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:99415020

1

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-Rail

Systems）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2

BMW 車系（馬力、扭力兼具），運用了各缸獨立的節氣門以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!

目錄 3

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- Direct Injection)---------------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-------------

4

p.34

Mercedes-Benz CDI-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.46

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

5

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

6

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。

7

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.

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

8

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。

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DOHC

VTEC 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

9

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導入廢氣進入進氣岐管內產生EGR 效果。

10

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

11

嘴的噴油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

12

足夠的進氣量。如此，少了一支汽門運作，引擎內部的慣性阻力就小，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 BMW E39 M5 、 E46 M3 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

14

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想，在進氣岐管壓力不足的情況下，提前開啟進氣汽門反而會讓廢氣溢出，降低汽缸的油氣濃度。

HONDA認為要讓燃油效率充分發揮，必須具有高壓縮比、高進排氣效率的引擎設計方能達成目標，所以VTEC、iVTEC誕生。而且進氣效率佳，低轉速狀態下不

15

須提高供油濃度來搾出汽缸內所有氧氣的燃燒效益，這樣會增加油耗及 HC 的排放。相反的，HONDA 在供油上盡量以低燃油濃度來達成，能省則省，只要不發生爆震或爆引擎就好，加上 HONDA 引擎耐用度佳，對高轉速及高溫的適應性良好，在 iVTEC 引擎上，活塞的造型也經過特殊設計，除了四周有避免敲擊到汽門的缺口設計，中央還有類似缸內直噴引擎的凹槽設計，應該具有導引混合氣及降低爆震。優異的整體引擎表現，使 HONDA贏得消費者口碑。

相較於 TOYOTA只控制汽門開啟時間,HONDA還多了汽門行程的控制,性能上比 VVT-i還要優秀,且設計上也較為精良,故筆者認為,i-VTEC 在此項中勝出(以上為本人立場,不代表任何意義).

右圖為新世代 1.8 升 i-VTEC 引擎～R18 的剖面照片

16

▲ 缸體及曲軸及一體式的 All-Aluminum Low-block 設計應用的方式 R18

可變歧管一顆引擎的轉速從600rpm﹙每分鐘幾轉﹚到

6000rpm 不等﹙當然有些引擎更高﹚，使得引擎的進氣從每秒5次到 50次不等，每次進氣時間從

17

100ms 到 10ms 1/1000﹙ 秒﹚不等，而空氣是有慣性的，大家知道管子粗短 ▲ 節氣門接到空氣室上，圖中可以看到四時有利於高速 10ms 的進 根很長的進氣歧管從空氣室延伸出來

氣，因為這樣阻力較低，然而有慣性的空氣，在 100ms

時的長時間時，卻有機會反彈離氣缸又回到進氣歧管，為了抵制這種問題，結果進氣歧管不得不做的又細又長，讓欲回彈的空氣因細長的進氣歧管阻力而無法回彈，在阻力與回彈的兩難下，歧管長度一直是一門妥協的藝術。

雖然可變進氣歧管是所有技術中最低的，但各大車廠還是有些巧妙不同。剛剛有提到，在高轉速時，進氣歧管要又短又粗，這樣進氣阻力才低、流速才快，而低轉速時，進氣歧管要又細又長，這樣才能降低流速，避免進排氣回灌。所以要是多一組管子，一組長的、一組短的，然後在低速時關閉短的管子就行了，關閉的方法同節氣門。 不過各車廠細心程度不同，有的車廠只開關短管，這樣在高轉速時，長短管會有干擾的問題，有的車廠就有關閉長管的機制，這樣短管的共振效果就更好，還有的車廠不是用長短管，而是採用直進或渦流進的手法，在高轉速時，進氣歧管是直線化的，但在低速時，採歧管入口側邊進氣

