汽车常识全面介绍 - 引擎详论

 
下面对引擎进行详细的论述

引擎详论

对于多数车辆使用人,对于车辆引擎是否有力、耐用、安静、省油等,都十分关心。然而打开引擎盖,林列于引擎室内的引擎及其他机构,实在也让人眼花撩乱。大家都知道引擎的重要性,但却因为对引擎不够认识,关于引擎的知识也很少能有系统的按各机构、系统来了解,更不用说是每一个机构如何运作的了。

希望大家能借着「引擎详论」这单元增加关于引擎的知识外,也让您更能掌握爱车引擎的状况。

进气系统:空气滤清器

我们都知道,引擎的动力来自燃料的燃烧,而燃烧需要大量的空气,所以引擎不仅需要能适切的供给燃油,还需要源源不断的将空气引入引擎中,好完成燃烧以产生动力。一部2000c.c.引擎于2000rpm运转,理论上每秒钟需要约30公升的空气进入引擎,所以进气系统在引擎运转中,扮演着举足轻重的角色。

进气口

引擎的进气系统从进气口开始,经过空气滤清器再到节流阀(油门),并连接至进气其管将空气导入汽缸内,而进气口是整个进气系统的最前端。进气是进气导管的开口,进气导管通常采用黑色塑胶材质,而进气口通常位于引擎室的前端,好导入新鲜且较低温的空气。也有些越野车为了涉水时不至于将水从进气导管吸入引擎,会将进气口设置在较高的位置。

自然进气引擎是借着活塞进气行程成的真空将空气吸入的,而增压引擎的空气则是由增压器的低压端所产生的真空吸入。

空气滤清器

空气由进气口吸入,第一站就来到空气滤清器。顾名思义,空气滤清器是用来过滤空气中的灰尘、杂质,以确保进入引擎的空气品质来保护引擎。空气滤清器通常以棉纸为材质,空气穿过时会由棉纸将灰尘档下,所以空气滤清器使用一阵子后,棉纸会沾上许多灰尘,影响空气流动的顺畅。一般空气滤清器在车辆行驶3000至5000公里后,最好能拆下将灰尘抖落,或用高压空气吹走灰尘,若是滤纸太脏则必须更换。

有些竞技车辆的引擎因为需要较高的进气顺畅度,以获取更大动力,通常会改装阻力较小的空器滤清器,然而阻力较小也意味着滤清器的孔目较大,而降低灰尘的阻挡能力。

进气感知器

进气感知器又称为进气流量计,通常位于空气滤清器后方的进气导管上,用来测量进气量的感知器。为了让引擎燃烧更完全,引擎必须借着进气感知器来得知进气量,借着引擎控制模组(ECU)的计算,而给予引擎正确的喷油量。

进气感知器要如何得知进气量呢?有几种方式:

机械式
使用机械方式,如翼板式,当空气流过时会推动翼板,由其位移量来计算空气流量。

热线式
热线式的原理是当空气流过一个高温热线式,将热线热量带走,流速越大带走的热量越多,使得维持热线发热的电流产生变化,由电流的变化量,即可得知空器的流量。

压力式:
压力式感知器通常装设于进气歧管上,藉由歧管的压力(真空度)来计算空气流量。

其中以热线式进气感知器的准确性较高,但是也较为昂贵。而进气感知器为非损耗品,在正常使用下几乎不会损坏。

进气系统:节气门与进气歧管

新鲜空气自进气道、空气滤清器一路往引擎前进,下一个会碰到的就是节流阀,也就是俗称的「油门」。这是整个引擎,唯一由驾驶人所控制的机构,在化油器引擎中,这个任务则由化油器担任;而在喷射供油引擎中,节流阀体取代了化油器。在采用了喷射供油系统后,燃油直接在进气门前由喷射器射出,节流阀体便少了使燃油与空气混合的任务。但为了能精确控制油气混合,节流阀体机构并不比化油器简单。

一个典型的节流阀体,应具备主进气道及节流阀,而节流阀是由一弹簧控制,当驾驶者未踩下油门时,节流阀处于关闭状态,使大部分的空气被排除在阀门外;而当驾驶踏下油门踏板时,油门拉线便会拉动节流阀弹簧,使阀门打开让空气从主进气道进入引擎中。除此之外,还有一个节流阀感知器来把节流阀开度转成电子讯号,使得引擎监理系统(ECU)能依据油门开度来控制燃油喷量。

节流阀体上还有一个怠速控制阀,是由一步进马达控制,引擎ECU会在冷车、启闭冷气、空档与D档变换等时机,控制怠速马达的作动,以调整引擎怠速之合适的进气量。

传统的节流门(油门)是以油门拉线采机械方式驱动,然而为了全车控制的整体性,许多新推出的车型已采用了电子控制的节流阀(电子油门)。

进气歧管

在谈到进气歧管之前,我们先来想想空气是怎样进入引擎的。在引擎概论中我们曾提到活塞在汽缸内的运作,当引擎处于进气行程时,活塞往下运动使汽缸内产生真空 (也就是压力变小),好与外界空气产生压力差,让空气能进入汽缸内。举例来说,大家都应该有被打过针,也看过护士×××如何将药水吸入针桶内吧!假想针桶就是引擎,那么当针桶内的活塞向外抽出时,药水就会被吸入针桶内,而引擎就是这样把空气吸到汽缸内的。

回到主题,进气歧管位于节气门与引擎进气门之间,之所以称为「歧管」,是因为空气进入节气门后,经过歧管缓冲统后,空气流道就在此「分歧」了,对应引擎汽缸的数量,如四缸引擎就有四道,五缸引擎则有五道,将空气分别导入各汽缸中。以自然进气引擎来说,由于进气歧管位于节气门之后,所以当引擎油门开度小时,汽缸内无法吸到足量的空气,就会造成歧管真空度高;而当引擎油门开度大时,进气歧管内的真空度就会变小。因此,喷射供油引擎都会在进气歧管上装设一个压力计,供给ECU判定引擎负荷,而给予适量的喷油。

歧管真空不只可用来供给判定引擎负荷的压力讯号,还有许多用处呢!如煞车也需要利用引擎的真空来辅助,所以当引擎发动后煞车踏板会轻盈许多,就是因为有真空辅助的缘故。还有某些形式的定速控制机构也会利用到歧管真空。而这些真空管一旦有泄漏或者不当改装,会造成引擎控制失调,也会影响煞车的作动,所以奉劝读者尽量不要于真空管上作不当的改装,以维护行车的安全。

