1.汽油車
汽油是大家最熟悉的燃料,它的燃點低揮發性高,需要使用火星塞在正確時間點燃,所以汽油引擎多以較低的壓縮比(9:1-11:1)運轉,也就是說衝程短,扭力表現沒有衝程長的柴油引擎或者是電動車的電動馬達來得好。
但是也因為壓縮行程較短,其震動及噪音都遠比柴油引擎低,同時可以達到較高的有效轉速,輸出較高的馬力。一般自然進氣汽油引擎每公升排氣量約可輸出最高75匹馬力;每公升排氣量約可輸出最高10公斤*米的扭力,例如田Camry 四汽缸自然進氣的汽油引擎性能數據如下:
| 排氣量 |
1998cc |
2494cc |
| 最大馬力 |
148 hp / 6000 rpm |
181 hp / 6000 rpm |
| 最大扭力 |
19.4 kgm / 4000 rpm |
23.6 kgm / 4100 rpm |
上圖為柴油引擎噴射系統圖:左圖是油軌,右圖是噴嘴。柴油引擎不需要有火星塞點火,藉由長衝程壓縮空氣升溫點燃油氣何時該點燃反倒是有噴嘴決定,由於壓電式噴嘴的上市,使得藉由精準控制噴油時機成為可能。反之若是汽油引擎衝程短,不能自行達到燃點,需要靠火星塞點火何時點燃由火星塞決定。
上圖為汽油引擎輸出曲線,X軸是轉速Y軸分別是扭力及馬力。可以看出由於壓縮行程短,轉速(r.p.m.)可達6000轉(rotation per minute)以上,持續加速的馬力相對好;若是柴油引擎則轉速最高只能達到5000轉。
上圖為柴油引擎輸出曲線,X軸是轉速Y軸分別是扭力及馬力。可以看出由於壓縮行程長,柴油引擎轉速最高只能達到4500轉,馬力峰值較低,扭力強而且出現在極低轉速,持續加速力必需藉由多檔位齒比範圍廣的變速箱來達成。
| 項目 |
汽油引擎 |
柴油引擎(共軌直噴引擎) |
| 燃油 |
汽油 |
柴油 |
| 進氣 |
混和油氣或純空氣 |
純空氣 |
| 點火方式 |
火花點火(火星塞) |
壓縮自行升溫點火 |
| 壓縮比 |
8~11:1 |
16~23:1 |
| 爆炸壓力 |
50~70bar |
60~90bar |
| 熱效率 |
25~30% |
35~40% |
| 燃料之霧化 |
利用吸氣氣流或
高壓噴嘴使汽油霧化 |
使用高壓噴嘴使柴油霧化 |
| 燃料特性 |
燃點越高越好
以避免自行預燃 |
燃點越低越好
避免無法自行點燃 |
| 最高轉速 |
7500rpm或以上 |
4500rpm左右 |
| 廢氣溫度 |
高 |
低 |
| 引擎重量 |
輕 |
重 |
柴油引擎與汽油引擎在機械特性上的差異比較表
臺灣約在30年前禁止小轎車使用柴油引擎,使得汽油引擎汽車長期成為市場主流。整體的汽車後勤保修體系包含使用保養的常識,維修的技術儀器經驗,以及零件的供給管道,都完全以汽油車為主。所以既使柴油車具備了一些獨特的優點,使用汽油的車子在引擎維修保養和車輛保值方面目前仍然佔絕對的優勢。
自從有柴油引擎進入市場競爭後,生產汽油引擎車款的車廠為改善相對較弱勢的油耗表現,也逐漸導入如可變正時、可變岐管、缸內直噴、渦輪增壓等系統改善各轉速域的輸出扭力差以及吸氣效率。這些原本多半配置在高價進口汽油引擎車裡頭的高級設備,現在不論車種等級高低幾乎都已經逐漸導入,其呈現出來的油耗表現也已經幾乎與同級柴油車相當,而這些汽油引擎當然也沒有柴油引擎先天存在的震動及噪音問題,這其中以BENZ CGI系列引擎,福斯TFI系列引擎,BMW HPI Turbo系列引擎,日產DGi turbo為這方面的代表,此舉也對推廣柴油車形成一股壓力。