18

的手法，使歧管內渦流劇烈，一方面進氣流速還是很快，但歧管內壓力升高，抑制住了進排氣逆流的現象。

▲ 只有一個﹙進氣側﹚不稀奇，這裡還有兩個的﹙Double VANOS﹚。

缸內直噴技術(DI- Direct Injection) 目前一般車種所使用的噴射式汽油引擎，大部份是採用將汽油由汽缸外部噴射至內部的多點噴射（MPI）方式，汽油在與空氣混和後，才藉由活塞的進氣行程吸入汽缸。而「直噴式引擎」則是採取將汽油直接噴射至汽缸內部的

19

方式，這種引擎具有經濟低油耗的特性，但引擎油耗降低，性能卻能維持或更好，關鍵在於 DI 引擎有兩種燃燒模式：成層燃燒與均質燃燒。 下圖為直噴式引擎工作過程

我們先來看看成層燃燒。低負荷時，不需要太大的輸出，節約油耗應該盡量在這個運作範圍內達成。DI 引擎在低負荷時可以稀薄燃燒，提供巡航或怠轉時所需的小額輸出。這種稀薄燃燒，空燃比可以達到 30或50。而一般的PFI 引擎的空燃比卻只能達到 14.5。

事實上，空燃比如果真的到達 50或65，這麼稀薄的混合氣是點燃不起來的。所以必須要讓汽缸內的混合氣不均勻混合，一部份非常稀薄，一部份比較濃厚，然後將這一小撮較濃的混合氣，精確的控制到火星塞的附近來點燃。這就是所謂的層狀燃燒。而在高負荷時呢？這時候油耗並不是重點，引擎必須要盡量的提高輸出，讓車輛能很快的加速或爬坡。在這時候的燃燒模式就改成了與 PFI 引擎類似的均質燃燒。空燃比降低到與 PFI 引擎相近的水準，並且盡量讓燃油與空氣充分混合揮發，以得到最好的燃燒狀況。在低轉速，低扭力需求的時候，像擁擠，走走停停的市區，DI 引擎用層狀燃燒來節省燃油。而高轉速，高扭力

20

的時候，像山路上的運動式駕駛，DI 引擎切換到均質燃燒來獲致最大輸出。

實際上，要達到以上兩種燃燒模式共存在同一具引擎裡，已經不是件容易的事，如果考慮到駕駛性以及在兩種模式中間的切換過程，DI 引擎的控制是必須要精準快速又複雜的。

而 DI 引擎要如何達到這兩種燃燒模式呢？在成層燃燒方面，目前市面上發表的 DI 引擎，都是用固體邊界的方式來導引這一小撮的混合氣。所以我們會在 DI 引擎上發現各式各樣不同形狀的活塞頂。有的是半球，有的是深皿，有的是淺皿，這些奇形怪狀的活塞頂就是用來導引這股較濃混合氣的。

除了用活塞頂來導引這股較濃的混合氣，DI 引擎的進氣道可能會有些獨特的設計來彼此配合。以 MITSUBISHI

的 GDI 與 TOYOTA 的 D-4兩款直噴式引擎為例的特點作一個簡單的介紹。

三菱GDI 的進氣道很有名，空氣由上方灌進燃燒室，形成大量的逆向滾流，可以推送這股較濃的混合氣到火星塞的周圍。此引擎不但油氣混合比要比一般的稀薄燃燒引

21

擎還要更低，而且由於汽油在噴射進氣缸內之後會吸收氣缸內的汽

▲ 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。化熱，所以同時也具有冷卻引擎，降低引擎溫度的好處。

22

與一般引擎比較起來，可以提昇百分之十的動力輸出。並減少百分之三十的油耗。

TOYOTA 的 D-4 (direct

injection four stroke)其基本的原理也是採用稀薄燃燒，不過 D-4 是採橫渦流方式，而非GDI 的縱渦流。依照運轉方式的不同，D-4 的燃燒方式

也有所不同，首先，在低負▲ TOYOTA 的「D-4」直噴式引擎 荷運轉時是供給1:50 的超稀薄混合氣，在壓縮行程後期時，將此混合氣噴射於氣缸頭狹窄的空間之內，藉由所產生的渦流效果讓這層濃油氣集中附著於火星塞附近，以提昇點火的效率（TOYOTA稱呼這種燃燒狀態為成層燃燒域）。