进气歧管的设计也是大有学问的,为了引擎每一汽缸的燃烧状况相同,每一缸的歧管长度和弯曲度都要尽可能的相同。由于引擎是由四个行程来完成运转程序,所以引擎每一缸会以脉冲方式进气,依据经验,较长的歧管适合低转速运转,而较短的歧管则适合高转速运转。所以有些车型会采用可变长度进气歧管,或连续可变长度进气歧管,使引擎在各转速域都能发挥较佳的性能。

供油系统

化油器

我们在「进气系统」这个单元时有约略谈过化油器,化油器最主要的功用是控制进入进气歧管的燃料流量,以及使燃料与空气正确混合。化油器主要是利用「文氏管(Venturi)效应」将燃油吸入化油器内与空气混合,供引擎燃烧。什么是文氏管效应呢?依据流体力学中的「白努利(Bernoulli)定律」,在一个连续固定的流场中,当流体流速增加时,流体的压力会下降。而文氏管效应就是利用流体 (空气)流速增加所产生的低压吸力,而将燃油吸入空气中。在化油器中,空气流经口径较窄的喉部被加速,因加速产生的低压会将燃油吸出与空气混合。

常见的化油器设计,是将燃油送至化油器浮筒室中储存,当节流阀板开启时,燃油会因文氏管效应而从主油孔让燃油被吸至空气流道中,除此之外,还有怠速控制系统来控制怠速及低负荷的燃油供应;副文氏管系统则在引擎油门全开时将油气增浓;加速泵会在突然大脚油门时,给予引擎更多的燃料好维持正确的燃烧,以提供即时的加速性;阻风门在冷车启动时,会挡住大部分的空气进入化油器,以提供较浓的油气,使引擎能正常启动。

虽然化油器的成本低、可靠度高,而且维修、保养容易,但由于化油器几乎是以机械方式供油,其供油精准度已无法应付严苛的环保法规,所以这几年市售的新型汽车,已经不再使用化油器了。

喷射供油

近年来上市的车辆,几乎都是采用喷射供油系统,最主要的原因也是因为要因应日趋严苛的环保法规。喷射供油系统从早期的机械式单点喷射一直演化至目前的电子式多点喷射,那么,何谓单点喷射及多点喷射呢?假设一个四缸的引擎,由单个喷油嘴至于进气歧管分支之前,油料由一处喷入后在随着进气分布到四个汽缸内,这是单点喷射;而喷油嘴置于四个汽缸之各器缸的进气道者,因为每一汽缸各有一个喷油嘴,四缸引擎则有四个喷油嘴,这称为多点喷射,本单元将谈论目前广泛使用之多点喷射的原理。

从燃油路径来看,首先燃油泵浦自油箱中将油料送至输油管中,输油管再将油料送至油轨内,而油轨由调压阀来控制燃油压力,并且确保送至各缸的燃油压力皆能相同。另一方面,调压阀也会借着泄压将过多的油料送至回油管而流回油箱中。而喷油嘴一端连接于油轨上,喷嘴则为于各个器缸的进气道上。引擎ECU根据引擎运转状况会对喷油嘴下达喷油指令,喷油量是由燃油压力及喷油嘴喷油时间所决定,燃油压力在油轨处已由调压阀所控制,而燃油调压阀之压力是由歧管真空(引擎负荷)调整,所以ECU能控制的就是喷油时间,当引擎需要较多的燃油时,喷油时间就会较长,反之则喷油时间较短。

喷油嘴本身是一个常闭阀(常闭阀的意思是当没有输入控制讯号时,阀门一直处于关闭状态;而常开阀则是当没有输入控制讯号时,阀门一直处于开启状态),由一个阀针上下运动来控制阀的开闭。当ECU下达喷油指令时,其电压讯号会使电流流经喷油嘴内的线圈,产生磁场来把阀针吸起,让阀门开启好使油料能自喷油孔喷出。

喷射供油的最大优点就是燃油供给之控制十分精确,让引擎在任何状态下都能有正确的空燃比,不仅让引擎保持运转顺畅,其废气也能合乎环保法规的规范。

引擎运转的灵魂─ECM

ECM (Engine Control Module引擎控制模组)就像引擎的灵魂一样,控制整个引擎的运转。要控制能引擎,就必须有许多感应器(Sensor)来接收并传递引擎运转资讯,一具引擎通常会有进气温度感知器(IAT Sensor)、油门开度感知器(TPS Sensor)、歧管压力感知器(MAP Sensor)、水温感知器(ECT Sensor)、曲轴角度感知器(Crank Sensor)、爆震感知器(Knock Sensor)、含氧感知器等(O2 Sensor)将引擎各种状态资讯送至ECU (Engine Control Unit)作运算,这些引擎运转资讯经过运算后,会由ECU对各个致动器(Reactor)发出控制讯号来控制致动器的作动,引擎上常见的致动器有怠速控制阀(IAC)、喷油模组、点火模组、EGR阀、VVT控制器、活性碳罐(EEC)脱气阀等。或许各位读者会看得眼花撩乱,但是这么多的感知器及这么多的致动器,其实最主要的就是要计算并控制引擎的最佳喷油量及点火时机,当然还有一些控制是为了符合环保法规,如活性碳罐脱气阀。

关于点火、怠速、正时、爆震及喷油等控制在各相关单元都已有介绍,本篇来谈谈和油耗有关的「开回路控制」与「闭回路控制」。在「控制学」中,所谓「开回路控制」是指控制器按已写入的控制模式,单向地下指令给致动器作动;而「闭回路控制」则是在控制回路中加入回馈讯号,以修正致动器的作动量。在喷油控制系统中,是由ECU依据当时引擎运转状况,将该条件下所设定之喷油量指令传送至喷油嘴。在开回路控制下,ECU送给喷油嘴的喷油指令不会受回馈讯号的修正。在闭回路控制下,其喷油指令将受回馈讯号的修正,而回馈讯号的来源是含氧感知器。含氧感知器会侦测废气中的含氧量,并把含氧量讯号送至ECU,ECU会依据含氧量及喷油量计算出实际空燃比,若是侦测出混合气太稀(空燃比大),ECU会朝浓油方向修正;若是侦测出混合气太浓(空燃比小),ECU会朝稀油方向修正,让引擎在最佳空燃比下运转,这时引擎的燃油消耗会最小。

引擎何时会处于闭回路控制,又何时会处于开回路控制呢?在一般的运转状况下,引擎都是采用闭回路控制,而当油门开度过大、急加速及冷车状态时,引擎就会进入开回路状态。尤其在大脚油门时,引擎不但处于开回路状态,甚至还会进入喷油增浓模式,所以一定比较耗油。目前油价节节攀升,要省油最好的方法,就是好好克制自己的右脚!

