▲Toyota RAV4 Adventure

話說五代RAV4熱銷靠的是優異的均衡性，不論空間、配備、操控、加速、油耗、售價、造型…，想打槍真的不容易，引擎設計更是得意，不只是科技令人大吃一驚，造就驚人的「15.1km/L」驚人的油耗成績，然而多數人並不知道箇中奧秘，就當是豐田黑科技，好的，那就先來談談「黑科技前傳」吧！

提升壓縮比  「爆震」先報到！

▲四行程引擎一次循環包含進氣、壓縮、動力（燃燒膨脹）、排氣四階段

圖片來源：吉寶知識系統

這篇專業的汽車科技報導，已詳細介紹全新Dynamic Force引擎（簡稱DF引擎）用了哪些新設計與新配置，本篇就儘量減少艱澀的物理和化學濃度。首先，傳統汽油引擎的熱效率只有25～30％左右，比起柴油引擎35～50％的熱效率相去甚遠，即便大車廠紛紛在汽油引擎上裝載複雜的可變汽門、電控+水冷式廢氣循環系統，但是對於熱效率仍是「挖壕溝」微幅進化，主因在於車用柴油引擎的壓縮比幾乎都是從16：1起跳，但車用自然進氣汽油引擎多數都是從10：1起跳，直到「缸內直噴」科技純熟之後，壓縮比可達14：1或更高的境界，終於將熱效率一口氣提升至35％以上的新高點。

然而汽油引擎為何不能將壓縮比提升至16：1以上，這樣不就可以和柴油引擎平起平坐？主因在於汽油在液態時燃點相當高（510～530℃），但汽油因分子結構簡單容易汽化，而且汽化後的閃燃點非常低（-50～-20℃），在極地戶外可以用打火機點燃開始汽化的汽油，但在常溫下卻無法點燃柴油。應用在引擎的難處，就是液態汽油難以直接點燃好用來做功、但卻又非常容易汽化閃燃產生爆震自廢武功，沒錯，汽油的個性不但難以成就柴油般的大事而且又很「玻璃心」！聽起來怎麼跟多數愛亂噴的網友很相似？沒錯，讀者終於知道什麼是「汽油本色」了吧！

▲壓縮比：燃燒室最大容積與最小容積的比值

圖片來源：吉寶知識系統

因此汽油引擎必須藉由火星塞製造出「冬天裡的一把烈火」才能順利燃爆。但是在引擎壓縮過程中、火星塞尚未點火前，已經汽化的汽油又很容易受到高溫影響而自燃，接著又引燃周圍的霧狀汽油形成無法控制且不規律的燃燒，這就是先前所提的「爆震」現象，無疑是扯自家人後腿，大幅減損扭力輸出並且會損壞引擎。再次強調「燃點」和「閃燃點」不一樣且沒有關係，在現實生活中可以用打火機點輕易點燃一桶汽油的「表面」，但燃燒的部分就只是汽化後的汽油，液態的汽油無法用打火機點燃，所以短時間不會發生「整桶汽油大爆炸」的壯觀景象，子彈打穿油箱不會立即爆炸也是同樣的道理。

▲左邊為汽油引擎正常點火狀態、右邊為爆震現象

圖片來源：semanticscholar.org

反觀分子結構複雜的柴油燃點相對低（350～380℃），但閃燃點相對高（55℃↑），只要在高壓高溫狀態，將柴油直接噴到引擎燃燒室內就會燃燒，而且只要噴一點點柴油就能燃燒，不需要火星塞這種東西，這設計稱為Diesel Engine狄賽爾引擎，車用柴油引擎與船用重油引擎都屬於狄賽爾引擎。如果將汽油用在柴油引擎會怎樣？在冷引擎狀態，汽油不會被壓縮燃燒，引擎無法運作；在熱引擎狀態，因壓縮比不夠高，所以汽油噴入瞬間還是不會壓縮燃燒，但是在膨脹行程中汽油一旦開始汽化，就會發生「群起自燃」的超複雜爆震現象！因爆炸氣流過於混亂，不但沒有扭力可言，還會損壞汽門與供油系統。關於如何將汽油應用在狄賽爾引擎並非完全沒機會，之後談到Mazda SKYACTIV-X引擎科技時再詳細分析。

