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一款引擎要能量產並販售，除了需要歷經常時間研發、設計外，還需要經過種種的測試，測試的目的主要是對設計的驗證和功能的確認。引擎測試依測試設備可分為無點火測試、動力計測試。無點火測試是在引擎不點火運轉下作測試，主要針對個別零件或模組功能確認，無點火測試通常是整個引擎測試的初期測試。動力計測試則有引擎動力計測試及底盤動力計測試，引擎動力計測試在整個引擎測試中佔最大比重，無點火測試次之，底盤動力計測試則是整個引擎測試的最後階段，最主要是測試引擎與變速箱的匹配，及法規認證測試。



引擎動力計



引擎動力計最主要適用來量測引擎的扭力，常用的引擎動力計有渦電流式與電動馬達，它們都是利用磁場產生制動力來承受引擎的負載，再精確的量測動力計所承受的力矩 (扭力)。引擎動力計量測引擎在每一轉速所輸出的最大扭力，再由測得的扭力計算每一轉速的功率 (馬力)，就是車主手上的引擎性能曲線圖了。然而不是只有測測引擎的性能而已，引擎動力計能測的項目可多著呢！因為引擎動力計可於定轉速訂扭力或是定轉速定油門的模式下操作，所以可以將引擎的可用轉速-負荷域，以格點的方式詳細的量測所有引擎相關數據，例如進氣負壓、排氣背壓、污染值、油耗值、容積效率、爆震情形、震動噪音等，並且也可利用引動力計作引擎醒能調校及引擎耐久試驗等。而在引擎動力計上的測試用引擎，會像針灸一樣被差上一堆溫度計、壓力計、廢氣取樣管等，為了就是要精準且鉅細靡遺的獲取引擎的各樣資訊，而發展出合用且耐用的引擎。



很多人對動力計的印象可能僅止於底盤動力計，也就是大家俗稱的「馬力機」，然而要真正發展一具引擎，絕大多數的測試及調校都必須利用引擎動力計而非底盤動力計。希望各位讀者在閱讀本篇的介紹後，能對引擎測試及引擎動力計有概略的認識。

空燃比(AFR Air Fuel Ratio)



空燃比、容積效率、點火正時等參數在引擎的控制中十分重要，引擎要能發會最大性能及符合環保法規，這些參數必須正確的應用與設定。



空燃比是指燃料與空氣的質量比，當我們說空燃比為13或13：1，即表示進入燃燒室的燃油質量是空氣質量的13倍，空燃比數字越大，代表混合氣越稀，數字越小則越濃。。依照汽油的燃燒化學式，燃油與空氣的當量比為14.7左右，也就是當空燃比在14.7：1時，所有空氣中的氧會與汽油完全反應。然而在引擎調校時，有一個調校項目叫做LBT(Leanest Mixture That Gives Best Torque)，就是在引擎能產生最大扭力下，給予最大 (最稀) 的空燃比，一般引擎在LBT時的空燃比都在12.5上下，原因是因為在這個空燃比下的混合氣之燃燒速度最合適，能給予引擎最大的性能。然而當油門開啟達一定程度時，引擎會將空燃比設定小 (濃) 一些，以降低燃燒溫度保護引擎及觸媒轉換器。



容積效率(VE Volume Efficiency)



容積效率並不是某些人所謂「引擎馬力除以排氣量」，而是指在一大氣壓下，每一個進氣行程中，被吸入汽缸之氣體體積與該汽缸之排氣量的比值。在一般引擎中，活塞自上死點移動至下死點所掃過的體積我們稱為「排氣量」，而排氣量也等於引擎的進氣量。所以在理想狀態時，進入汽缸內的空氣體積，應等於該汽缸的「排氣量」；然而再實際狀態，由於進氣道內如空氣濾清器、節流閥等，都會對進氣造成阻力，而且吸入汽缸內的氣體溫度較高密度較低，所以不可能有在「一大氣壓」下等同於排氣量的空氣進入汽缸中。一般自然進氣引擎在油門全開下的最大容積效率約在75%至80%間，引擎轉速越高或油門開度越小，容積效率越低。