点火系统

引擎依照运转模式不同可分为火花点火(SI Spark Ignition)引擎及压缩点火(CI Compression Ignition)引擎,汽油引擎属于火花点火引擎,而柴油引擎则属于压缩点火引擎。汽油引擎既是属于火花点火引擎,其点火就必须借着点火系统来完成。

火星塞

顾名思义,火花点火引擎要点火就必须靠火花,而火花是借着火星塞产生的。火星塞借螺牙锁付在引擎燃烧式的顶端,也就是在缸头上进、排气门之间,火星塞在头部有一中央电极及接地电极,接地电极是由螺牙部分延伸出来成L形,与中央电极维持0.7到 0.9mm的间隙,火星塞尾部则与高压导线连接。

当高压导线将极高的电压送至火星塞时,造成火星塞的两个电极间极大的电位差,导致两极间隙间原本无法导电的空气成为导体,电流便以离子流(Ionizing Streamers)的方式由一个电极传至另一电极,产生电弧(Electric Arc)来点燃引擎是中的油气。若您还是觉得不好理解,可以去观察瓦斯炉或放电式打火机的点火方式,火星塞的点火方式跟它们很类似。

各式火星塞除了会有大小上不同外,相同大小的火星塞还会有热值(Heat Rating)的不同。热值大的火星塞其电极绝缘包覆的部分较长,适用运转温度较低的引擎;而热值较小的火星塞其电极绝缘包覆的部分较长,适用运转温度较高的引擎,如竞技用引擎。各式车辆必须依照原厂规定的火星塞规格选用火星塞,若使用热值过高的火星塞,引擎容易因温度过高而爆震;使用热值过低的火星塞,引擎则可能因燃烧温度过低而造成燃烧不完全或积碳。

分电盘点火与电子点火

分电盘是以机械方式控制各缸的点火时机,其中有一转子在分电盘中旋转,其旋转轴是由引擎带动并且转速是引擎曲轴转速的二分之一,连接至各缸火星塞的接点则依序设置在分电盘四周。当转子在分电盘中旋转时,会依序使各缸接点之触发电流导通,并借高压导线将电传送至火星塞,使火星塞点火。

分电盘上会有一个惯性弹簧-飞轮组来控制随着引擎转速不同之点火提前角,也有真空机构随着不同的引擎负荷来控制点火提前角。虽然如此,因为分垫盘的点火提前角控制皆为机械式,以现代引擎科技而言,还是无法称得上精确,但是因成本关系,也有少数2000c.c.以下的引擎采用分电盘点火。

机械元件虽然可靠,但用来作引擎系统的控制总不若电子元件来得精确。在环保法规的日益严苛及消费者对性能的重视,各家车厂纷纷采用电子点火系统,及其他电子控制系统。电子点火是每两缸或每一缸由一个高压点火线圈负责,由ECU个别对点火线圈下达点火讯号,其点火提前角是由ECU依据引擎运转状况计算而得,可依据引擎运转作灵活的调整;若配备有爆震感知器的引擎,ECU也能直接对某缸作点火角提前或延后的动作。所以,爆震感知器只能装设在有电子点火的引擎上,因为分电盘的点火提前角是不受ECU控制的。

爆震

何谓爆震

当混合气(空气与燃油充分的混合)在进气行程进入燃烧室后,活塞在压缩行程时便将其压缩,火星塞将高压混合气点然后,其燃烧所产生的压力则转换成引擎运转的动力。引擎燃烧虽可以用三言两语简单的形容,但光是内燃机的燃烧研究,不知已造就了多少博、硕士论文,甚至许多学者、工程师穷其一生都在研究燃烧的学问,所以要真正了解引擎,是要花很多工夫的。

正是因为引擎的燃烧十分复杂,所以需要有相当精确的设计与控制,稍有一点控制失误或是失常,便会造成不正常燃烧,而「爆震」就是一种不正常燃烧。简单的说,爆震是不正常燃烧所导致的燃烧室内压力失常。

爆震的原因

在说到爆震原因前,我们先要了解两件事。第一,混合气在燃烧室内燃烧,其火焰是由点火点以「波」的方式向四周扩散,所以由点火到油气完全燃烧需要依段短暂的时间。第二,油气虽然需要靠火星塞点燃,但是过于高温、高压的环境也会使油气自燃。

一般的爆震是因为燃烧室内油气点火后,火焰波尚未完全扩散,远端未燃的油气即因为高温或高压而自燃,其火焰波与正规燃烧的火焰波撞击而产生极大压力,使得引擎产生不正常的敲击声。造成爆震最主要有以下几点原因:
一、点火角过于提前:
为了使活塞在压缩上死点结束后,一进入动力冲程能立即获得动力,通常都会在活塞达到上死点前提前点火(因为从点火到完全燃烧需要一段时间)。而过于提早的点火会使得活塞还在压缩行程时,大部分油气已经燃烧,此时未燃烧的油气会承受极大的压力自燃,而造成爆震。

二、引擎过度积碳:
引擎于燃烧室内过度积碳,除了会使压缩比增大(产生高压),也会在积碳表面产生高温热点,使引擎爆震。

三、引擎温度过高:
引擎在太热的环境使得进气温度过高,或是引擎冷却水循环不良,都会造成引擎高温而爆震。

四、空燃比不正确:
过于稀的燃料空气混合比,会使得燃烧温度提升,而燃烧温度提高会造成引擎温度提升,当然容易爆震。

五、燃油辛烷值过低:
辛烷值是燃油抗爆震的指标,辛烷值越高,抗爆震性越强。压缩比高的引擎,燃烧室的压力较高,若是使用抗爆震性低的燃油,则容易发生爆震。

怎么知道爆震及爆震的影响

爆震的英文是Knocking,及敲击的意思,所以爆震时引擎会产生敲击生。轻微不连续的爆震声音相当清脆,有点类似轻敲三角铁的声音。而严重且连续的爆震时,引擎会有「哩哩哩」的声音,此时引擎也会明显的没力。

