「小气」当红─车坛小排气量引擎发展新趋势

「小气」当红─车坛小排气量引擎发展新趋势

对车坛趋势关心的网友,肯定注意到近年车厂推出的新世代引擎,有一个非常显着的转变潮流,那就是以往主要由欧日车厂较着重发展的小排气量引擎,在全球油价高涨与环保意识抬头下,逐渐成为全球各车厂的新世代动力研发显学,甚至连对大排气量引擎情有独锺的美系车厂,也开始加入小排气量引擎的开发阵容。

同时,小排气量引擎的兴盛也牵动引擎排气量与缸数的逐步缩减,尤其是主流小排气量引擎的基準线,逐步由以往1.5-1.8升级距,缩减至1.2-1.4升级距,甚至多款1.0升以内的更低排气量引擎,也陆续被车厂开发出来,担纲品牌主力引擎家族,而引擎缸数也由以往常见的4缸配置,出现3缸甚至双缸的低缸数设计。这篇科技趋势专题,就由近几年重点小排气量引擎产品的演进,来观察车坛当前最夯的Downsize小排气量引擎趋势。

引擎排量与油耗成正比,缩排量降油耗成主流

要理解全球车坛,在面对更严苛的排放污染规範与油耗标準时,不约而同地多採用降低引擎排量的Downsize策略,就得先谈引擎排气量,以及排量与油耗的正比关係。首先,排气量是指引擎运作时,所排出的气体容积,而若细分的话,将汽缸的面积乘以冲程,即可得到汽缸排气量,再将汽缸排气量乘以汽缸数量,即可得到引擎排气量。

而内燃机运转所需的能量,即来自石化燃料与空气混和后燃烧,而更多的汽缸数与引擎排气量,则需要耗损更多的能量来运转,因此,若排除车辆、驾驶与路况的各别差异,在内燃机的先天基础上,引擎排气量与油耗是成正比,反之,缩减排量就能降低引擎的耗油量。

因此,在车厂追求降低油耗的目标上,缩减引擎排量以达到降油耗,就成为不约而同的发展主轴。当然,不仅仅只有单纯降低油耗的考量,在提升燃烧效率与追求更高的输出性能时,包括引擎轻量化技术、缸内直喷、涡轮增压技术、可变气门正时科技、电子液压可变进气系统、Start/Stop怠速熄火系统甚至可变汽缸管理技术等等,也被广泛运用上小排气量引擎,以达到新世代小排气量引擎,能在节能、排放与性能兼备的均衡表现。

小排气量引擎其来已久

其实,就全球车坛来看,小排气量引擎并非是现今才突然问世的产物。事实上,1886年由Karl Benz所打造,全球首辆3轮汽车并 揭开汽车历史滥觞的Benz patent motor car No.1,正是搭载954 c.c.单汽缸4行程汽油引擎配置,所以,小排气量引擎可说是汽车动力的源头。但随着引擎技术的精进、对动力性能更高的需求、对应更複杂的车体结构与重量,引擎排气量与缸数设计便持续增长。

然而,小排气量引擎仍然在部分地区与产品受到稳定的支持,尤其是日本境内推行许久,排气量660c.c.以下的微型车款K car,或者是产品初始就定义为低排量都会迷你车,採用999 c.c. 3缸引擎的Smart Fortwo,以及998 cc 3缸引擎的Toyota Aygo、Peugeot 107与Citroën C1孪生兄弟,甚至是2009年震撼全球车坛,採移植自摩托车624 c.c.双缸引擎设计的Tata Nano廉价小车等产品,都算是车坛低排气量引擎的要角,但在新世代小排量引擎的定义上,若与缩减排量并取代旧款较大排量引擎的沿革本质,两者仍有一定程度的差异。

因此,要定义掀起这波小排气量引擎新风潮,并不是简单的「复古」运动可以概括。而是在现代石化能源危机下,车厂必须对应更严苛的废气排放与燃油规範,因此,降低排量以提升节能环保,成为新世代小排气量引擎兴起的主因。

若由时间轴来看,可以简单地做个划分,新世代小排气量引擎可以认定为近5年内,部分车厂有计划地以缩减排气量的新世代引擎族,更新品牌主力车系的动力系统。而最符合资格的新世代小排气量引擎,则有Volkswagen 1.4TSI引擎、Fiat MultiAir电子液压可变进气系统与TwinAir双缸涡轮增压引擎,以及Ford集团力推的1.0 EcoBoost 3缸涡轮增压引擎。

广  告新世代小排气量引擎唱名-Volkswagen 1.4 TSI

而就全球车坛近几年来看,影响力最大与最具代表性的新世代小排气量引擎,肯定是Volkswagn集团所属的1.4 TSI引擎族,自2006年至2010年间,总共连续5年获得国际引擎大赏的高度肯定。