由於油價提高,使得相對省油的柴油車取代了部份原有部份汽油車市場,而生產汽油車的車廠也用盡全力提升汽油引擎效率及油耗表現。圖中為Nissan GT-R 的V6 3.8升引擎,輸出馬力高達545匹,扭力66公斤米。
所謂高效率汽油引擎主要是缸內直噴配合渦輪增壓,燃燒室頂端除了火星塞以外還多了一支長柱狀的零件,這是缸內直接噴射系統特有的高壓噴嘴,一般缸外噴射的油嘴壓力僅3個bar,而缸內直接噴射系統的高壓噴嘴為了能夠達到最有效的霧化效果是150bar以上的汽油壓力。這樣的配置是為了能夠讓吸氣行程中只吸入空氣,壓縮行程時只壓縮空氣,較不受爆震之威脅,可儘量提高壓縮比增加輸出效率。
而渦輪增壓是藉由原本直接排放的廢氣去推動渦輪扇葉,扇葉同軸另一端的另一扇葉再去鼓動風壓灌入進氣系統,使得原來吸氣量只有八成不到的自然進氣方式一下子高過100%。若非配合缸內直噴技術,從前都勢必降低壓縮比以避免爆震的發生,但降低了壓縮比就會出現增壓前後輸出落差大的情形;而配合了缸內直噴技術後可不刻意降低壓縮比,使得增壓前後輸出的連續性良好,不會有加速延遲問題。這樣的搭配(缸內直接噴射+渦輪增壓)可以發揮小排氣量引擎有大排氣量引擎輸出,油耗仍維持小排氣量引擎有水準,是目前的高效汽油引擎主流。
上圖為BMW渦輪增壓引擎排氣側。排氣推動渦輪增壓器裡頭的葉片,葉片再鼓吹空氣先流經前方的冷卻器降溫,再流向另一側的進氣系統進行大於一大氣壓的壓力加壓。
參考汽油動力車款:
1. FORD Mondeo 2.0ECO Booster
福特Mondeo車系在國內歷經4代車型,雖強打國產唯一歐系底盤中型房車,訴求操控性能及安全性,但也因為相對稍嫌粗獷的外型及內裝設計,銷售上一直遠遠不及同級距日系中型房車。儘管在第三代車型開始配置了技術層次高,具缸內直噴、渦輪增壓的Ecoboost 高效汽油引擎,以及TDCI柴油引擎,還搭配上效率高、順暢度佳的Powershift雙離合器自動手排系統,仍難以扭轉臺灣市場中型房車凡訴求操駕性能便賣不好的殘酷事實,圖片中的最新世代福特Mondeo車系,目前已經確定以進口的方式再度進入國內市場,銷售狀況值得關注。
Ford powershift system
福特的PowerShft自手排變速箱是市面主流自動手排檔變速箱之一。自動手排檔變速箱配合雙離合器,是以手排變速箱為發展基礎,傳輸效率最完全,不像傳統自排變速箱至少有15-20%的動力是被消耗掉,他明顯提昇油耗表現,並且消除了從前自動手排檔變速箱順暢度差的問題。與傳統自排變速箱相比,將能降低大約20%的油耗。
唯由於系統結構覆雜,市場上一直有故障率偏高的疑慮。
福特EcoBooster引擎系列也是著名的高效動力汽油引擎。例如這款排氣量僅僅999c.c.的1.0升Ecoboost直列3缸汽油引擎採用了鋁合金打造,並整合了Ti-VCT雙獨立可變汽門正時控制技術、缸內直噴技術、渦輪增壓系統以及低阻力的活塞鍍膜,使其能夠產出125匹的最大馬力和17.3公斤米最大扭力(一般自然進氣引擎大約只能輸出70匹的最大馬力和10公斤米最大扭力)。這些項目從前都會安排在相對排氣量大,單價高的車種;現在為追求環保和節能效率,連這麼小的引擎也這麼配置這麼豐富,而且會是未來的市場主流。
2.TOYOTA Altis 1.8
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第11代豐田Collora Altis造型傾向年輕時尚
最大馬力 140 ps/rpm / 6,400;最大扭力17.6 kg─m/rpm / 4,000;油耗也有19l/km的測試表現