现在许多车厂为了将引擎压榨出最大的性能及降低油耗,通常会把常用转速域的点火角设定的比较提前,所以有些引擎在2000至3000转间负荷较大时,难免会有轻微的爆震,然而轻微的爆震对引擎不会有太大的影响,车主也不用过于担心。但是若因为引擎出问题所产生的爆震,如严重积碳或散热不良等,这种爆震通常很严重,如果是在高转速高负荷发生连续且严重的爆震,不出一分钟,轻则火星塞及活塞熔损,严重的甚至连汽缸及引擎本体都会炸穿。

爆震感知器

最立即且有效抑制爆震的方法,就是延后点火提前角,降低燃烧压力。所以爆震感知器作动原理,是当侦测到引擎爆震时,则将点火提前角延后到不会爆震的点火时机,待引擎不爆震时,再慢慢的将点火提前回复。爆震感知器是利用一加速度感测器来量测引擎的加速度变化,也就是震动。工程师在调校爆震感知器时会把爆震的震动模式写入ECU中,一旦爆震感知器侦测出该震动模式,ECU则判定引擎爆震,随即延后点火提前角。目前较先进的爆震感知器甚至能判定是哪一个汽缸爆震,而针对该汽缸个别延后点火提前角。

93、95或97

说到爆震,大家最关心的还是加什么汽油的问题。其实93、95或97是汽油的抗爆震性,也就是其「辛烷值」。什么是「辛烷值」呢?在研究燃料与爆震的关系时,研究人员发现「异辛烷」最能抵抗爆震,而「正庚烷」相当容易爆震,所以就将异辛烷的抗爆震度订为100,而正庚烷订为0。所谓辛烷值95的汽油,就是它的抗爆震度与95%异辛烷和5%正庚烷混合物的抗爆震度相同。所以这纯粹是抗爆震性的问题,并不是加了辛烷值越高的汽油,引擎就越有力。当然,若是加了辛烷值太低的汽油而导致爆震,或是爆震发生时引擎退点火角,车子的确会比较没力。换句话说,只要引擎不爆震,提高油料的辛烷值并不会让引擎更有力或更省油,只会让你的钱包更扁。

排气系统

排气歧管

新鲜空气与汽油混合进入引擎燃烧后,产生高温高压的气体推动活塞,当气体能量释放后,对引擎就不再有价值,这些气体就成为废气被排放出引擎外。废气自汽缸排出后,随即进入排气歧管,各缸的排气歧管汇集后,经过排气管将废气排出。而就如进气歧管一样,气体在排气歧管内也是以脉冲的方式离开引擎,所以各缸的排气歧管长度及弯度也要设计成尽量相同,使各缸的排气都能一样的顺畅。

触媒转换器

在说到触媒转换器之前,我们先简单的认识一下引擎废气的组成成分。汽油是一种碳氢化合物,在汽油分子中几乎都是碳及氢原子,这些碳及氢燃烧后照理应该是产生二氧化碳(CO2)及水(H2O),但是因为少量混合气未完全燃烧,并且会有少许机油(有未燃烧的也有以燃烧的)被排放出来,所以会产生HC (碳氢化合物)及CO (一氧化碳)。再者,进到引擎内的空气中,含有百分之八十的氮气(N2),但经过燃烧室的高温,原本很稳定的氮,会与空气中的氧(O2)化合,产生NO及 NO2,统称NOx。 HC、CO及NOx都会造成环境污染且对人体有害,所以世界各国都会制订环保法规,针对车辆排污加以限制。

由于环保法规对车辆排污的标准相当严苛,不论怠速、加速、低速行驶、高速行驶或减速,都必须符合排污标准,车辆在面对这么严苛的限制,除了在性能与排污中取得平衡点外,唯一的「撇步」就是触媒转换器了。触媒转换器通常以贵重金属为原料,有氧化型触媒、还原型触媒及目前绝大多数车辆采用的三元触媒转换器。

再来上个简单的化学课,排污中的HC和CO都是因为燃烧不完全所产生的,要消除它们就必须再燃烧它们,也就是使它们氧化,所以这是氧化型触媒的任务。而 NOx的生成则是因为氮被氧化所致,所以必须还原型触媒来将NOx还原氮气。三元触媒转换器则是让HC和CO的氧化及NOx的还原都发生在同一触媒中。而「触媒」本身并不参与氧化或还原的化学反应,它只是化学反应中的催化剂。

触媒转换器位于哪里呢?早期的触媒转换器多设置于排气管中段的位置,而近来多装在紧接排气歧管之后,好使触媒加快达到工作温度。触媒必须在接近500度的高温下,才能获得较好的转换效率,低温时则几乎没有转换能力,故冷车的排污量相当大。所以在此也要提醒所有车主,千万不要在室内或地下停车场内热车,尽量车一发动就开到室外,才不至于毒害自己或是其他在停车场内的人员。

×××

顾名思义,×××就是用来消除排气的噪音,使车辆行驶起来更宁静。一般×××中会有数个膨胀室,引擎排放出来的废气经过数个膨胀程序后,会使得排气脉冲缓和而消除噪音。然而,由于气体在×××路径复杂,换言之也就是×××降低了排气的顺畅性,所以也会略略影响引擎性能。有些人会自行改装直通式排气尾管,这样虽然稍稍提升引擎性能,却会大大增加排气噪音,所以这是不值得肯定也是违反交通规定的行为。

排气与环保

EGR

EGR(Exhaust Gas Recirculation废气再回收)是从排气歧管接出一个旁通管至进气歧管内,而将部分引擎废气随着新鲜空气导入引擎中燃烧,导入废弃的量是由ECU依据当时引擎转速、负荷等讯息所计算出来,并由EGR阀所控制。

EGR的功用最主要是用来降低引擎中NOx的排放量的,我们在「触媒转换器」单元中有介绍过废弃成分的产生,其中NOx的产生是因为引擎燃烧温度过高所致。本来,要降低燃烧温度来抑制NOx的生成最好的方法就是延后点火提前角,然而点火角延后会大幅降低引擎性能并且提高油耗量,所以目前最好的解决方是就是装设EGR。 EGR虽然会小幅的牺牲一点引擎性能,但却能降低引擎燃烧温度,以控制NOx的生成。经实验证明,正确的利用EGR能降低百分之50的NOx生成量。如此便能大大减低触媒转换器的负担,降低触媒对于NOx的配方量,而节省触媒转换器的制造成本。

