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打造節能車 省油技術面面觀

2008.09.05  作者:文/穆建偉  

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因為油價持續高漲,全球汽車市場都面臨了銷售壓力,為了要活絡新車的銷售,車廠相對需在節能方面下工夫,而設計一部省油車所投入的技術,並非單純僅動力部份而已,複雜的程度遠遠超乎你我的想像。

在油價、物價都造成大家的生活負擔之下,新車銷量的銳減本屬意料中之事。再往中古市場瞧,大排氣量、大型車體的車款根本乏人問津,而小型車則相對買氣甚高,這與新車的走勢相同,所以現階段車廠紛紛著重小車的開發、生產,主要目的是希望能帶起大眾的換購潮。

舉例來說,過去紅極一時的SUV已逐漸被Compact SUV取代,同時高頂的掀背小車也成為市場上的寵兒,它們的共同特色就是給你夠用的空間但很省油!車型的轉換可說是新車發展的大方向,由此再去細分各個環節之於節能的設計,最後聚沙成塔展現低油耗訴求,兩大重點即在於輕量與高效率輸出。

車身
輕量化與空力並重

當前的新車銷售趨勢是小車當道,小型車為何能省油說穿了就是“輕”!車身輕量相對於動力的負載便能減低,進而可達成省油的目的,這道理再簡單不過,同時輕量化的效果與引擎節能不相上下,但複雜與困難的程度遠遠超過後者。

一部汽車的組成零件超過二萬個,加上配備愈來愈豐富,要有效減輕車重自然得從每個部分下手才能達成。在此為最大宗組件的車體,目前多採用質輕、剛性充足的高張力鋼材製作,輔以局部鋁或塑鋼材質的鈑件,而最重的引擎並開始小型化且為全鋁合金打造,如此對前後平衡、降低重心都有不小幫助。

輕量化除利於加速、降低油耗外,包括轉向、煞車、乘坐舒適性皆會隨之提昇,故鋁合金的底盤也逐漸流行,以鋁合金製的懸臂為例,由於簧下荷重的減輕,避震器的負載相形更小,所以能強化操控並減少震動。此外,像輪圈的輕量化效果更是明顯,除能為簧下負荷的減重加分外,還具有降低因慣性造成不利迴轉的重要意義,此原理與更換輕量化飛輪後,就能使引擎的反應更好相同。煞車系統一樣是這個道理,所以超跑常見使用碳纖維或鋁合金中心盤的碟盤,組合鎂合金製超輕量輪圈的設計。

另一方面,新一代車款常是A柱傾斜、頂部為弓形的流線外觀,此目的則是降低空氣阻力,特別是在高速時可減少動力負荷,所以目前即便是SUV,風阻係數多半已降至0.34以下。附帶一提的是,以往大多為內嵌式的輪轂軸承,現在泰半是大型的內嵌式,這也與減低摩擦耗損有關,甚至高性能的四驅、後驅跑車,連中傳軸都採用輕量的碳纖維/功夫龍製品,而最近輪胎還流行一種「Energy」的節能胎,讀者亦可順道瞭解一番。

Energy胎的特色是輕量、摩擦係數較低且壽命長(可使用六萬公里以上),同時可容許較高的胎壓,故對於省油性有一定程度的貢獻。雖然其乘坐起來感覺較硬且抓地力較差,但由於新一代車款很多都標配循跡控制系統,故實際對操控的影響並不大,目前歐洲的國民車幾乎全面採用Energy胎,由此就不難想見它的節能效果。筆者要提醒大家的是,想省油輪胎別換太寬、胎壓記得充飽!

風阻係數對於高速油耗也有相當的影響,因此流線化的車身亦屬設計重點。

 

採用高張力鋼材製作車體除有利於輕量化外,更高的強度也有益於操控與安全防護。

 

輕量化胎圈、碟盤是降低迴轉阻力的好幫手,而且能明顯減輕懸吊的負荷。

傳動
多檔位時代來臨

汽車省油關鍵之一的動力輸出,最後是由變速箱轉化為實際加速力,因此其所扮演的角色可說相當重要。在最近的變速箱發展中,不論是手自排或自手排都是六檔起跳,而且已經出現八檔設計,同時七檔式樣愈來愈普及,所以檔位的增加當然也利於性能、油耗表現。

我們先談到異軍突起的自手排,其特點就是手排的構造加入電子系統控制,因此不論省油性與加速感都相當優異,尤其在換檔更快、更順的雙離合器出現後,性能上已然達到最高點,故此類變速箱也絕對是未來的趨勢。至於手自排的進化其實亦不惶多讓,在加入全離合鎖定功能之下,動力的損耗相對可降至最低,而小車常見的CVT搭配,由於無換檔損失且工作轉速低,平順度與油耗均讓人稱讚,所以連Hybrid車型同樣愛用此設計。