豐田Collora Altis是豐田最暢銷的長青車款,其造型平實、性能一般,但因為品質穩定、售後服務紮實;尤其在第7代開始換上VCT無段變速箱,藉著快速連續變化齒比的方式,將引擎轉速限制在相對高效率區。雖然其VVTI汽油引擎並未使用最先進的缸內直噴及渦輪增壓等技術,卻以平價車之姿,締造出優秀的油耗數字表現,長期在國內穩居中型車龍頭,年銷量以萬台計。
ucar article 24
11代Coroll雖然其VVTI汽油引擎並未使用最先進的缸內直噴及渦輪增壓等技術,卻以平價車之姿,締造出優秀的油耗數字表現,長期在國內穩居中型車龍頭,年銷量以萬台計。
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11代Corolla搭載Super CVT-i附加Up Shift控制系統可模擬7速之無段變速系統
變速箱為了將引擎轉速調整成配合行駛速度和力量需求,它需要不同的齒輪比,也就是我們熟知的檔位,越高級的車為了減緩檔位間的落差,檔位也就越多。
E-CVT電子無段變速系統(Variable Timming)藉由兩錐形滑輪改變相對位置,將其間的鍊帶撐開或縮小,達成等同齒比變化的目的,也因為變化速度快而且不間斷,使得可以迅速配合各種時速將引擎始終保持在最佳轉速域,達成省油效果。但因為是磨擦而非咬合,使得E-CVT電子無段變速系統無法承受過大的動力,通常僅使用在2500cc以下的引擎。
3.BMW 328i 
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BMW3系列是全球主力戰略產品,前款車就因為引擎堅持自然進氣傳統而在影響了一些車型銷售。2013全新發表BMW 代號F30的328i放棄了其一直以來堅持並引以為傲的自然進氣引擎設計,以328i為例,前代車就是使用自然進氣2800cc 直列6缸汽油引擎,能夠產生193匹馬力、28 kg/m的扭力。而全新改款的3系列放棄大排氣量自然進氣引擎改採相對小排氣量引擎加上可變渦流渦輪增壓及缸內直噴,使得2000cc的4缸引擎比起前一代的自然進氣引擎有更好的輸出動力以及油耗表現。少了兩個汽缸和800cc的排氣量,卻能產生245匹馬力、35.6 kg/m的扭力,油耗表現也更好為精進。
相對小排氣量引擎加上可變渦流渦輪增壓及缸內直噴,使得2000cc的4缸引擎比起前一代的6缸自然進氣引擎有更好的輸出動力以及油耗表現。少了兩個汽缸和800cc的排氣量,卻能產生245匹馬力、35.6 kg/m的扭力。當然還是有些缺點,如缸數減少運轉順暢度還是相對較差。
變速箱為了將引擎轉速調整成配合行駛速度和力量需求,它需要不同的齒輪比,也就是我們熟知的檔位,越高級的車為了減緩檔位間的落差,檔位也就越多。像328已經配置了Steptronic八前速手自排變速箱,檔與檔間銜接連續性很好而且感覺滑差不多,有類似手排的咬合度。
2.柴油車
柴油引擎因為其先天較為粗糙的運轉品質和排放黑煙的問題,多被運用在較大較重的交通工具如船艦火車大貨車大客車等,因柴油引擎同時具備了較汽油引擎為佳的油耗表現(約優3-5成),為了應付油價高漲,一些歐洲車廠也早開始嘗試將柴油引擎裝入小汽車上,並且一直努力抑制其噪音震動和排放的問題。目前市售的柴油引擎小汽車,其噪音震動雖然已經透過高精密度的高壓共軌噴油系統運作,比起以往有大幅度的改善,但仍無法達到汽油車的水準。