含氧感知器

含氧感知器(O2 Sensor)装在触媒转换器的前端,引擎ECU借着含氧感知器侦测废气中的含氧量,来判定引擎燃烧状况,以决定喷油量的多寡。当含氧感知器侦测到较浓的氧含量时,表示当时引擎为「稀油」燃烧,所以ECU会使喷油嘴的喷油量增加;相反的,当含氧感知器侦测到较稀的氧含量时,表示当时引擎为「浓油」燃烧,所以ECU会减少喷油嘴的喷油量。

然而,引擎喷油量主要并不是含氧感知器决定,引擎在每个转速及负荷下该喷多少油,引擎调校工程师都已经在引擎调校时定义好了,而含氧感知器所传送的含氧量讯息,只是在ECU对引擎作闭回路控制时的回馈讯号,使引擎的喷油量在调校工程师的定义下,再针对当时引擎的运转状况作些微的修正,让引擎的运转能处于最佳状态,这就是一般人所说ECU的学习功能。所以当含氧感知器坏掉时,引擎还是能正常运作,但就是少了自我修正的功能。这样,引擎的运转就不能确保在最佳状态,并且也有可能造成排污值过高而加速触媒转换器的老化,所以当含氧感知器坏掉时,仪表版上的警示灯会亮起。

冷却系统

冷却系统的功用

冷却系统的功用是带走引擎因燃烧所产生的热量,使引擎维持在正常的运转温度范围内。引擎依照冷却的方式可分为气冷式引擎及水冷式引擎,气冷式引擎是靠引擎带动风扇及车辆行驶时的气流来冷却引擎;水冷式引擎则是靠冷却水在引擎中循环来冷却引擎。不论采何种方式冷却,正常的冷却系统必须确保引擎在各样行驶环境都不致过热。

冷却循环

因为多数车辆皆采用水冷式引擎,所以本文以介绍水冷式引擎之冷却循环为主。在水冷引擎的冷却循环中,可分为「小循环」与「大循环」。小循环是指冷却水仅在引擎内循环,而大循环则是冷却水在引擎与热交换器(水箱)间循环。为什么要有大循环与小循环呢?主要是因为引擎在冷车时温度低,此时少量的冷却水在引擎内作小循环,使引擎能迅速达到工作温度;一旦引擎达到工作温度,控制大、小循环转换的温度控制阀(俗称水龟)则会开启,让冷却水能流至水箱内让空气将热带走,引擎温度越高,水龟开启的程度就越大,冷却水的流量也越大,好带走更多的热量。冷却水的循环是靠水泵浦带动的,水泵浦则是由引擎的运转所驱动,所以当引擎转速越高,水泵浦的运转效率也越高。

冷却液的特性

冷却液是由纯水与水箱精案一定比例调制而成,水箱精能提高冷却水的沸点。纯水在常温常压下的沸点是100℃,一旦引擎温度过高,会使冷却水沸腾成为水蒸气,而水在气态下的热对流系数远低于液态,所以气态的水蒸气几乎无法带走引擎的热量,此时引擎温度会迅速升高而损害引擎。所以水箱精将冷却水的沸点提高,以确保冷却液在高温时仍是液态,才能带走引擎产生的热。

润滑系统

燃料进入引擎燃烧后,将燃料的内能转换成「功」来使引擎运转,然而并不是所有的「功」都用来驱动引擎的运转,因为引擎中机件间的摩擦会消耗引擎产生的功,而将其转换为热能。为了降低磨差来保护引擎,必须有一润滑系统来润滑引擎。

机油的功用

没错,机油正是在引擎中扮演润滑的角色。机油除了能润滑引擎降低摩擦外,还有防止引擎金属腐蚀、消除进入引擎中的灰尘及其他污染物、在活塞与汽缸壁间帮助燃烧室气蜜、为活塞及轴成等零件冷却及消除引擎内不必要的产物。

机油的循环

引擎中大部分的机油都储存于油底壳中,机油的循环由随引擎转动之机油泵浦驱动,自油底壳将机油吸出,经过机油滤清器滤掉杂质后,高压的机油从引擎的机油流道流至引擎各处,润滑或冷却各个机件,最后在流回油底壳中。

引擎中会有极少量的机油进入燃烧室被燃烧,所以机油有少量的消耗是正常的。然而若过量的机油由活塞与汽缸壁的间隙往上进入燃烧室称为「上机油」,而机油由汽缸头之阀系间隙向下流入燃烧室中则称为「下机油」,二者都是所谓的「吃机油」。引擎若是有吃机油的现象,当然机油会消耗很快,而且因为机油大量燃烧的关系,会自排气管排出淡青色的烟,此时必须去保修场检查是「上机油」或「下机油」,好对症下药。

机油的选用

机油依据其成分可分为全合成、半合成及矿物油,一般来说,全合成机油在引擎中随引擎运转的衰退程度较低,而矿物油的衰退程度较高。但是若是车辆都能在原厂指定之换油里程或时间内更换机油,就算使用矿物油,也不会对引擎造成任何伤害。

机油除了有成分上的不同,也在「黏度指数」上有区别。黏度指数是指机油黏度随温度改变的程度,目前最常使用的机油黏度分类是依照SAE号数分类,不同的号数对应不同的黏度范围,号数越大代表黏度越大。 SAE编号后方加上W者指适用于寒冷气候的机油,其编号越小者黏性越小,引擎在寒冷的冬天越容易启动。

机油号数除了SAE 50 (例)或SAE 10W (例)等单级机油外,还有如10W-40等之复级机油,复级机油能同时满足高温与低温的使用需求。目前市面上常见的多为复级机油,复级机油于W之前的号数越低、后方的号数越高者,表示该机油能适用的气候范围较大。以台湾的气候状况,10W-40已经能满足,若引擎长时间以高负荷、高转速运转者,则可选用黏度较高的机油。