而為了確保混合氣的不均勻混合，大部分的燃油會在壓縮行程的後期才噴射，如果太早噴就都均勻混合掉了。所以燃油揮發的時間很短，噴嘴必須能噴出很微細的油粒，加上壓縮行程後期，汽缸內部氣體的壓力已經很高，DI 引擎的燃油幫浦必須提供非常高的壓力，才能讓噴嘴向高壓的缸內噴射微細的燃油顆粒。DI 引擎的燃油壓力大概是五

23

十個 bar 到一百多個 bar，而傳統高性能 PFI 引擎的燃油幫浦卻大約只提供三十.四十 bar 而已。

對成層燃燒來說，DI 引擎的燃油噴嘴扮演了很重要的角色。它噴出燃油束的形狀，長度，粒子的大小，或是提供給缸內氣體的動能，這是 DI 引擎的關鍵核心技術之一，也是未來 DI 引擎裡最有進步潛力的一部份啊。

▲ 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。

24

電子節氣門(左)節氣門是在進氣的管道中，加入一組蝴蝶閥，利用閥片旋轉角度不同、開口不同的方式，控制進氣量，進一步控制引擎的動力。現在車輛多採用電子節氣門設計，可由引擎控制模組進行精確的控制，讓輸出提高、油耗下降。

一個典型的節氣門體，應具備主進氣道及節氣門，而節氣門是由一彈簧控制，當駕駛者未踩下油門時，節氣門處於關閉狀態，使大部分的空氣被排除在閥門外；而當駕駛踏下油門踏板時，油門拉線便會拉動節氣門彈簧，使閥門打開讓空氣從主進氣道進入引擎中。除此之外，還有一個節氣門感知器來把節氣門開度轉成電子訊號，使得引擎監理系統(ECU)能依據此來控制燃油噴量。

節氣門閥體上還有一個怠速控制閥，是由一步進馬達控制，引擎 ECU會在冷車、啟閉冷氣、空檔與 D檔變換等時機，控制怠速馬達的作動，以調整引擎怠速之合適的進氣量。

25

傳統的節氣門(油門)是以油門拉線採機械方式驅動，然而為了全車控制的整體性，許多新推出的車型已採用了電子控制的節氣門(電子油門)。可由引擎控制模組進行精確的控制，讓輸出提高、油耗下降。

以 LEXUS 電子節氣門控制系統為例(下圖), 電子節氣門控制系統 (ETCS Electronic Throttle Control System)包含節氣門本體、加油板位置感知器、節氣門位置感知器、節氣門控制馬達、電磁離合器及引擎控制模組（ECM Engine

Control Module)，ETCS 使用 ECM 來計算節流閥在節氣門中所啟開的程度，以得知其相關駕駛狀況，ETCS 控制著怠速控制系統、定速航行控制系統。

26

加油板位置感知器位於節氣門本體，並且與相連在加油線上的節流桿結合在一起，加油板位置感知器轉換加油板的反應量，成兩種不同類型的輸出與輸入信號給 ECM，

27

節氣門位置感知器轉送輸入信號給 ECM 以指示節氣門已啟開。

ECM 接收這些輸入信號，並輸出給節氣門控制馬達來控制：加油時反應引擎應有的轉速量、引擎在怠速時所應維持的轉速量，及定速航行時所應有的操作。節氣門控制馬達也與 TCS ( Traction Control System)同步的操作，節氣門控制馬達位於節氣門本體旁，藉由使用電磁離合器來操作節氣門本體上的節流桿。

如果 ETCS 發生故障時，故障指示燈（MIL

Malfunction Indicator Light）會在儀錶板上亮著，且診斷故障碼（DTC Diagnostic Trouble Code ）會儲存在 ECM 裡。當故障發生時，電磁離合器將會鬆開，由彈簧的力量將節流閥關閉，假如 ETCS 停止作用時，加油板的作用便由位於節氣門本體上的「跛腳模式」（Limp

mode）桿的作動，來操作節氣門的作用。才不會因為ETC故障而使汽車不能動彈。

單缸獨立電子節氣門

28

由於一般單節汽門引擎在高轉速區時(如七千轉),越接近節汽門處的進氣歧管,其可吸到的空氣量越多,但離節氣門越遠的,

就吸的越少.於是引擎的極限就被限制住了.