均質燃燒+分層燃燒

▲左為進氣行程開始供油的均質燃燒、右為壓縮行程開始供油的分層燃燒

圖片來源：wordpress.com

瞭解基本常識後再來談談自然進氣缸內直噴汽油引擎（簡稱直噴引擎），壓縮比高達14：1，不會爆震嗎？才怪！而且是非常容易爆震，不然古早的汽油引擎早就將壓縮比提升到14：1的境界！那麼直噴引擎如何抑制爆震？答案就是利用Stratified Combustion「分層燃燒」，有別於傳統引擎的Homogeneous Combustion「均質燃燒」模式，均質燃燒故名思義就是汽油在「部分汽化+部分液態+平均分布」的均衡狀態下燃燒。至於VW集團經常見到的FSI引擎，就是Fuel Stratified Injection「燃料分層噴射系統」的簡稱，是缸內直噴系統中的一種設計，M-Benz、BWM、Volvo、Jaguar…等多數直噴引擎都是如此，但並非所有直噴引擎都是FSI設計，Toyota的Dynamic Force引擎雖為「缸內直噴+多點噴射」雙供油系統，但堅持採用「均質燃燒」，不屬於FSI！

這概念非常重要，也是首篇報導的關鍵：在相似結構下，Dynamic Force引擎運作思維和FSI引擎截然不同！FSI引擎仰賴「分層+均質」燃燒雙模式運行，大享「齊人之福」，但後果乃是廢氣污染大、切換時機難、程式很複雜，養小三哪有這麼容易？從「豬揚變色」事件就能看出個端倪！所以Dynamic Force引擎只用均質燃燒，「一夫一妻」簡單多了…

▲均質燃燒常用於高轉速、高節氣門角度；分層燃燒常用於低轉速、低節氣門角度

圖片來源：Audi原廠官網

討論「分層燃燒」之前，首先要明白爆震比較容易發生在中低轉速，在中高轉速時因活塞速度太快，汽油還來不及發生爆震現象時火星塞就點火了，所以直噴引擎在中高轉速時也是使用「均質燃燒」，也就是引擎在進氣行程就開始供油，不但噴油量大，而且霧化與汽化效果都好，沒有燃燒不完全的疑慮。至於會產生爆震問題的中低轉速，就非得使用「分層燃燒」不可。在此說個額外但很重要的賽車知識，20年前F1禁用缸內直噴科技，其V10高壓縮比自然進氣引擎仍使用多點噴射系統，雖存在爆震問題，但工程師都直接忽略，因為F1一上陣就是萬轉以上高轉速衝刺，爆震完全不影響動力輸出。

多階段供油  直噴有救星

回到正題，「分層燃燒」之所以能在高壓縮比狀態下避免爆震，關鍵在於進氣行程不噴油、壓縮行程初期也不噴油，沒錯，不噴油就不會爆震。但是在壓縮行程末期，也就是活塞快要到達上死點時，此時缸內直噴系統終於噴出汽油，透過多點高壓噴油嘴迅速霧化，此刻火星塞再補上一個愛的火花，直噴引擎就這樣正常運作起來了。聽起來好棒棒，但說穿了就是「加了火星塞的柴油引擎」嘛！這沒什麼不好，只要壓縮比夠高、熱效率保證好，但問題是柴油引擎若沒有昂貴的觸媒做後盾，那就是會排放大量NOx有害氣體、兼噴發PM2.5與PM10的大烏賊，如果汽油直噴引擎還要加裝複雜的「碳粒吸附型+尿素選擇性」多重觸媒，那就可以直接淘汰，直接使用高效率柴油引擎就好！

幸好，透過先進的「多階段供油」分層燃燒設計，就是從進氣行程開始，缸內直噴系統就開始微量噴油，一直到壓縮行程快結束時，依科技層次，總共可以分成三次、五次、七次等多階段供油，只要確保「每次供油都很微量」就不會爆震，不需要昂貴的觸媒，汽油直噴引擎就能符合黑煙與NOx排放標準，並保有高壓縮比、高效率特性。

▲即便採用Audi相同科技，追隨者始終無法超越一A二B！Toyota於是覺醒…

圖片來源：blogspot.com

聽起來簡單，但實際上則是要仰賴先進、精密的壓電式供油系統（超音波），傳統電磁式噴油嘴根本辦不到！因此「專利與技術門檻」是第零個問題，「要花不少錢向Bosch等廠商購買」是第一個問題，「供油系統故障率偏高」是第二個問題，「對於汽油品質很挑剔」是第三個問題，「引擎調校很複雜」是第四個問題，但最終問題乃是：即便使用相同的多階段供油+分層燃燒技術，因研發經驗落後歐洲大廠，Toyota再怎樣也無法超越VW集團或是雙B！先前Toyota與BMW的合作，Nissan與M-Benz的合作，今日二者都決定要「走出自己的路」！