名震车坛的1.4 TSI引擎,起源可追溯至2005年法兰克福车展,以5代Golf为基础推出的Golf GT,是1.4 TSI引擎首度搭载在量产车型。这颗原厂代号EA111的1.4 TSI引擎,开发初衷以降低油耗与提升性能为出发点,并导入Downsize设计概念,同时导入引擎排气量缩减、降低摩擦损失与引擎轻量化等工程,提高引擎工作效率,并在FSI缸内直喷技术上,再导入序列式排列机械增压系统与涡轮增压系统,成功在1.4升直列四缸的设定,创造出最大动力170匹与原厂平均油耗每公升可行驶13.8公里,在当时能较相同动力的自然进气汽油引擎,节省约10%的燃油使用。

Volkswagen1.4 TSI引擎约于2006至2007年陆续投入全球市场,并倚赖Volkswagn集团内传动技术的高度共用性,顺利让TSI引擎科技广泛移植Volkwagen品牌其他车系,甚至是集团内的Audi、Škoda、Seat与Volkswagn商旅等品牌,也陆续衍生出1.2 TSI更低排量版本,以及不同动力输出与拿掉机械增压系统的低阶版本。

而随着产品世代演进,Volkswagn趁着2012年巴黎车展发表第7代Golf的机会,介绍车系引擎主力,原厂代号EA211、可输出140匹最大动力的新世代1.4 TSI引擎。在延续旧款TSI引擎的核心技术脉络,新世代TSI引擎拥有单涡轮增压技、单涡流与缸内直喷技术,更首度导入ACT主动式可变汽缸管理系统 (Active Cylinder Management) ,让四缸引擎也能够支援四缸运转或双缸运转的可变汽缸节能技术。

ACT主动式可变汽缸管理系统的技术原理,藉由在第2与第3汽缸进气与排气凸轮轴上方,设计两组总共4个Tooth System电磁阀控制装置,而Tooth System命名也贴切地传达设计概念,每个电磁阀控制两根犹如牙齿的金属针柱,而凸轮轴则设计有相对硬的两组螺纹轨道,在正常运行模式下,凸轮轴旋转顶压开启第2缸与3缸的进气门与排气门,若切换到第2与3汽缸停止运作模式时,电磁阀则会伸出左侧针柱并运行凸轮轴上的轨道,让凸轮轴产生横向位移导致凸轮无法顶压开启进气门与排气门。

而要回复正常运行模式时,电磁阀则改伸出右侧针柱并运行凸轮轴上的另一组轨道,让凸轮轴再度横向回归正常位置,当然,进排气凸轮轴有预留独特的横向弹性伸缩设计,让Tooth System启动第2与3汽缸休止时,横向位移的凸轮轴不会影响第1与4汽缸正常运转。

而根据原厂资料,透过Tooth System运作的ACT主动式可变汽缸管理系统,成功让第2与3缸可于低速行驶时暂时停止气门进排气、供油与燃烧等动作,并搭配怠速熄火技术,创造每公升20.8公里亮丽平均油耗。可以预期地,Volkswaen集团新世代TSI引擎,将会陆续推出衍生版本,并移植至集团其他品牌,持续担纲集团的主力小排气量引擎族。

广  告新世代小排气量引擎唱名-Fiat MultiAir与TwinAir引擎

除了Volkswagen集团外,欧洲义大利车厂Fiat集团,也是近年开发小排气量引擎的翘楚,先后以1.4升直列四缸MultiAir涡轮增压引擎与875 c.c.排量的TwinAir双缸涡轮增压引擎,风光拿下2010年与2011年国际引擎大赏殊荣,成为车坛瞩目的焦点。

向来在引擎科技别有创新的Fiat集团,先后于2009年与2010年推出的MultiAir与TwinAir技术,可说是集团在小排气量引擎科技的创新之作。2009年3月发表的1.4升MultiAir直列四缸节能引擎,不仅仅是新世代引擎系列的诞生,MultiAir更代表是关键的引擎节能新技术「MultiAir电子液压可变进气系统」,其最大的创新之处,在于取消传统的进气凸轮轴设计,改为电子液压控制的多段可变进气系统,以提在对应各种转速与动力需求时,引擎所需高燃烧效率的最佳进气阀门动作。

MultiAir电子液压可变进气系统的技术原理,是以一组电子液压驱动进气阀门设计直接取代传统的进气凸轮轴,MultiAir系统将原有进气凸轮轴的「凸轮」结构,巧妙移植至排气凸轮轴上,让排气凸轮轴上的相异凸轮,各自扮演驱动排气阀门与进气阀门的动作,其中,负责进气动作的凸轮,改经由驱动各汽缸独立的液压机构,并将液压管路一分为二同时控制每缸双进气阀门的开阖动作。