▲ BMW E46 M3 之 M-POWER 引擎單缸獨立電子節氣門加六喉直噴設計，此乃高轉速高進氣效能保證 那假如每缸都有一個獨立的進氣系統呢,高轉速時所需要的大量空氣由各缸獨立吸收.阻力減少,最高轉速因而可向上攀升,極限便可壓榨出來,像現今的多缸機車,也是每缸獨立的化油器,如此才能應付機車的超高轉速所使用,畢竟,機車的轉速隨便都是幾萬轉的啊.

29

可變壓縮比SAAB 展出

這一個概念引擎，1.6L 的五汽缸鋁合金引擎，在搭配了機械增壓之後，馬力可達225bhp，但是油耗卻與馬力只有一半的普通

1.6升自然進氣引擎相同，據原廠表示，SAAB這套可變壓縮比，比起一般非渦輪引擎在正常行駛狀態下，可減少引擎 30％油耗。之所以能夠達到這樣的水準，主要是由於獨特的可調整汽缸前傾角度，整個汽缸體可以與曲軸箱做出最大差異達四度的前傾，如此一來就可以調整燃燒室的空間，換言之，可利用汽缸前傾的角度調整引擎壓縮比，據原廠資料指出，壓縮比可從發揮最大動力的 8:1 轉換到機械增壓器停止動作的最省油壓縮比 14:1，而 SAAB 的Trionic 引擎監理系統將會依照油門深淺及行車狀況以液壓

30

控制汽缸前傾的角度。可變火星塞間隙

SAAB 在 2003 年發表了一項引擎新技術,就是要改變火星賽的間隙,目前可讓火星塞間隙在 1mm 到 3.5mm之間做變化，火星塞點火時所需的電壓也比較高，大概有 80

萬伏特。這對於要點燃被大量廢氣沖淡的混合氣是相當重要的。在低負荷時，“SAAB 燃燒控制系統”以類似傳統火星塞的方式來點火，但是間隙很大，有 3.5 mm之多。而在高負荷時，由於點火較慢，被壓縮的氣體密度較高，3.5

mm 的間隙可能没辦法讓的火星塞噴嘴順利跳火；這時，活塞上面的一個小突起就代替了火星塞噴嘴上的接地端，讓火花在火星塞噴嘴的中央電極和活塞上面的小突起之間來產生。 如此一來,不管車子在任何負載下,都能夠有良好的跳火.

31

全球唯一高效能量產 W型引擎Volkswagen 近來最耀眼的成就,當屬W 引擎的發展.

W型引擎是由兩組

VOLKSWAGEN 自行研發的 VR6 引擎汽缸體,以 V型排列，各汽缸間以 15度排列，由前方觀看W型引擎，就如同兩汽缸體並列一起而形成 W型.(P.S.ＶＲ引擎：小夾角的Ｖ型引擎。VR6 引擎：小夾角的Ｖ型６汽缸引擎)

想法看似簡單.但結合成 W型時,所產生的不規則震動和兩具反向V型引擎同時作用時產生的反作動力,使許多大型車廠在研發中途紛紛遇到瓶頸宣

32

告失敗,而 Volkswagen集團為了完成這個不可能的任務，費時 4 年、耗資一億馬克（折合新台幣約15億5千萬），匠心獨具地設計了兩支獨一無二的反向平衡軸，徹底解決兩具反向V型引擎同時作用時產生的反作動力，造就了現在 W型引擎超乎想像的平順運轉！

以 W8 引擎為例，W8 引擎長度僅42公分，約與鍵盤大小相似，寬與高皆為 70公分左右、淨重190公斤,與 V6

引擎相近。而 W12

引擎，不僅體積較一般V12 引擎小了很多，引擎的重量更是大幅減輕，僅有

239公斤。圖1

VAG旗下的 W 引擎目前有 W8 與 W12兩款。圖1.