多檔位的好處主要是齒比分佈可更為綿密、廣泛,以七速為例在第三檔開始就能進行逐漸加密的設定,使高速狀態的推力更順、更飽滿,而且超比甚多的第七檔巡航轉速不到2000rpm,不論舒適或省油性都非六檔所及。再者,其直接退檔功能也讓再加速更見犀利,同時七檔變速箱非常適合搭配小排氣量引擎,只要這具引擎的扭力峰值域寬廣即可。

事實上柴油車也需要多檔位的密齒比設定,此乃其輸出特性是轉速較低的短程動力帶,故六或七檔變速箱可讓有效速度域延伸。附帶說明的是,以往因使用壽命有限或扭力對應較小的CVT變速箱,現在由於捨電磁離合器改為扭力轉換器構造,加上傳輸鋼帶經過大幅強化,所以使用車型愈來愈廣泛,且出力的限制不似以往,就連大扭力的柴油引擎都能與之搭配。

在此之中,雙離合器手自排為何多數為濕式構造?原因是這種設計非常耐用,同時具低噪音、接合柔順等特點並可供大馬力引擎使用,主要缺點則是加入潤滑系統後變速箱體積會加大許多。最近VW已推出新一代的乾式雙離合器手自排,且前進檔位還增加至七速,優點為動力傳遞直接且輕量化,只可惜目前還不能匹配高輸出引擎,如果這問題能獲得解決的話,未來絕對會大幅提昇傳輸效率,我們期待這一波革命能盡快到來。

有著起跑控制功能與換檔撥片的雙離合器自手排,除利於加速及油耗表現外,駕駛樂趣甚至比競技車種還高。

 

雙離合器自手排是變速箱中最具效率的設計,預排功能使之換檔速度超快,且手排的Base也沒動力損失的問題。

 

濕式雙離合器自手排變速箱的缺點是體積過大,但它可對應大馬力引擎。

動力
小型高效率為主軸

在汽車節能上扮演主要角色的動力源,儘管最近發展替代能源系統蔚為風潮,諸如油電混合、生質燃料、LPG天然氣、燃料電池、氫氣內燃機等等,但牽涉到相關的配套措施,未來15~20年內仍為汽、柴油動力的天下,所以各家車廠仍不斷在燃油引擎上做改良。

關於燃油引擎在近來的進化上,小型、輕量、高效率是一致的發展方向,就連柴油柴擎都採用鋁合金缸體,同時以噴射壓力2000bar、燃壓200bar的第四代共軌直噴系統為主軸,搭配大小串聯的序列式雙渦輪後不但扭力驚人,甚至馬力都能領先同排氣量的汽油動力。

在汽油動力方面,目前的乘用車引擎紛紛針對腰下慣性組件輕量化,以及追加機油噴嘴強化潤滑性,藉此降低摩擦耗損來取得節能的優勢,並且還廣泛採用可變氣門正時外加揚程控制的設計。如此不但對提昇馬力、維持扭力有益,更重要的是在輕負載狀態下可大開節氣門直接從進氣門吸氣,因而能減少吸氣阻力和活塞上下運動的效率損失,進一步達成燃燒效益的提高。

再過來以利用排廢氣壓縮進氣的渦輪增壓,在小排氣量引擎上的運用亦日益增多,但這屬於提昇扭力與降低油耗的「輔助」設計,因此多半為輕增壓設定。其中Turbo還非常適合與缸內直噴做結合,且不會發生冷卻不足的問題,而實際上汽油缸內直噴也開始採用Piezo壓電式噴油嘴,匹配200bar的高壓噴射壓力,故不論燃燒、熱效率都有很大進,油耗同時比第一代減少10%。

汽油缸內直噴主要以稀薄燃燒特點,第一代系統的缺點是只能在輕負載和低速狀態下作動,但第二代在高轉速與超過120km/h的高速下,一樣能進行14.6的理想空燃比控制。另外,M.Benz前陣子發表的Diesotto引擎,以結合汽油、柴油動力雙重特點的可變壓縮比為概念,加上渦輪增壓、自動點火控制(CAI)與缸內直噴技術後,有極佳的油耗表現與動力輸出,相信這會是未來最佳的內燃機節能方案。

最後,購車時引擎的選擇非常重要,建議請先想清楚自己的需求與使用路況,如此方能發揮實用效率,就像如果多數是在市區行駛的話,那麼柴油動力便英雄無用武之地,倒不如汽油缸內直噴會有更佳表現,所以多研究型錄做功課才是王道!

 

新一代的柴油共軌直噴引擎多搭配大小序列式雙渦輪,因此全轉速域的反應更好且順暢,效率甚至高過汽油動力許多。

 

缸內直噴是汽油引擎節能的救贖,第二代200bar系統也可在高轉速重負載下進行稀薄燃燒。

 

Diesotto引擎在高轉速才進行火星塞燃爆,其餘的中低轉速則為高壓自燃方式,故可說是可變壓縮比的概念實踐。

 

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