SAAB燃烧控制系统

SAAB在公布了可变压缩比引擎（SAAB Variable Compression ，SVC）这个重要的成就之后，于两千年的秋天又公布了一项独特的引擎技术：“SAAB燃烧控制系统”（SAAB Combustion Control System，SCC）。读者们可能已经在某些平面媒体里获知了这项技术。在这里我们不但要针对SAAB所公布的资讯作一个说明，也要针对这项技术作些简单的评析。

　　在向读者们介绍SAAB所公布的关于“SAAB燃烧控制”技术资讯之前，要先向读者们说明这项技术的来源。SAAB的SCC技术是与一家叫做Orbital的澳洲公司所共同开发。Orbital这家公司虽然规模不大，但是在燃油直喷上面的技术基础却是相当的扎实，同时拥有二行程引擎与四行程引擎的燃油直喷技术，并在机车，船用机及维修市场上有若干程度的应用经验。这次是第一次打入重要汽车制造商的市场，在工程技术方面来看，SAAB藉着相当多Orbital的重要技术来架构“SAAB燃烧控制系统”，有兴趣的读者不妨去该公司的网站阅读更详细的资料，网址是：http://www.orbeng.com.au。 

　　“SAAB燃烧控制系统”的优点与主要构成

　　SAAB宣称这项技术有哪些特色呢?与最近的引擎新科技类似，“SAAB燃烧控制系统”的主要目的也在于同时兼顾环保与性能，这种技术将大量的燃烧废气保留在燃烧室内，以降低油耗与污染；油耗大概可以降低达百分之十，而污染可以达到将在2005年实施的ULEV2的标准。与现行的SAAB引擎比较，碳氢化合物与一氧化碳的排放量可以减半，氮氧化合物的排放量则可以降低百分之七十五。

　　“SAAB燃烧控制系统”由三个主要的技术主体所构成，分别是燃油缸内直喷，可变气门正时与可变火星间隙。与一般的燃油直喷技术相比较，“SAAB燃烧控制系统”有燃油直喷引擎的优点，但是不像其他的燃油直喷引擎以稀薄燃烧来节省燃油，具有四十以上的超高空燃比；“SAAB燃烧控制系统”仍然维持着十四点六的空燃比。这种特性对传统的三元触媒转换器非常重要，因为传统的三元触媒转换器非得在空燃比十四点六时才能有良好的效果。

SAAB对于这三项技术的说明如下：

　　1. 空气补助燃油直喷：

　　“SAAB燃烧控制系统”所用的喷嘴与一般的喷嘴不同，这种特殊的喷嘴整合了一般燃油直喷所使用的喷嘴与火星塞，成为一种独特的装置称为火星塞喷嘴（Spark Plug Injector，SPI）。利用这个火星塞喷嘴，燃油经由压缩空气辅助，一起直接喷射进汽缸内；并在点火前的瞬间喷射出一股强烈的气流以增加汽缸内的紊流，提升燃烧的速度。

　　2. 可变气门正时：

　　在进气凸轮和排气凸轮都使用了无段式可变气门正时机构，藉由排气门的延后关闭，可以在燃烧室里保留大量的燃烧废气，使得“SAAB燃烧控制”技术能保有一般直喷引擎的优点，却几乎在所有的运作状态下都维持着十四点六的空燃比。整个汽缸内，用以燃烧的气体最多大概有百分之七十是特意保留未排出的废气。其确切比例则随着运作状态作精确的调整。

　　3. 可变火花塞间隙：

　　火花塞间隙在1mm到3.5mm之间变化，点火的能量也较高，约为80MJ。这对于要点燃被大量废气冲淡的混合气是相当重要的。

　SAAB燃烧控制系统”的概念

　　针对燃油直喷，可变气门正时与可变火星间隙这三种技术，SAAB作了进一步的说明。三元触媒转化器仍然是目前最重要的排污控制元件；在一般的状况下，能把百分之九十九的有害气体（HC，CO及NOx）转化为CO2，H2O及N2。