引擎噴油量要正確，必須以正確的進氣量來計算，若是依照引擎排氣量來設定噴油量，必定會有很大的誤差，所以引擎根據進氣溫度感知器與大氣壓力感知器會得到概略的容積效率值，引擎調校工程師則藉著廢棄分析儀所測得的實際空燃比，在引擎調校時在定義引擎每一轉速及負荷下，較正確的容積效率。



點火正時(EST Engine Spark Timing)



點火正時是引擎在各轉速及負荷下之最佳點火時機，在引擎調校時，工程師也必須依據引擎的特性，定義出引擎在各種狀態下之點火提前角。在引擎調校中，有一個項目叫MBT(Minimum Ignition for Best Torque)，就是在引擎每一個運轉狀態下，找出能產生最大扭力的最小點火提前角。為什麼要將點火正時調校至MBT呢？主要是為了兼顧引擎性能，並且避免引擎爆震。

 

何謂正時



一具引擎要能正確的運轉，所有零件都要能在正確的時間和正確的位置做正確的事，在最佳的協調下，發揮應有的性能。就像一支部隊要作戰前，指揮官會分配每一組甚至每個人個別的任務，大家接受任務後，還有一件事很重要，沒錯，就是：對錶！所有人都必須在一個獨一的時間軸內完成任務。大家都必須各自在正確的時間到達定位，這就是「正時」。



那麼，在引擎中要怎麼「對錶」，又要以誰為準呢？引擎中最主要的轉動是曲軸，所以所有的正時都以曲軸旋轉角度做為基準。以一個單缸引擎為例，當活塞在上死點時為0度，到了下死點時為180度，四行程引擎以720度為一循環，所有運轉件就以曲軸的運轉為準，曲軸每旋轉720度，所有運作就完成一次循環。

 

螺栓的重要



「螺栓」就是俗稱的螺絲，要將各個單獨的零件組合成一具引擎，幾乎都得藉著螺栓才行，螺栓雖然不是什麼機構件，然而在整具引擎中，螺栓還是不可或缺的。越需要強大鎖付力量的螺栓會越粗，並且螺栓頭部會依據其組裝性設計成外六角頭或是內六角頭；而比較不需要太大鎖付力量的螺栓則多會設計成十字或一字頭，並且也比較細。



在引擎中，螺栓鎖付力量也必須相當講究，鎖得不夠緊螺栓在引擎及車輛不斷的震動下容易脫落；鎖太緊則會造成引擎零件上的螺牙遭到破壞而喪失功能。為了確保螺栓鎖付力量的正確，在組裝引擎時都會以扭力扳手將螺栓鎖至設定的扭力值，重要螺栓除了上扭力外，甚至組裝線的員工還得在鎖緊後於螺栓的頭部上漆確認，以示負責。所以我們可以發現新車上有許多螺栓頭部都會塗上各種顏色的油漆，這就表示這些螺栓是重要螺栓，並且有上過扭力確認，所以這些螺栓也不可任意自行拆卸。筆者也曾經看過，有些車主為了加裝時下流行的「負極接地線」，其中有數個接點鎖在引擎重要螺栓上，這麼一來除了拆下鎖回後的螺拴扭力無法確認外，鎖付在螺栓頭和引擎之間的導線接頭等於是多了一片墊片，也意味著螺栓少鎖了一至二牙，這些都有可能造成螺栓鬆脫而因小失大，值得喜好改裝的讀者注意。



缸頭螺栓



引擎上的眾多螺栓中，缸頭螺栓應該算是最重要的了。缸頭螺栓除了將引擎的缸頭與引擎本體確實鎖緊，還要承受引擎運轉時所產生的強大應力，所以缸頭螺栓在鎖付時，都要將螺栓鎖緊至降服 (降服Yield，在材料科學上指金屬承受超過其彈性限度之應力，而產生永久的變形及材質的變化)，當然要所到什麼樣的扭力和降服程度，都是必須經過計算及測試的，並且鎖付時通常利用機器而不是人工。



既然缸頭螺栓在組裝時必須鎖付至降服，也就是說，一旦缸頭螺栓鎖緊後，其機械及材料性質都已經與未鎖緊時不同，所以它的重複使用性相當低。一般引擎大修後，修理廠都會沿用原缸頭螺栓，然而缸頭螺栓相當重要，其實車主是可以要求更換全新的缸頭螺栓的，當然，螺栓必須自費購買。

 