33

是 W 引擎與傳統引擎在汽缸排列構型上的差異。下圖2.是W8 與 V8 以及 W12 與 V12 在引擎長度(與體積)上的比較。

圖2

W 引擎的曲軸箱分為上下2 個部分，容納活塞的上半部由硬度高的「過共析鋁矽合金(AlSi17CuMg)」製成；承受較大應力與震動並支撐曲軸的曲軸箱下半部由鋁合金製成，與曲軸直接接觸的軸承由硬度極高的灰鑄鐵製成。曲軸箱裝置有上下兩支反向平衡軸以進一步降低運轉震動。

W 引擎有兩個鋁材質汽缸蓋，每個汽缸蓋有兩支凸輪軸控制每缸四個進排氣門。凸輪軸的驅動由鏈條帶動，W8

與 W12 都有連續式可變氣門正時裝置，可在各轉速曲間微34

調氣門開關時間。左圖為搭載W12 引擎的

VOLKSWAGEN 超跑,可在3.5秒內完成 0~100km/h

加速，極速更可達到 350公里以上.

在 2001 年 10月14 日，FIA 國際賽事組織（Federation Internationale de

I'Automobile）的見證下，W12跑車打破了三項世界記錄，分別是「24小時－平均時速高達 295.24km/h」、「5000公里－平均時速 295.44km/h」、「5000英里－平均時速 291.87km/h」，另外，還有六項量產車的速度記錄也在這次測試中被打破。2002 年 2月23、24 日，同樣在 FIA 的見證下，W12跑車再度刷新 6 項世界紀錄及 12 項國際級的紀錄，其中數項的原紀錄保持者不乏是8000㏄自然進氣超級跑車，這次由Volkswagen 以製造房車舉世聞名的車廠所打破，也可說

35

是一項革命性的新紀錄呢！

新引擎技術(柴油)說到柴油引擎，首先要提到的是它的燃料供應系統，

大家都知道,它是靠高壓壓縮燃料來引爆，當各汽缸的壓縮行程活塞快抵達上死點前，燃料必須精準地被送進燃燒室之中，所以其噴射系統非常先進，現在的汽油缸內直噴技術，柴油引擎早就開始使用了。

在台灣停止進口小型柴油車的這些年來，柴油引擎從動力輸出、運轉精緻度、廢氣排放或者是噪音抑制等等面向來看，都有直追汽油引擎的趨勢，加上柴油本身的燃油效率較佳，排放的二氧化碳較低，在國外市場一直保有穩定的銷售空間，特別是在相當重視環保議題的歐洲市場，小型柴油車的市佔率更是逐年成長,可見柴油引擎將可以和汽油引擎分庭抗禮另成一派，已經成為無法阻擋的全球

36

趨勢。

VolkswagenTDI-史上最強柴油引擎TDI 柴油引擎,全文為 Turbo-charged Direct

Injection. 顧名思義就是採直接噴射的渦輪增壓柴油引擎，TDI 是專門用在轎車上的柴油引擎，有別於商用車用柴油引擎的吵雜粗造，它的運轉平順噪音低，已相當接近汽油引擎的水準，且仍保有柴油引擎低油耗與大扭力的特色。

何謂直接噴射呢? 直接噴射就是將燃油直接噴入已壓縮的汽缸內，其優點是在點燃引爆前才噴入燃油可以得到接近完美的理論值混合比，油耗因而可以大幅降低

37

（許多汽油引擎也開始使用這項技術，不過汽油的燃點較柴油低，要克服諸如爆震，排氣含過多氮氧化合物等技術問題）。TDI 引擎的馬力輸出雖然不起眼，扭力平均來說卻比相同排氣量的汽油引擎高出約50%，這表示在走走停停的行車環境中車子的油門反應快比較好開。