凸轮与汽门

直压式与摇臂式

在「引擎概论」单元中,对凸轮与汽门之间的作动、何谓DOHC及SOHC、可变汽门正时等题目,其实已经有很详细的论述,在「引擎详论」中仅再作一些补充。对于凸轮如何带动汽门的启闭,最常见的是「直压式」与「摇臂式」。直压式汽门通常见于DOHC引擎,此式汽门弹簧座上会会有一圆形套筒,凸轮则直接置于套筒上,所以当凸轮尖端与套筒接触时,会透过套筒把汽门往下压,使汽门开启;而摇臂式汽门通常使用在SOHC引擎上,因为SOHC引擎缸头内只有一支凸轮轴,却要驱动多个汽门,所以会以摇臂方式,由一个凸轮带动两个汽门。摇臂是利用杠杆原理,当凸轮尖端将摇臂一端挺起时,另一端会向下将汽门压下以使汽门开启。

摇臂式与直压式汽门驱动设计各有其优缺点,以力量传递效率来说,直压式比摇臂式来的直接、精确;以维修保养来说摇臂式则容易的多,因为直压式之凸轮与汽门上之套筒的间隙,是靠不同厚度的填隙片来调整,所以当引擎使用一定时数,汽门间隙增大时,要再调整较不易;而摇臂式之汽门间隙通常都以一螺栓调整,只要一支扳手就能搞定。然而目前直压式汽门的填隙片材质皆有一定的耐磨度,磨损的机率很低。

早期强调高性能的引擎多会采DOHC设计,因为DOHC的设计在高速运转时仍有相当高的精确性,使得引擎能在高转速输出较大的功率。近来各家车厂在车辆的性能数据上竞争,使一般家庭房车的引擎也多采用DOHC的设计,甚至造成消费者认为SOHC引擎为过时设计,而非DOHC不买的迷思。其实引擎在一般使用下,不论SOHC、DOHC、一缸两汽门的设计或是一缸多汽门的设计,都足敷使用,甚至很多八汽门引擎(四缸)在低速表现会优于多汽门引擎。再者,DOHC引擎比SOHC引擎多出一支凸轮轴(V型引擎多出两支),引擎就需要多克服一倍的摩擦力,及承担多一支凸轮轴的重量。所以像Mercedes-Benz等欧洲车厂,仍有许多现役的SOHC引擎。

在此并非要贬低DOHC引擎的价值,而是要让大家了解,SOHC并非过时的设计。一个适合自己驾驶习惯、省油且耐用的引擎,就是好引擎;当然,如果您是性能派的热血份子,DOHC的引擎是您最佳的选择。

活塞与连杆

在「引擎概论」中可以知道,活塞是在汽缸中往复运动来压缩空气,并且承受油气爆炸时的动力,而连杆将活塞与曲轴连结,并且把活塞直线的往复运动转化成曲轴的旋转运动。以下将介绍活塞、活塞环以及连杆的机械特性:

活塞与活塞环

从活塞的外型来看,有活塞顶面、活塞顶座、三道活塞环槽、活塞裙及活塞销。活塞顶面与汽缸头形成引擎的燃烧室;三道活塞环分别嵌入上压缩环、第二压缩环及刮油环;活塞裙则承受活塞动力行程及压缩行程时因连杆摆动所造成对汽缸壁的冲击力;而连杆是借着活塞销与活塞结合。活塞通常由铝合金制成,并且其热膨胀系数必须很低,以免活塞受热膨胀而卡在汽缸内;另一方面,活塞的散热性也要很好,避免成为燃烧室的「热点」而引发爆震。

在造型上,活塞的顶面会依功能需求而有不同的设计及加工,例如有些二行程引擎,会将活塞顶面设计成海浪状,让进气气流转而能在汽缸中行成一股回旋气流,以帮助扫除废气;柴油引擎会在活塞顶面设计成各种形式之凹槽,好使燃油喷入燃烧室撞击活塞顶面后,能形成涡流而与燃烧室内的空气充分混和,某些强调高性能的引擎,其活塞顶面也会有螺旋状刻痕,以帮助进入引擎室的混合气能产生涡流而提高燃烧效率。

活塞环为一环状合金铸铁,其上有一缺口,在嵌入活塞环槽之前其外径大于汽缸内径,当活塞装入汽缸后,活塞环则与汽缸壁紧密贴合而成为正圆形,而且各活塞环之缺口必须错开,以免造成引擎漏气或过多机油流至燃烧室内。活塞环由两个压缩环及一个刮油环为一组,其功用分别为密封燃烧室、将活塞的热传至汽缸壁、将适量的机油携带至活塞与汽缸壁间,并且刮除汽缸壁上过多的机油。

正常的汽缸壁上会有加工留下的「搪线」,这些搪线是以螺旋状分布于汽缸壁上,若活塞与汽缸产生不正常摩擦,汽缸壁上会产生与活塞运动方向平行的深刻刮痕,或是在活塞顶座、活塞裙上留下痕迹,这样的引擎是必须要搪缸并更换活塞。而更严重的「缩缸」则是活塞与汽缸壁卡死,以致引擎无法运转。

连杆

连杆两端分别连结活塞与曲轴,连结活塞者称为小端,而连结曲轴者称为大端。在引擎运转时,连杆小端随活塞做上下运动,连杆大端随曲轴作圆周摆动运动,并且要承受很大的应力,所以连杆断面都设计成H型,以提高抗弯曲强度,而连杆多为铝合金锻造而成。

曲轴

曲轴是整个引擎中唯一的动力输出轴,所谓的「引擎转速」也就是曲轴的转速,所以曲轴可算是引擎中最主要的零件之一。曲轴之所以称为「曲轴」,就是因为它不是一支从头到尾直通的轴,为了提供力臂让活塞的上下直线运动转为旋转运动,曲轴必须根据活塞的数目设计成一支曲折的轴。曲轴之曲折处(其偏心部分)与活塞连杆大端连接,称为曲柄臂;而曲轴主轴承则在曲轴之旋转中心轴处支撑曲轴。曲轴于各个曲柄臂旁都有类似半圆形状的曲轴配重,使得偏心运转的曲柄臂之质量中心能落于旋转中心(圆心)上,以消除偏心运转所带来之震动。

曲轴由于要承受活塞因爆炸所产生之强大力量,其材质必须相当坚固且耐久,所以曲轴通常都是锻造成型,其主轴承处内也襄入耐磨且精密的轴承片(波司)。整个曲轴及主轴承处有许多供机油流入之油孔,好使机油能在整个曲轴上发挥润滑与冷却的功用。