所謂附件，就是在維持引擎基本運轉所需之外的機件，而這些機見識由引擎附件皮帶所驅動。通常引擎附件包括：發電機、水泵浦、冷氣壓縮機及動力方向盤泵浦等，以下對這幾項附件作概略介紹。

 

引擎是車輛主要的動力來源，因此壓縮機、泵浦、發電機等都與引擎以皮帶連結，利用引擎運轉的輸出帶動，提供冷卻、潤滑、空調、供電及轉向輔助等功能。

曲軸是整個引擎中唯一的動力輸出軸，所謂的「引擎轉速」也就是曲軸的轉速，所以曲軸可算是引擎中最主要的零件之一。曲軸之所以稱為「曲軸」，就是因為它不是一支從頭到尾直通的軸，為了提供力臂讓活塞的上下直線運動轉為旋轉運動，曲軸必須根據活塞的數目設計成一支曲折的軸。曲軸之曲折處 (其偏心部分) 與活塞連桿大端連接，稱為曲柄臂；而曲軸主軸承則在曲軸之旋轉中心軸處支撐曲軸。曲軸於各個曲柄臂旁都有類似半圓形狀的曲軸配重，使得偏心運轉的曲柄臂之質量中心能落於旋轉中心 (圓心) 上，以消除偏心運轉所帶來之震動。



曲軸由於要承受活塞因爆炸所產生之強大力量，其材質必須相當堅固且耐久，所以曲軸通常都是鍛造成型，其主軸承處內也襄入耐磨且精密的軸承片 (波司)。整個曲軸及主軸承處有許多供機油流入之油孔，好使機油能在整個曲軸上發揮潤滑與冷卻的功用。



曲軸之曲柄半徑大小決定活塞在汽缸內上下運動的行程 (衝程)，曲柄半徑越大者活塞衝程越長。所以同一家車場所生產之不同排氣量的同一系列引擎，只要引擎排氣量差別不大，在不更動引擎大部分設計以節省成本的前提下，多會採用不同曲柄半徑之曲軸來改變排氣量，所以只是活塞衝程改變而導致排氣量不同，而不是有些人說的「擴缸」，「擴缸」是指將器缸的缸徑加大，因為缸徑加大要更動的零件遠較衝程加大者多出許多。

 

我們在「引擎概論」中可以知道，活塞是在汽缸中往復運動來壓縮空氣，並且承受油氣爆炸時的動力，而連桿將活塞與曲軸連結，並且把活塞直線的往復運動轉化成曲軸的旋轉運動。以下將介紹活塞、活塞環以及連桿的機械特性：



活塞與活塞環



從活塞的外型來看，有活塞頂面、活塞頂座、三道活塞環槽、活塞裙及活塞銷。活塞頂面與汽缸頭形成引擎的燃燒室；三道活塞環分別嵌入上壓縮環、第二壓縮環及刮油環；活塞裙則承受活塞動力行程及壓縮行程時因連桿擺動所造成對汽缸壁的衝擊力；而連桿是藉著活塞銷與活塞結合。活塞通常由鋁合金製成，並且其熱膨脹係數必須很低，以免活塞受熱膨脹而卡在汽缸內；另一方面，活塞的散熱性也要很好，避免成為燃燒室的「熱點」而引發爆震。



在造型上，活塞的頂面會依功能需求而有不同的設計及加工，例如有些二行程引擎，會將活塞頂面設計成海浪狀，讓進氣氣流轉而能在汽缸中行成一股迴旋氣流，以幫助掃除廢氣；柴油引擎會在活塞頂面設計成各種形式之凹槽，好使燃油噴入燃燒室撞擊活塞頂面後，能形成渦流而與燃燒室內的空氣充分混和，某些強調高性能的引擎，其活塞頂面也會有螺旋狀刻痕，以幫助進入引擎室的混合氣能產生渦流而提高燃燒效率。



活塞環為一環狀合金鑄鐵，其上有一缺口，在嵌入活塞環槽之前其外徑大於汽缸內徑，當活塞裝入汽缸後，活塞環則與汽缸壁緊密貼合而成為正圓形，而且各活塞環之缺口必須錯開，以免造成引擎漏氣或過多機油流至燃燒室內。活塞環由兩個壓縮環及一個刮油環為一組，其功用分別為密封燃燒室、將活塞的熱傳至汽缸壁、將適量的機油攜帶至活塞與汽缸壁間，並且刮除汽缸壁上過多的機油。