常聽柴油車業代說柴油引擎構造簡單,故障率低壽命長等,其實汽柴油引擎兩者間的故障率、壽命、維修花費等差異有限。柴油引擎轉速低,機油劣化速度較慢,自燃點火,沒有火星塞點火系統,這些的確都是柴油引擎的優勢。但是為了處理運轉品質和排放等問題,新一代的柴油引擎構造已經不再簡單,都使用了極為精密的高壓共軌、壓電噴嘴等特殊柴油引擎控油系統,還有具有自我再生功能的排氣微粒過濾器DPF,這些索價不菲的零件一樣會成為車主負擔,況且精密的控油系統對燃油的品質要求也提高,車主在選擇油料時也得更為小心謹慎。所以應該說車主用接受相對較粗糙的運轉品質換取約節省3-5成的油錢,划不划算可得要準車主們實際試駕之後再盤算看看了。
參考車款:
1.FORD Focus TDCI
ucar TDCI01
2013 FORD Focus 基本技術規格
| 車型 |
排氣量(c.c.) |
燃料 |
引擎型式 |
變速系統 |
傳動方式 |
最大馬力(ps/rpm) |
| 汽油運動型 |
1,999 |
汽油 |
直列4汽缸 |
六前速自手排 |
前輪驅動 |
170 hp/6600 rpm |
| 柴油頂級運動型 |
1,997 |
柴油 |
直列4汽缸 |
六前速自手排 |
前輪驅動 |
163 hp/3750 rpm |
2.BMW 318D
基本技術規格
| 車型 |
售價(萬元) |
排氣量(c.c.) |
燃料 |
引擎型式 |
變速系統 |
傳動方式 |
最大馬力(ps/rpm) |
| 316i |
168 |
1,598 |
汽油 |
直列4汽缸 |
八前速手自排 |
後輪驅動 |
136 hp/4350 rpm |
| 318d |
183 |
1,995 |
柴油 |
直列4汽缸 |
八前速手自排 |
後輪驅動 |
136 hp/4350 rpm |
柴油車因為引擎活塞上下運動衝程長,先天的震動無法避免,318D等級高,車體隔音及吸震能力當然做得比較徹底;相較之下FOCUS就明顯感受到震動及"噠噠"噪音。油耗方面市區行駛大約比同級汽油車省2-3成;高速公路行駛大約比同級汽油車省5成。加速方面雖然扭力強大,但受制於轉速範圍窄,需要搭更多檔位的變速箱才能完全發揮加速力道;318D的8前速自排變速箱自然再佔優勢。
3.油電混合車
不論是使用汽油或是柴油,內燃機引擎一旦啟動就至少以怠速(650-950rpn)運轉,即使在不需要動力的時候如放鬆油門減速或者靜止狀態,引擎仍然持續消耗燃料。而油電混合車在靜止的時候引擎是熄火不燒油的,其他還需要驅動力的部份如冷氣壓縮機、方向機動力輔助、煞車力輔助等皆交由電動馬達負責,一旦需要持續驅動車身或電力不足的時候再適時將引擎啟動。
這是豐田THS油電系統隨車的能源流向即時顯示畫面。起步時電池指向馬達馬達同時指向車輪,接著引擎也開始指向車輪,減速時車輪指向馬達,馬達同時指向電池。
所謂"適時將引擎啟動"是指在什麼條件下引擎才需要被啟動,有些油電混合車其配置的電動馬達及電池功率較大,單靠電動馬達的輸出力已經足以推動靜止車身起步和進行慢速行駛,如此一來,車子已經開始移動後隨著速度到達設定值(通常在20-30km/h)後再將引擎啟動,剛好也避開了內燃機引擎怠速時效率低的缺點(豐田THS油電系統)。
但是也有些油電混合車其配置的電動馬達及電池功率較小,無法單靠電動馬達的輸出力道推動車身,只能以串聯(引擎+馬達)的方式輔助內燃機引擎的輸出力量(本田IMA系統);一旦需要驅動車身的時候(踩入油門踏板),引擎必須立即被啟動,以內燃機為主、電動馬達為輔的方式,藉著電動馬達的介入減輕引擎的負擔降低油耗。
