
GDI引擎還是遵守著四行程引擎的模式下再加以改進;而值得一提的是GDI引擎的設計
還是可以再加上"可變進氣歧管"的設計,也可以加上"可變氣門正時"系統,當然,turbo的技術
也可以被引進來!這些技術三菱原本就有啦,所以,不久的將來GDI+turbo或GDI+MIVEC
等引擎的發表是可預期的:)
不過,GDI引擎在部份零件上的售價與耐用度還需要進一步的降低與考驗,如:高壓油幫浦
的售價與耐用度....;在同級對手身上,Toyota的D4也是很有名的對手,且也已經量產!
Honda也發表過汽油直噴+VTEC的三缸1000c.c.的IMA整合式引擎.
GDI引擎對NOx的排放情況還是不盡理想,因為,它目前是加上一堆東西在觸媒轉換器上才有勉強
通過空污標準的結果,所以囉,好還要更好!Mitsubishi Motor的工程師也是有可以再
進步的地方!However,就科技眼光來看,三菱的GDI引擎也的確也它很值得稱許的進步,
19世紀末的工程師雖想到過,但20世紀中M-benz的努力也只有曇花一現,20世紀末才由
Mitsubishi真正把它實現!光這點,放眼目前其他車廠的引擎科技,說GDI引擎為三菱的
科技結晶一點也沒錯!