正常的汽缸壁上會有加工留下的「搪線」，這些搪線是以螺旋狀分佈於汽缸壁上，若活塞與汽缸產生不正常摩擦，汽缸壁上會產生與活塞運動方向平行的深刻刮痕，或是在活塞頂座、活塞裙上留下痕跡，這樣的引擎是必須要搪缸並更換活塞。而更嚴重的「縮缸」則是活塞與汽缸壁卡死，以致引擎無法運轉。



連桿



連桿兩端分別連結活塞與曲軸，連結活塞者稱為小端，而連結曲軸者稱為大端。在引擎運轉時，連桿小端隨活塞做上下運動，連桿大端隨曲軸作圓周擺動運動，並且要承受很大的應力，所以連桿斷面都設計成H型，以提高抗彎曲強度，而連桿多為鋁合金鍛造而成。

我們在「引擎概論」單元中，對凸輪與汽門之間的作動、何謂DOHC及SOHC、可變汽門正時等題目，其實已經有很詳細的論述，在「引擎詳論」中僅再作一些補充。對於凸輪如何帶動汽門的啟閉，最常見的是「直壓式」與「搖臂式」。直壓式汽門通常見於DOHC引擎，此式汽門彈簧座上會會有一圓形套筒，凸輪則直接置於套筒上，所以當凸輪尖端與套筒接觸時，會透過套筒把汽門往下壓，使汽門開啟；而搖臂式汽門通常使用在SOHC引擎上，因為SOHC引擎缸頭內只有一支凸輪軸，卻要驅動多個汽門，所以會以搖臂方式，由一個凸輪帶動兩個汽門。搖臂是利用槓桿原理，當凸輪尖端將搖臂一端挺起時，另一端會向下將汽門壓下以使汽門開啟。


搖臂式與直壓式汽門驅動設計各有其優缺點，以力量傳遞效率來說，直壓式比搖臂式來的直接、精確；以維修保養來說搖臂式則容易的多，因為直壓式之凸輪與汽門上之套筒的間隙，是靠不同厚度的填隙片來調整，所以當引擎使用一定時數，汽門間隙增大時，要再調整較不易；而搖臂式之汽門間隙通常都以一螺栓調整，只要一支扳手就能搞定。然而目前直壓式汽門的填隙片材質皆有一定的耐磨度，磨損的機率很低。



DOHC的迷思



早期強調高性能的引擎多會採DOHC設計，因為DOHC的設計在高速運轉時仍有相當高的精確性，使得引擎能在高轉速輸出較大的功率。近來各家車廠在車輛的性能數據上競爭，使一般家庭房車的引擎也多採用DOHC的設計，甚至造成消費者認為SOHC引擎為過時設計，而非DOHC不買的迷思。其實引擎在一般使用下，不論SOHC、DOHC、一缸兩汽門的設計或是一缸多汽門的設計，都足敷使用，甚至很多八汽門引擎 (四缸) 在低速表現會優於多汽門引擎。再者，DOHC引擎比SOHC引擎多出一支凸輪軸 (V型引擎多出兩支)，引擎就需要多克服一倍的摩擦力，及承擔多一支凸輪軸的重量。所以像Mercedes-Benz等歐洲車廠，仍有許多現役的SOHC引擎。



筆者在此並非貶低DOHC引擎的價值，而是要讓讀者瞭解，SOHC並非過時的設計。一個適合自己駕駛習慣、省油且耐用的引擎，就是好引擎；當然，如果您是性能派的熱血份子，DOHC的引擎是您最佳的選擇。

燃料進入引擎燃燒後，將燃料的內能轉換成「功」來使引擎運轉，然而並不是所有的「功」都用來驅動引擎的運轉，因為引擎中機件間的摩擦會消耗引擎產生的功，而將其轉換為熱能。為了降低磨差來保護引擎，必須有一潤滑系統來潤滑引擎。



機油的功用



沒錯，機油正是在引擎中扮演潤滑的角色。機油除了能潤滑引擎降低摩擦外，還有防止引擎金屬腐蝕、消除進入引擎中的灰塵及其他污染物、在活塞與汽缸壁間幫助燃燒室氣蜜、為活塞及軸成等零件冷卻及消除引擎內不必要的產物。