　　但是三元触媒转换器有个问题，那就是非得在空燃比为十四点六时才能有这么好的效率；而很不幸的，在过去，省油的引擎往往是稀薄燃烧的引擎，这会让三元触媒转化器对NOX的处理能力大幅降低。所以如果引擎要以高空燃比的稀薄燃烧作为省油的最主要机制，就必须再额外多加装特殊的触媒转化器；如NOX吸附型触媒转化器，来处理NOX的排污问题。

　　到目前为止，这些特殊的触媒转化器仍然有相当多的缺点等待改进。首先，这些触媒转化器含有多量的贵金属，成本极其昂贵。第二，这些触媒转化器对温度也比较敏感，必须维持在一定的温度，因此在高负荷时就需要些额外的冷却措施。常见的冷却措施是将空燃比调低，也就是将混合气增浓，喷射额外的燃油进入汽缸来降低排气的温度。第三，如果是NOX吸附型的触媒转化器，每隔一段时间就必须清除吸附的氮氧化合物，也就是要经过再生的手续才能继续发挥效果，这也是透过一段短暂时间的空燃比增浓来达成。

　　在这里，可以看到不管是冷却或是再生都要靠额外的燃料来达成，也代表着辛辛苦苦得来的省油效应又在这里被打了折扣。第四，NOX吸附型触媒转化器对汽油中硫含量的容忍度很低，只能使用极低硫含量的汽油。要制造这些汽油的成本较高，消耗的能量也大；目前许多国家的汽油硫含量仍然相当的高，要使用这类的触媒转化器还有相当的困难。

　　SAAB的工程师们想要有直喷引擎省油的优点，但是不想要直喷引擎在排污上的困扰，所以必须在“SAAB燃烧控制系统”这种直喷引擎上维持十四点六的空燃比。他们以大量的废气混合在进气之中，跟一般以吸进大量空气来作稀薄燃烧的传统直喷引擎相比，废气在燃烧过程中不像空气会提供氧气，所以空燃比可以维持在十四点六，这让“SAAB燃烧控制”技术能够使用一般的三元触媒转化器。除此之外，废气的温度高，可以回收一些热能。混合了大量废气的这种SAAB引擎，跟传统的直喷引擎一样，“SAAB燃烧控制系统”也能降低在吸气时的节流阀损失（Auto-Online在直喷引擎的报导里有简单的说明），这是因为不需要吸入这么多的空气的缘故。

　　除了维持十四点六的空燃比，“SAAB燃烧控制系统”的另一大特色是可变火星间隙。“SAAB燃烧控制系统”的空气燃料混合气里，含有大量的废气，负荷高时，废气的含量少，负荷低时，废气的含量多；在这种环境下，要点燃混合气是比较困难的。因此需要有一个能提供良好点火品质，确保燃烧速度的点火系统。“SAAB燃烧控制系统”透过了可变火星间隙及高点火能量来达成这个目标。



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　　在低负荷时，“SAAB燃烧控制系统”以类似传统火星塞的方式来点火，但是间隙很大，有3.5 mm之多。而在高负荷时，由于点火较慢，被压缩的气体密度较高，3.5 mm的间隙可能没办法让“SAAB燃烧控制系统”的火星塞喷嘴顺利跳火；这时，活塞上面的一个小突起就代替了火星塞喷嘴上的地极，让火星在火星塞喷嘴的中央电极和这个这个小突起之间来发生。

“SAAB燃烧控制系统”的工作流程

　　SAAB用了几张图来说明“SAAB燃烧控制系统”详细的工作流程。



　　图1. 爆发行程

　　图2. 排气行程开始

　　图3. 排气行程的最后阶段，活塞即将要到达上死点，此时进气门已经打开，排气门还未完全关闭，位在缸头中央的火星塞喷嘴喷出燃油。燃油和废气混合在一起，然后进入到进气道和排气道中。 