曲轴之曲柄半径大小决定活塞在汽缸内上下运动的行程(冲程),曲柄半径越大者活塞冲程越长。所以同一家车场所生产之不同排气量的同一系列引擎,只要引擎排气量差别不大,在不更动引擎大部分设计以节省成本的前提下,多会采用不同曲柄半径之曲轴来改变排气量,所以只是活塞冲程改变而导致排气量不同,而不是有些人说的「扩缸」,「扩缸」是指将器缸的缸径加大,因为缸径加大要更动的零件远较冲程加大者多出许多。

引擎附件:泵浦、发电机与压缩机

所谓附件,就是在维持引擎基本运转所需之外的机件,而这些机见识由引擎附件皮带所驱动。通常引擎附件包括:发电机、水泵浦、冷气压缩机及动力方向盘泵浦等,以下对这几项附件作概略介绍。

发电机:

发电机利用引擎的运转为动力,将动能转换为电能,再将电量储存于电瓶中,以供车上所有电器使用。发电机若损坏会失去充电能力,电瓶内的电量就会逐渐消耗到完全没电为止。所以车子的电瓶若是经常没电,除了要检查电瓶外,也要检查发电机是否还正常。

水泵浦:

水泵浦提供引擎冷却水能正常循环所需的压力,严格来说不该算是附件,只是有些引擎利用附件皮带来驱动水泵浦。水泵浦一旦失效,引擎则会失去冷却能力,此时若没有短时间内将引擎熄火,常会使引擎因过热而严重受损。

冷气压缩机:

常有人认为车上的冷气压缩机是靠电力驱动,其实冷气压缩机动力是来自引擎的运转,并由附件皮带所带动。当驾驶在车内按下冷气开关时,冷气压缩机上的离合器便会与被附件皮带带动而旋转的惰轮接合,此时压缩机就会开始运作。所以当引擎不运转时压缩机是完全不会运转的;然而一旦压缩机开始运转,是会耗损些许引擎动力的,当然油耗也会有些许的增加。

动力方向盘泵浦:

配备动力方向盘的车,方向盘会变得比较轻盈,这是因为动力方向盘泵浦利用引擎的动力,产生油压来辅助方向机转向,所以动力方向盘也是在引擎发动时才有作用的。然而和冷气压缩机一样,动力方向盘泵浦也是会消耗引擎动力并造成油耗的。

附件皮带

引擎的两端分别称为飞轮端与附件端,飞轮端连接变速箱,而附件端则是挂载引擎附件。所有附件安置于引擎附件端,是由一至二条皮带将所有附件连上曲轴。而附件皮带上都会有一个张力器来调整皮带张力,如果张力过松,通常皮带在运转时会产生尖锐的声音,所以当有些车子在起步时,会伴随着尖锐的声音,这都是皮带在作祟。

附件皮带也是需要定期更换的,通常是在更换正时皮带时一并更换。若车辆在行驶中附件皮带断裂,附件便会停止作动,而由附件皮带带动的水泵浦也会失去作用而损害引擎。所以有些引擎会将水泵浦设计至以正时皮带或链条带动,为的就是当附件皮带断裂时,随然失去冷气及方向盘动力辅助,但引擎还能正常运转,以便将车开至保修场。

螺栓

螺栓的重要性

「螺栓」就是俗称的螺丝,要将各个单独的零件组合成一具引擎,几乎都得借着螺栓才行,螺栓虽然不是什么机构件,然而在整具引擎中,螺栓还是不可或缺的。越需要强大锁付力量的螺栓会越粗,并且螺栓头部会依据其组装性设计成外六角头或是内六角头;而比较不需要太大锁付力量的螺栓则多会设计成十字或一字头,并且也比较细。

在引擎中,螺栓锁付力量也必须相当讲究,锁得不够紧螺栓在引擎及车辆不断的震动下容易脱落;锁太紧则会造成引擎零件上的螺牙遭到破坏而丧失功能。为了确保螺栓锁付力量的正确,在组装引擎时都会以扭力扳手将螺栓锁至设定的扭力值,重要螺栓除了上扭力外,甚至组装线的员工还得在锁紧后于螺栓的头部上漆确认,以示负责。所以我们可以发现新车上有许多螺栓头部都会涂上各种颜色的油漆,这就表示这些螺栓是重要螺栓,并且有上过扭力确认,所以这些螺栓也不可任意自行拆卸。笔者也曾经看过,有些车主为了加装时下流行的「负极接地线」,其中有数个接点锁在引擎重要螺栓上,这么一来除了拆下锁回后的螺拴扭力无法确认外,锁付在螺栓头和引擎之间的导线接头等于是多了一片垫片,也意味着螺栓少锁了一至二牙,这些都有可能造成螺栓松脱而因小失大,值得喜好改装的读者注意。

缸头螺栓

引擎上的众多螺栓中,缸头螺栓应该算是最重要的了。缸头螺栓除了将引擎的缸头与引擎本体确实锁紧,还要承受引擎运转时所产生的强大应力,所以缸头螺栓在锁付时,都要将螺栓锁紧至降服(降服Yield,在材料科学上指金属承受超过其弹性限度之应力,而产生永久的变形及材质的变化),当然要所到什么样的扭力和降服程度,都是必须经过计算及测试的,并且锁付时通常利用机器而不是人工。

既然缸头螺栓在组装时必须锁付至降服,也就是说,一旦缸头螺栓锁紧后,其机械及材料性质都已经与未锁紧时不同,所以它的重复使用性相当低。一般引擎大修后,修理厂都会沿用原缸头螺栓,然而缸头螺栓相当重要,其实车主是可以要求更换全新的缸头螺栓的,当然,螺栓必须自费购买。

正时

何谓正时

一具引擎要能正确的运转,所有零件都要能在正确的时间和正确的位置做正确的事,在最佳的协调下,发挥应有的性能。就像一支部队要作战前,指挥官会分配每一组甚至每个人个别的任务,大家接受任务后,还有一件事很重要,没错,就是:对表!所有人都必须在一个独一的时间轴内完成任务。大家都必须各自在正确的时间到达定位,这就是「正时」。

那么,在引擎中要怎么「对表」,又要以谁为准呢?引擎中最主要的转动是曲轴,所以所有的正时都以曲轴旋转角度做为基准。以一个单缸引擎为例,当活塞在上死点时为0度,到了下死点时为 180度,四行程引擎以720度为一循环,所有运转件就以曲轴的运转为准,曲轴每旋转720度,所有运作就完成一次循环。