機油的循環



引擎中大部分的機油都儲存於油底殼中，機油的循環由隨引擎轉動之機油泵浦驅動，自油底殼將機油吸出，經過機油濾清器濾掉雜質後，高壓的機油從引擎的機油流道流至引擎各處，潤滑或冷卻各個機件，最後在流回油底殼中。



引擎中會有極少量的機油進入燃燒室被燃燒，所以機油有少量的消耗是正常的。然而若過量的機油由活塞與汽缸壁的間隙往上進入燃燒室稱為「上機油」，而機油由汽缸頭之閥系間隙向下流入燃燒室中則稱為「下機油」，二者都是所謂的「吃機油」。引擎若是有吃機油的現象，當然機油會消耗很快，而且因為機油大量燃燒的關係，會自排氣管排出淡青色的煙，此時必須去保修場檢查是「上機油」或「下機油」，好對症下藥。



機油的選用



機油依據其成分可分為全合成、半合成及礦物油，一般來說，全合成機油在引擎中隨引擎運轉的衰退程度較低，而礦物油的衰退程度較高。但是若是車輛都能在原廠指定之換油里程或時間內更換機油，就算使用礦物油，也不會對引擎造成任何傷害。



機油除了有成分上的不同，也在「黏度指數」上有區別。黏度指數是指機油黏度隨溫度改變的程度，目前最常使用的機油黏度分類是依照SAE號數分類，不同的號數對應不同的黏度範圍，號數越大代表黏度越大。SAE編號後方加上W者指適用於寒冷氣候的機油，其編號越小者黏性越小，引擎在寒冷的冬天越容易啟動。



機油號數除了SAE 50 (例) 或SAE 10W (例) 等單級機油外，還有如10W-40等之複級機油，複級機油能同時滿足高溫與低溫的使用需求。目前市面上常見的多為複級機油，複級機油於W之前的號數越低、後方的號數越高者，表示該機油能適用的氣候範圍較大。以台灣的氣候狀況，10W-40已經能滿足，若引擎長時間以高負荷、高轉速運轉者，則可選用黏度較高的機油。

 

冷卻系統的功用



冷卻系統的功用是帶走引擎因燃燒所產生的熱量，使引擎維持在正常的運轉溫度範圍內。引擎依照冷卻的方式可分為氣冷式引擎及水冷式引擎，氣冷式引擎是靠引擎帶動風扇及車輛行駛時的氣流來冷卻引擎；水冷式引擎則是靠冷卻水在引擎中循環來冷卻引擎。不論採何種方式冷卻，正常的冷卻系統必須確保引擎在各樣行駛環境都不致過熱。



冷卻循環



因為多數車輛皆採用水冷式引擎，所以本文以介紹水冷式引擎之冷卻循環為主。在水冷引擎的冷卻循環中，可分為「小循環」與「大循環」。小循環是指冷卻水僅在引擎內循環，而大循環則是冷卻水在引擎與熱交換器 (水箱) 間循環。為什麼要有大循環與小循環呢？主要是因為引擎在冷車時溫度低，此時少量的冷卻水在引擎內作小循環，使引擎能迅速達到工作溫度；一旦引擎達到工作溫度，控制大、小循環轉換的溫度控制閥 (俗稱水龜) 則會開啟，讓冷卻水能流至水箱內讓空氣將熱帶走，引擎溫度越高，水龜開啟的程度就越大，冷卻水的流量也越大，好帶走更多的熱量。冷卻水的循環是靠水泵浦帶動的，水泵浦則是由引擎的運轉所驅動，所以當引擎轉速越高，水泵浦的運轉效率也越高。



冷卻液的特性



冷卻液是由純水與水箱精案一定比例調製而成，水箱精能提高冷卻水的沸點。純水在常溫常壓下的沸點是100℃，一旦引擎溫度過高，會使冷卻水沸騰成為水蒸氣，而水在氣態下的熱對流係數遠低於液態，所以氣態的水蒸氣幾乎無法帶走引擎的熱量，此時引擎溫度會迅速升高而損害引擎。所以水箱精將冷卻水的沸點提高，以確保冷卻液在高溫時仍是液態，才能帶走引擎產生的熱。