　　图4. 进气行程刚开始，这个时候排气阀还没关闭，大量的废气混合着燃油从排气道被吸回汽缸里。

　　图5. 进气行程持续，排气阀此时已经关闭，刚才流到进气道里的废气与燃油的混合气在这时候也被吸了回来。

　　图6. 进气行程的末期，这时所有该吸进汽缸的废气和燃油都吸完了，新鲜的空气开始由进气道进入汽缸。当然，进气量不能太多，不能太少，只能吸进正好让空燃比维持在十四点六的空气。 



　　图7. 压缩行程。在活塞运动到总行程一半的时候，火星塞喷嘴喷出一股空气，增加汽缸内混合气的紊流，以促成燃烧，并加快燃烧的速度。

　　图8a. 爆发，这张图显示在低负荷，汽缸内有非常大量的废气的时候，火星是透过一个3.5mm大间隙的固定电极来跳火的状况。

　　图8b. 这也是爆发，但是显示在高负荷时，因为点火较慢，汽缸内被压缩的气体密度较高，为了要确保火星能成功的发生，火星改由间隙较小的活塞电极来产生。 

　对于“SAAB燃烧控制系统”的观察

　　“SAAB燃烧控制系统”是一种非常新颖的引擎技术，以目前公布的资讯来观察，有几个现象是比较有趣的。

　　第一，讲白了，“SAAB燃烧控制系统”就是一种直喷引擎，但是似乎不像其他的传统直喷引擎这么复杂。传统的直喷引擎一会儿成层燃烧，一会儿均匀燃烧，增加了控制，制造与开发上的难度，当然也就增加了成本。

　　我们先回顾一下传统直喷引擎省油的关键--成层燃烧。因为要省油，所以希望能稀薄燃烧，但是太稀薄了又烧不起来，只好想尽办法把一小撮较浓的混合气导引到火星塞附近来点燃，这就是所谓的成层燃烧。但是成层燃烧的燃烧状况不好，会产生黑烟；又因为稀薄燃烧，氮氧化合物的问题就像前面所提到的，必须使用昂贵的特殊触媒转化器。这些特殊触媒转化器虽然已经在作贩售了，但其实还不是十分的成熟，也实在对工程师们构成了一个难题。所以为了要达到成层燃烧，节省那一点点燃油，真可说是费尽苦心，用尽金钱，然而气人的是，效果却有限。

　　“SAAB燃烧控制系统”不使用这种难度高但成效不明显的燃烧模式，而单纯的用可变进排气门正时的方法来大量混入废气，以达到直喷引擎省油的目的并解决排污的问题。同时，为了顺利点燃混合了大量废气之后的混合气，又引入了可变火星间隙的技术，三种技术层层相扣，缺一不可，其实是很好的概念。不过，在混入了这么多的废气之后，燃烧一定也不会好到哪里去，就看SAAB是不是能把这种系统的燃烧控制在可接受的范围之内，这得要等到更进一步的资讯才能够知道了。

第二，跟传统的直喷引擎比起来，传统的直喷引擎需要极高的喷油压力，“SAAB燃烧控制系统”应该只需要较一般的喷油压力，这可以降低在这方面的能量损失，成本也可以低一点。

　　第三，SAAB是美国GM汽车集团下的一员，而与SAAB一同开发“SAAB燃烧控制系统”的重要技术伙伴Orbital，也与GM汽车集团维持着相当程度的合作关系，从这些看来，实在不能不让人怀疑“SAAB燃烧控制系统”会不会就是GM要用来对抗欧洲与日本直喷引擎的秘密武器呢?毕竟现在开发新引擎的成本高昂，开发这种引擎新技术的成本更是惊人，如果集团内已经有适当的技术，拿来共用似乎也是件蛮合理的事。当然，GM内也有些其他的直喷技术，会不会广泛使用“SAAB燃烧控制系统”就要看看这套技术是不是像宣称的这么好了。

　　“SAAB燃烧控制系统”目前没有在市售车辆上的运用经验，因此到底能有多少的效益，是不是有什么还不为所知的缺点，目前都还不明朗。但是如果照SAAB官方的说法，这种引擎技术这么优越，好像很有可能作实际上应用，它的未来实在让人感到相当的有兴趣。