曲轴正时齿盘

我们知道引擎中一切的运转都以曲轴为准,所以曲轴就有责任将它的正时「告知」所有机件。由于现在ECU的运算解析度越来越高,甚至达到32位元以上,所以需有一机件能精确的撷取正时讯号。目前大部分引擎会在曲轴的一端装设一个齿盘,再由一个磁感sensor来接收并产生讯号。假设齿盘有60齿,一圈360度则每一齿间距为6度,当曲轴转动时,齿盘会以相同的转速跟着曲轴转动,而每一齿经过sensor时,会感应一个磁场,并由sensor转换为电子讯号让 ECU得知目前的曲轴角度,好使喷油、点火等动作能在正确时机作动。

正时皮带与正时链条

现在引擎多是顶置式凸轮轴的设计,就是将凸轮轴设置在引擎缸头上,要驱动凸轮轴必须利用皮带或链条使之与运转中的曲轴连结。就如前面提到的,凸轮轴的运转也需要「正时」,所以在安装正时皮带时,凸轮和曲轴的正时必须对妥。

由于正时皮带属于耗损品,而且正时皮带一旦断裂,凸轮轴当然不会照着正时运转,此时极有可能导致汽门与活塞撞击而造成严重毁损,所以正时皮带一定要依据原厂指定的里程或时间更换。而正时链条则会有相当长的寿命,所以选购配置正时链条引擎的车,会省去更换正时皮带的麻烦与开支。

引擎常见的参数:空燃比、容积效率、点火正时

空燃比(AFR Air Fuel Ratio)

空燃比、容积效率、点火正时等参数在引擎的控制中十分重要,引擎要能发会最大性能及符合环保法规,这些参数必须正确的应用与设定。

空燃比是指燃料与空气的质量比,当我们说空燃比为13或13:1,即表示进入燃烧室的燃油质量是空气质量的13倍,空燃比数字越大,代表混合气越稀,数字越小则越浓。。依照汽油的燃烧化学式,燃油与空气的当量比为14.7左右,也就是当空燃比在14.7:1时,所有空气中的氧会与汽油完全反应。然而在引擎调校时,有一个调校项目叫做LBT(Leanest Mixture That Gives Best Torque),就是在引擎能产生最大扭力下,给予最大(最稀)的空燃比,一般引擎在LBT时的空燃比都在12.5上下,原因是因为在这个空燃比下的混合气之燃烧速度最合适,能给予引擎最大的性能。然而当油门开启达一定程度时,引擎会将空燃比设定小(浓)一些,以降低燃烧温度保护引擎及触媒转换器。

容积效率(VE Volume Efficiency)

容积效率并不是某些人所谓「引擎马力除以排气量」,而是指在一大气压下,每一个进气行程中,被吸入汽缸之气体体积与该汽缸之排气量的比值。在一般引擎中,活塞自上死点移动至下死点所扫过的体积我们称为「排气量」,而排气量也等于引擎的进气量。所以在理想状态时,进入汽缸内的空气体积,应等于该汽缸的「排气量」;然而再实际状态,由于进气道内如空气滤清器、节流阀等,都会对进气造成阻力,而且吸入汽缸内的气体温度较高密度较低,所以不可能有在「一大气压」下等同于排气量的空气进入汽缸中。一般自然进气引擎在油门全开下的最大容积效率约在75%至80%间,引擎转速越高或油门开度越小,容积效率越低。

引擎喷油量要正确,必须以正确的进气量来计算,若是依照引擎排气量来设定喷油量,必定会有很大的误差,所以引擎根据进气温度感知器与大气压力感知器会得到概略的容积效率值,引擎调校工程师则借着废弃分析仪所测得的实际空燃比,在引擎调校时在定义引擎每一转速及负荷下,较正确的容积效率。

点火正时(EST Engine Spark Timing)

点火正时是引擎在各转速及负荷下之最佳点火时机,在引擎调校时,工程师也必须依据引擎的特性,定义出引擎在各种状态下之点火提前角。在引擎调校中,有一个项目叫MBT(Minimum Ignition for Best Torque),就是在引擎每一个运转状态下,找出能产生最大扭力的最小点火提前角。为什么要将点火正时调校至MBT呢?主要是为了兼顾引擎性能,并且避免引擎爆震。

引擎测试

一款引擎要能量产并贩售,除了需要历经常时间研发、设计外,还需要经过种种的测试,测试的目的主要是对设计的验证和功能的确认。引擎测试依测试设备可分为无点火测试、动力计测试。无点火测试是在引擎不点火运转下作测试,主要针对个别零件或模组功能确认,无点火测试通常是整个引擎测试的初期测试。动力计测试则有引擎动力计测试及底盘动力计测试,引擎动力计测试在整个引擎测试中占最大比重,无点火测试次之,底盘动力计测试则是整个引擎测试的最后阶段,最主要是测试引擎与变速箱的匹配,及法规认证测试。

引擎动力计

引擎动力计最主要适用来量测引擎的扭力,常用的引擎动力计有涡电流式与电动马达,它们都是利用磁场产生制动力来承受引擎的负载,再精确的量测动力计所承受的力矩(扭力)。引擎动力计量测引擎在每一转速所输出的最大扭力,再由测得的扭力计算每一转速的功率(马力),就是车主手上的引擎性能曲线图了。然而不是只有测测引擎的性能而已,引擎动力计能测的项目可多著呢!因为引擎动力计可于定转速订扭力或是定转速定油门的模式下操作,所以可以将引擎的可用转速-负荷域,以格点的方式详细的量测所有引擎相关数据,例如进气负压、排气背压、污染值、油耗值、容积效率、爆震情形、震动噪音等,并且也可利用引动力计作引擎醒能调校及引擎耐久试验等。而在引擎动力计上的测试用引擎,会像针灸一样被差上一堆温度计、压力计、废气取样管等,为了就是要精准且巨细靡遗的获取引擎的各样资讯,而发展出合用且耐用的引擎。

很多人对动力计的印象可能仅止于底盘动力计,也就是大家俗称的「马力机」,然而要真正发展一具引擎,绝大多数的测试及调校都必须利用引擎动力计而非底盘动力计。希望各位读者在阅读本篇的介绍后,能对引擎测试及引擎动力计有概略的认识。