這兩者最大的差異在停車和起步的時候,豐田THS油電系統由於在車輛靜止前就已經先熄火,其中冷氣及其他電氣操作功能不受影響,而起步時也僅由馬達單獨驅動直到車輛有前進速度後引擎才啟動銜接,這期間引擎啟動與否駕駛人幾乎完全沒有感覺。本田IMA系統為確保基本功能,在車輛靜止後做熄火的動作,熄火後冷氣受影響只剩送風功能,如果車廂內溫度過高或者因起步而在D檔位置放開煞車踏板,引擎會馬上啟動,接著在整個行駛的過程中引擎幾乎是全時運轉的,這樣的設計營造出相同於汽油車的駕駛習慣,但是熄火和啟動的動作會有明顯的抖動,乘坐較為不舒服。
又油電混合車的電從那裡來呢?它主要來自於引擎在發動運轉狀態下驅動發電機對電池充電,另外當引擎被強制熄火而車子仍然以慣性移動時,發電機也能透過傳動系統利用車輪滾動力量驅動充電。若電池電量不足,控制電腦仍然會跳過上述規則強制啟動引擎為電池充電(如靜止長時間開空調),當然油耗就會增加。
少數具plug – in插電功能的車型,它除了我們熟知的加油口外還另外有一個充電插座,在有充電站支援的情況下預先充飽電池又可以再延長行駛浬程數。大多數的油電混合車使用上就完全如同汽柴油車,油箱快沒了就去加油即可,只是加油週期大幅拉長了。
如前述,顯然油電混合車最主要的省油關鍵就在於1.避開用內燃機引擎起步。2.利用車速變化回充電力。所以如果您是常常在擁擠的都會開車的駕駛人,油電混合車可以發揮他最大的省油效果;反之如果您是常常在做長途巡航行駛的駕駛人,油電混合車可就發揮不出太多省油效果了。目前市面上豐田THS油電系統1.8升的油電混合小轎車市區油耗約20km/l,同等級純汽油車油耗約10-12km/l。3.5升油電混合休旅車市區油耗約9-13km/l,同等級純汽油休旅車油耗約5-7km/l。而同樣的1.8升的油電混合小轎車高速油耗約15km/l,同等級純汽油車油耗約14km/l。3.5升油電混合休旅車高速油耗約9km/l,同等級純汽油休旅車油耗約8km/l。大致上就是如此的比例。
這是豐田油電混合車變速箱內部剖面,馬達、發電機、動力偶合傳遞全都在這裡進行,機構之覆雜可想而知。一般人都擔心油電混合車的電池會壞,我反而比較擔心這變速箱。
少數具plug – in插電功能的車型,它除了我熟知的加油口外還另外有一個充電插座,在有充電站支援的情況下預先充飽電池又可以再延長行駛浬程數。
參考車款:
1.LEXUS CT200h
2.HONDA Insight
HONDA Insight是本田的油電混合車,其配置的電動馬達及電池功率較小,僅在傳統奧圖循環引擎(市場上99%的引擎都是)與變速箱間夾著一具碟型馬達,在引擎傳遞動力到變速箱的途中以電力輔助引擎力道,無法單靠電動馬達的輸出力道推動車身,只能以串聯(引擎+馬達)的方式輔助內燃機引擎的輸出力量(本田IMA系統)。
Insight的引擎室與一般純內燃機車極為類似,非貼近觀察很難發現引擎與變速箱間夾著碟型馬達。油門線性及提高轉速的感覺就是一部比較有力的汽油車。
Insight的引擎室與一般純內燃機汽車極為類似,冷氣壓縮機依然交給引擎透過皮帶驅動,一旦引擎熄火,冷房效果也中斷。
Insight的操控與一般純內燃機汽車極為類似，除了電池做小減輕重量以外，連煞車輔助也同一般純內燃機汽車一樣使用真空負壓輔助。
所以當車輛停止引擎自動熄火其實也等同一般純內燃機汽車的自動熄火功能，一旦需要驅動車身的時候（放開煞車蹋板、踩入油門），引擎必須立即被啟動，以內燃機為主、電動馬達為輔的方式，藉著電動馬達的介入減輕引擎的負擔降低油耗。