38

Volkswagen 的 TDI 引擎中新配置"整合幫浦式噴油嘴" (pump-

injector)。這項設計的特點是藉用高壓將油料噴射進入引擎的燃燒室，使得油料與空氣混合更完全,且整個過程都由電腦精密的掌控著，目前此壓力已可高達 2,050bar，比傳統柴油引擎高出50%，噴油嘴並精密配置有 5孔噴口，以確保油料噴射時極佳的霧化效果，達成更完全的燃燒。這個技術使用在

Volkswagen 柴油車稱為「燃油缸內直噴」（Direct-

injection fuel-

engine），因而開創了柴油引擎超

39

高效率燃燒的新局面.圖左為 Touareg V10 TDI Volkswagen 的柴油引擎壽命平均為 85萬公里,其耐用度可見一般,此外,高效率的燃燒動能和省油.大扭力,使得柴油車在歐洲極受歡迎,由此可知,TDI 柴油引擎的成功已是不

爭的事實了.

40

Mercedes-Benz CDI-柴油共軌噴射 Mercedes-Benz，它的柴油引擎享譽全球，統稱為

CDI，這三個字代表「Common-Rail Direct

Injection」，也就是最新的共軌直噴系統。 1998 年時，由Bosch 和 M.Benz 合作發展的共軌直噴引擎技術完成，這個技術突破了舊款柴油引擎供油壓力隨著引擎的轉速而變化，以致在低轉速柴油分子霧化不完全，造成嚴重的空氣污染，同時燃燒效率也無法提高的問題。新一代的共軌直接噴射系統先以超高壓的幫浦將公共供油管中的柴油加以完全霧化以後，再經由個別的噴油嘴噴入汽缸，這樣一來，噴油嘴不必再身兼加壓的重任，供油壓力也不再與引擎轉速成正比，即便是在 1,500 轉的低轉速，就可以產生1,000 bar 以上的高壓，這是以往絕對

41

無法達成的事。但是第一代 CDI仍然有它的缺陷在，它的供油泵浦須要有較大的動力，因此容易形成較高油耗和油溫。 這個問題在第二代的高壓泵浦時解決了。它的電腦可以根據引擎轉速及工作狀況決定噴油量，而噴油壓力及正時也可以分別由電腦予以精確控制，這一來能量的耗損也隨之大幅減低，而且燃油壓力標準更由原來的 1350 bar提

昇至1600 bar，讓低轉速能產生更大的扭力，同時也更省油。由於可以精確的控制噴油正時，新款的柴油引擎又多出了「後燃」的動作，也就是在汽缸已經完成了燃

燒爆炸的行程之後，再噴入少量的油來把沒有完全燃燒的微粒再一次燃燒乾淨，這一來排放的污染物質當然可以大幅減少。 為了能更減低運轉噪音，新一代的 CDI又特別採用了兩階段的預燃噴射方式以減少落差，四缸引擎還加入反向平衡軸抑制震動，廢氣控制方面，透過熱膜式流量計、電子

42

廢氣循環閥等裝置，精確調節進排氣比例，再配合兩組微粒過濾裝置及觸媒轉換器後，排放標準可符合歐洲第三甚至第四期(EU3、EU4)的環保法規。最近 M.Benz推出了全世界第一組鋁合金汽缸本體V6 3.0公升CDI，更使用了第三代的共軌直噴系統，噴射壓力仍然為 1600 bar，但燃燒壓力高達 180 bar 而且能快速預熱。它不但具有更大的馬力，油耗與污染大幅降低（據稱符合 EU5規範），而且震動和噪音極小，號稱是全球最佳的柴油動力源。 另外,最近炒的最熱的國產柴油車『Tucson

VGTurbo』，也是搭載與 M-BENZ 同級的燃油共軌系統.

並加裝了可調整角度的導流葉片的渦輪增壓系統,使引擎在任何的轉速下，維持穩定的增壓值，提升引擎運轉的順暢性，解決了〝渦輪遲滯〞的現象。如此一來,當你坐上最新的柴油引擎車時, 幾乎感覺不出與汽油車有何不同了,甚至更優於汽油車呢!