而改变传统凸轮轴的纯机械结构后,电子式液压控制进气系统能主动作出精密的微调设定,让进气阀门在差异化的液压推动幅度后,产生进气门不同的开阖幅度与时间长短,进而达到因应引擎不同转速域与动力输出需求条件下,最佳化的进气门设定。

当时发表MultiAir引擎技术的Alfa Romeo表示,导入MultiAir技术后可将引擎最大扭力输出提升10%,低转速扭力值更能提升15%,并在达到相同动力表现下,体机更小的MultiAir涡轮增压引擎,将较传统自然进气引擎降低25%的油耗,降低HC碳氢化合物与CO一氧化碳排放量达40%,NOx氮氧化合物排放量更降低60%,达到提升性能并兼顾节能表现。

MultiAir技术的首搭量产车款,是2009年9月上市的Alfa Romeo MiTo MultiAir,以自然进气与涡轮增压两种设定的1.4升直列四缸引擎,结合创新的MultiAir技术,提升引擎的节能表现。后续也推广至Alfa Romeo与Fiat等品牌车款,甚至也藉由Fiat与Chrysler的结盟,将MultiAir技术移植给Chrysler车厂。

接着,Fiat车厂更将小排量引擎的开发焦点,往下推移至双缸引擎领域。于2010年7月发表搭载于Fiat 500车系,排气量仅875 c.c.TwinAir双缸涡轮增压引擎,结合MultiAir电子液压可变进气系统、涡轮增压技术与双缸引擎等特点,可输出85匹最大马力与14.8公斤米最大动力,搭载于Fiat 500 手排版本,市区油耗可达到每公升24.4公里,二氧化碳排放量也仅每公里95公克;若搭载5速Dualogic序列式变速箱版本(单离合器自手排设计),市区油耗更可压低至每公升25公里,二氧化碳排放量也进一步降低至每公里92公克。

而在500车系採用TwinAir双缸涡轮增压引擎后,Fiat也陆续让Fiat旗下Punto与Panda等主力车系搭载,同集团的Alfa Romeo MiTo与Lancia Ypsilon等主力车系,也将TwinAir列为核心传动科技,展现集团动力编成朝向低排气量与少缸数的新趋势。

新世代小排气量引擎唱名-Ford1.0 EcoBoost

而要说到小排气量引擎的后起之秀,甫获得「2012年国际引擎大赏」与「年度最佳新引擎」双料大奖肯定的Ford 1.0升3缸EcoBoost引擎,绝对是不二的首选。

以往,美系的Ford集团在引擎家族的开发,仍惯于大排气量与自然进气汽油引擎的设计,较小排气量引擎的开发,主要以欧洲福特为主力,但在Ford近年推出的One Ford全球战略架构下,Ford积极统合集团资源、开发技术与产品编成,而EcoBoost新世代引擎科技也在此背景下,成为Ford重要的研发策略,当然,Downsize低排量引擎也是EcoBoost的开发主轴,而2011年于德国法兰克福车展正式首演的1.0升3缸EcoBoost引擎,更是其中的代表作。

这颗排气量999 c.c.的1.0升3缸引擎 ,搭载Ford EcoBoost科技核心的Ti-VCT双独立可变汽门正时控制技术、缸内直喷、涡轮增压技术与低阻力活塞镀膜设计,最大动力可输出125匹与17.3公斤米,是当前Ford集团排气量最低与缸数最少的引擎,比起先前Ford Ka迷你掀背搭载的1.2升Duratec直列四缸引擎更为Downsize。

而这颗1.0升3缸EcoBoost自问世至今,已陆续搭载在EcoSport与Focus等车系,甚至国人熟悉的中大型房车Mondeo车系,Ford也在新世代大改款车型规划搭载1.0 EcoBoost 3缸引擎,彻底颠覆以往大车理应搭配大排气量引擎的思维,此外,也可以预期地,Ford将有更多车系搭载这颗小排气量新世代EcoBoost引擎。

小排气量引擎发展仍是现在式

即便已有Volkswagen、Fiat与Ford等车厂,推出多款新世代小排气量引擎,但可以肯定的一点,是全球车坛新世代小排气量引擎的发展,仍然是现在式。

譬如,法国PSA Peugeot Citroën集团旗下的Peugeot车厂,2012年推出的全新208车系,主力搭载新开发的1.0与1.2升VTi 3缸汽油引擎家族,而美国GM车厂也与PSA集团在2012年底宣布结盟开发小车,在引擎更将借重这组新世代3缸引擎家族,此举也预告GM集团将积极跨入小排气量引擎的阵线。

而在引擎科技拥有卓越名声的日系车厂Honda,于2011年东京车展所发布的Earth Dreams Technology新世代传动科技,也提到将在1.3至1.5升级距引擎,推出性能与效率更为精进的全新世代产品。因此,在可见的未来,新世代小排气量引擎,将是各车厂展现传动科技竞争力的一大焦点。