這種方式還是對油耗表現有幫助，只是程度上恐沒有豐田THS油電系統來得明顯，實際上約15km/l，但是對於習慣於傳統內燃機引擎感覺的朋友來說，這種感覺依舊，油耗卻更省的車就非他末屬。
這種方式也許沒有對油耗表現達成最大幫助，節程度上也沒有豐田THS油電系統來得明顯，車反設計了油門操作教學程式，希望駕駛人多靠自己。不論如何，對於習慣於傳統內燃機引擎感覺的朋友來說，這種感覺依舊，油耗卻更省的車就非他末屬。
4.純電動車
電動車顧名思義全程僅靠電動馬達驅動汽車。電動馬達構造簡單、轉速範圍廣、不需要怠速、一開始轉動就可輸出極大扭力，使用它不僅不需要燃燒汽柴油，還可以大幅簡化傳動系統，看起來是個完美的動力來源，但是它消耗的電力目前仍然無法以容量夠大、體積夠小、重量夠輕、價格夠便宜、充電時間夠短的方式儲存。這使得電動車一直難以推廣，巡航距離及性能與汽油車相彷的電動車要天價，價格較低的車款則巡航距離及性能大打折扣，而他們都有共同的缺陷--充電時間遠比加油時間長上許多。
既使家中裝上了這樣的充電站，在公用充電站未普及之前，出門前還是得先規劃行程算算浬程數，看夠不夠開回家。
依我的觀察，除非汽柴油價格飆高到令人無法忍受的程度，大家自然就會被迫接受純電動車，否則電動車想要大規模替代汽柴油車應該還有長遠的路要走。
參考車款:
1.BMW I3
BMW i3
BMW2013最受矚目的純電動車i3，分標準版i3以及增程動力(Range Extender)車型i3兩款，而驅動i3的電動馬達以及變速箱傳動機構位於後軸，可輸出170匹最大馬力以及25.5公斤米最大扭力，最高轉速為11,400轉。而總重達230公斤、容量22kWh、由8個鋰離子電池模組所組成的電池模組以及電子控制裝置，則是安裝在車體中央位置，這個位置是撞擊時最不容易受傷的部位，避免碰撞之後造成的漏電甚至燃燒的危險是最重要的。當然如此的擺放安排也是有考量到操控性能，i3同其他車系達成BMW一貫講求的前後50:50配重比，以及後驅車款特有的操控樂趣，搭配i3獨有的大量碳纖維複合材質打造，僅重1,195公斤的輕量化車體，230公斤重電池壓重心，相信會是部環保操駕樂趣兼具的劃時代車種。
而在i3的續航力方面，在日常行駛之下，i3續航力視使用狀況約在130至160公里。如果嫌太少則可選擇i3 Range Extender車型，它多加入了一顆650c.c雙缸小引擎，附加 9公升容量的油箱，專門負責發電而不直接驅動車輛，這套設備使i3 Range Extender的最大行駛距離來到300公里，實用性相對提升，當然從某個角度來說，Range Extender已經讓i3變成仍然會排碳的油電混合車了。
BMW i3車身完全用碳纖維製造，碳纖維材料重量輕、強度高，唯製作成本高一直難以量產。BMW獨創製程，建立碳纖維大量製造生產線，才實現了以重量輕、強度高的碳纖維材料製造量產車的可能性。目前電動車市場在成本的計算上，多以每千瓦小時 (kWh，1 kWh=1度電) 電量可以行駛5公里為基礎，以各車廠評估得到的實用續航里程範圍約在150公里左右來看，這些電動車需要的電池容量相當於30kWh，而BMW i3由於有了碳纖維車體輕量化，每度電可以行駛的里程可以提升，使得在相同的實用續航里程範圍下，其電池容量得以下降至22kWh，不僅對成本能有效降低。而縮小的電池容量，也進一步減少電池的重量，讓行駛里程進一步提升，具有雙重的優點。
感謝U car提供本文部份圖片 |
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