43

▲ 唯一百萬級以下高科技新柴油動力的休旅車 Tucson

VGTurbo

未來引擎技術VTEC？Double VANOS？還是 VVT-i？為了達到引擎

兼顧低轉速時扭力與高轉速時馬力的理想，可變氣門正時系統已成為現代汽車引擎中不可或缺的要素，也是各車廠技術能力較勁的戰場。然而，RENAULT 目前正著手研發一種革命性的氣門正時機構，完全排除了正時凸輪、甚至四行程循環的包袱，以先進的電磁原理，將汽車的引擎正式

44

導向「磁浮」時代。無凸輪軸引擎RENAULT 目前正著手研發一種革命性的氣門正時

機構，完全排除了正時凸輪、甚至四行程循環的包袱，以先進的電磁原理，將汽車的引擎正式導向「磁浮」時代。

(左)不再需要正時凸輪的存在，RENAULT 利用電磁閥結構來控制進/

排氣閥門的啟閉。 法國的 RENAULT 車廠最

近就在研發一種全新的引擎燃燒方式，利用電磁技術取代傳

統四行程引擎在氣門正時機構上所需要的機械元件，原本用來決定進排氣閥門開啟角度與揚程的凸輪在這種全新的設計中已不復存在，取而代之的是由電腦所控制的電磁作動機構。電磁閥門的運用除了能達到氣門正時 /揚程的完美設定外，還有燃燒行程不再侷限於四行

程的神奇妙用(下)

利用電磁閥來取代正時凸輪有多顯而易見的優點，第一，由於電磁閥可以輕易地利用磁力的改變決定氣門開啟

45

的行程與時機，我們不再需要複雜的凸輪構型、利用多段式的搖臂機制、還是佔用體積的油壓機構來改變氣門正時，也因此電磁閥正時系統能達到無段可變氣門正時與氣門揚程的境界，這使得無論是三階段凸輪、還是連續可變正時角度等的傳統機械性結構之氣門正時裝置都變得有些不希罕了！完美的氣門正時設定可以讓引擎在低轉速時能夠輸出更充足的扭力，但卻絲毫不損高速時的最大馬力表現。在這樣的前提之下車廠可以讓變速箱的齒比設定更高些，而達到省油的目的。    然而，無凸輪引擎最令人驚訝的特異功能並不止於此，由於各汽缸的氣門控制電磁閥完全都是獨立運作而互不相干，因此氣門的開闔不再像傳統引擎一般強迫要「輪番上陣」。在這種設計下引擎可在傳統汽油引擎的四行程運作過程之外多加上幾個無用的壓縮、擴張或重複的排氣行程，以便在車輛對於動力的需求較低時讓其中的幾個汽缸 pass

過點火燃燒的行程，達到節省燃油的功效。46

這種類似「汽缸間歇」的技術其實已在 MERCEDES-

BENZ 的 5.0升八缸與 6.0升十二缸引擎上見到過，但不同的是後者是利用傳統機械性的方式、透過停止供油與調整氣門正時來達成的。根據RENAULT 的理論，電磁閥正時能讓引擎以六或八行程等雙數倍的行程數目運作，我們可以想像得到，多增加出來的壓縮行程或者兩次的排氣行程，將會有助於燃燒室內空氣與油料的均勻混合，以及廢氣的完全排放。(無凸輪引擎在八行程運作模式下多了一個沒有作用的壓縮/擴張與排氣行程。)根據初期的測試，電磁閥引擎在油耗上較傳統引擎節省了 15 到 20%，而我們也可以進一步推測，如果RENAULT將這種技術應用在引擎動力的增加而非省油方面的話，那麼減少了凸輪機件所增加的內慣量與內摩擦，再加上氣門正時的更加精確，或許汽油引擎的轉速極限將能夠獲得更進一步的提昇也說不定！

氫燃料引擎 長久以來，氫氣電動科技仍停留在非常昂貴的實驗階段。然而在 Volkswagen工程師

47

與蘇黎士的 Paul Scherrer協會(PSI-Paul Scherrer

Institute)及德國 FEV Motortechnik GmbH 共同攜手努力之下，氫氣動力突破傳統朝向實用的領域邁出了一大步！ 2002 年 1月，在瑞士與義大利交界處2,005米高的Simplon山峰上，Bora HY Power原型車正接受著一項嚴峻的考驗。這是第一次，將兼顧低成本及高效率輸出的「冷燃燒」(Cold Combustion)理論付諸實現的氫氣電動實驗。這個原理是在氫氣電池正、負極中間配置一層薄膜(membrance)，當電池動作時，氫與氧會通過中間的薄膜化合形成副產物－－水，在這個過程中將會釋出能量，也就是說在氧化進行中化學能會轉變為動能輸出。因為這個過程中沒有借助任何火花及火焰，所以稱之為「冷燃燒」，燃燒完畢後僅有水蒸氣會排放至空氣中。也因此，Volkswagen選擇了在 Simplon山上零度以下的溫度及陡峭的坡路間，嚴苛地考驗氫氣電動科技的運動實力及在超低溫下的耐用性！

Bora HY Power原型車另外配備有二項創新的氫氣電動技術。其中之一是成本低、高效能的超大電容器

48

“Supercapa”。“Supercapa”可以在極短時間內釋放出 30千瓦的電力，以提供加速超車或翻越陡峭的山路時瞬間所需的高性能。另一項則是 PSI 新一代的薄膜技術。幾乎以往所知的任何製膜技術，費用皆相當昂貴且不可能量產；Volkswagen 與 PSI聯合開發的新一代薄膜)技術，不但價格更便宜，且超越以往具有更佳的性能！

Bora HY Power原型車在零下的低溫及險峻坡度上的實地測試，可輸出動力 102hp，且具有 22.94kgm 扭力，0~100km/h 加速只需12.6秒，極速可達140km/h，行進間的操控及路感皆近似標準量產的Bora，試駕的愉悅感受以及不虞匱乏的動力表現令人非常滿意，順利地通過了嚴格的考驗！

2001 年 10月21 日第18屆國際電車博覽會上，Volkswagen

正式介紹搭載Hy Motion 的 Bora

與世人見面。Hy Motion 有一個約為 50升低於攝氏零下253度的液

態氫氣槽，這個消耗量約等於 12升的汽油跑350公里。透過 Volkswagen 與 PSI 的合作，目前氫氣電動車已發

49

展得更適合日常使用，不但不必擔心動力不足，且未來量產後一般人皆能負擔得起！

想像一下，以後，車子只要添加氫氣，不再排放廢氣，取而代之的是對植物及人體友善的水蒸氣，天空不再被一層髒污覆蓋，空氣隨時保持乾淨清新！

DINO 的話科學家讓車輛電腦化的原動力,主要是讓環境污染可以

降到最小,讓馬力能升到最大,讓燃料消耗量變低,並讓安全性提到最高,但這樣的結果,還是無法解決現在及未來的問題,

畢竟,石油還是一直在消耗,廢氣還是一直在排放,而內燃機的汽油約略只有 1/3 的能量來產生動力，其餘1/3 轉化成熱能被內燃機本體吸收，另外 1/3未完全燃燒經由排氣機構釋放出去污染環境。這樣的數據,讓大家感慨其效率之低

50

啊.

唯一的辦法,就是尋找能取之不盡,用之不竭的能源,否則,不論你在現今的引擎中投入多少人力,多少時間,最後都只是過度期吧了,因為危機的根源並未解除啊.

目前有在研究,且較有希望的有利用太陽能,水,電等較方便,且不易消失,如氫燃料引擎.太陽能車.燃料電池車,這些的特性都是能排放單純且乾淨的氣體或水氣,甚至不需要排氣系統.

唯有這樣的選擇,我們的未來才有希望啊本資料來自於:

汽車線上Volkswagen Asia

奇摩汽車討論區超越車訊汽車網柴油共軌直噴引擎討論篇saycoo 家族論壇Toyota 汽車教室

51

易立達高科技網VAG-Technology(Engine)

U-Car 討論區Intake System

52

DINO

53