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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。

 

EGR



EGR(Exhaust Gas Recirculation廢氣再回收)是從排氣歧管接出一個旁通管至進氣歧管內，而將部分引擎廢氣隨著新鮮空氣導入引擎中燃燒，導入廢棄的量是由ECU依據當時引擎轉速、負荷等訊息所計算出來，並由EGR閥所控制。



EGR的功用最主要是用來降低引擎中NOx的排放量的，我們在「觸媒轉換器」單元中有介紹過廢棄成分的產生，其中NOx的產生是因為引擎燃燒溫度過高所致。本來，要降低燃燒溫度來抑制NOx的生成最好的方法就是延後點火提前角，然而點火角延後會大幅降低引擎性能並且提高油耗量，所以目前最好的解決方是就是裝設EGR。EGR雖然會小幅的犧牲一點引擎性能，但卻能降低引擎燃燒溫度，以控制NOx的生成。經實驗證明，正確的利用EGR能降低百分之50的NOx生成量。如此便能大大減低觸媒轉換器的負擔，降低觸媒對於NOx的配方量，而節省觸媒轉換器的製造成本。



含氧感知器



含氧感知器(O2 Sensor)裝在觸媒轉換器的前端，引擎ECU藉著含氧感知器偵測廢氣中的含氧量，來判定引擎燃燒狀況，以決定噴油量的多寡。當含氧感知器偵測到較濃的氧含量時，表示當時引擎為「稀油」燃燒，所以ECU會使噴油嘴的噴油量增加；相反的，當含氧感知器偵測到較稀的氧含量時，表示當時引擎為「濃油」燃燒，所以ECU會減少噴油嘴的噴油量。



然而，引擎噴油量主要並不是含氧感知器決定，引擎在每個轉速及負荷下該噴多少油，引擎調校工程師都已經在引擎調校時定義好了，而含氧感知器所傳送的含氧量訊息，只是在ECU對引擎作閉迴路控制時的回饋訊號，使引擎的噴油量在調校工程師的定義下，再針對當時引擎的運轉狀況作些微的修正，讓引擎的運轉能處於最佳狀態，這就是一般人所說ECU的學習功能。所以當含氧感知器壞掉時，引擎還是能正常運作，但就是少了自我修正的功能。這樣，引擎的運轉就不能確保在最佳狀態，並且也有可能造成排污值過高而加速觸媒轉換器的老化，所以當含氧感知器壞掉時，儀表版上的警示燈會亮起。

排氣歧管

 

圖中顯示四缸引擎其中兩缸的排氣歧管。由左邊的剖面可以看到排氣歧管直接連接在排氣孔後，再結合為一。排氣歧氣在設計上會盡量讓各缸的阻力相同，以讓排氣順暢。

何謂爆震



當混合氣 (空氣與燃油充分的混合) 在進氣行程進入燃燒室後，活塞在壓縮行程時便將其壓縮，火星塞將高壓混合氣點然後，其燃燒所產生的壓力則轉換成引擎運轉的動力。引擎燃燒雖可以用三言兩語簡單的形容，但光是內燃機的燃燒研究，不知已造就了多少博、碩士論文，甚至許多學者、工程師窮其一生都在研究燃燒的學問，所以要真正瞭解引擎，是要花很多工夫的。



正是因為引擎的燃燒十分複雜，所以需要有相當精確的設計與控制，稍有一點控制失誤或是失常，便會造成不正常燃燒，而「爆震」就是一種不正常燃燒。簡單的說，爆震是不正常燃燒所導致的燃燒室內壓力失常。

引擎依照運轉模式不同可分為火花點火(SI Spark Ignition)引擎及壓縮點火(CI Compression Ignition)引擎，汽油引擎屬於火花點火引擎，而柴油引擎則屬於壓縮點火引擎。汽油引擎既是屬於火花點火引擎，其點火就必須藉著點火系統來完成。



火星塞



顧名思義，火花點火引擎要點火就必須靠火花，而火花是藉著火星塞產生的。火星塞藉螺牙鎖付在引擎燃燒式的頂端，也就是在缸頭上進、排氣門之間，火星塞在頭部有一中央電極及接地電極，接地電極是由螺牙部分延伸出來成L形，與中央電極維持0.7到0.9mm的間隙，火星塞尾部則與高壓導線連接。



當高壓導線將極高的電壓送至火星塞時，造成火星塞的兩個電極間極大的電位差，導致兩極間隙間原本無法導電的空氣成為導體，電流便以離子流 (Ionizing Streamers) 的方式由一個電極傳至另一電極，產生電弧 (Electric Arc) 來點燃引擎是中的油氣。若您還是覺得不好理解，可以去觀察瓦斯爐或放電式打火機的點火方式，火星塞的點火方式跟它們很類似。



各式火星塞除了會有大小上不同外，相同大小的火星塞還會有熱值 (Heat Rating) 的不同。熱值大的火星塞其電極絕緣包覆的部分較長，適用運轉溫度較低的引擎；而熱值較小的火星塞其電極絕緣包覆的部分較長，適用運轉溫度較高的引擎，如競技用引擎。各式車輛必須依照原廠規定的火星塞規格選用火星塞，若使用熱值過高的火星塞，引擎容易因溫度過高而爆震；使用熱值過低的火星塞，引擎則可能因燃燒溫度過低而造成燃燒不完全或積碳。



分電盤點火與電子點火



分電盤是以機械方式控制各缸的點火時機，其中有一轉子在分電盤中旋轉，其旋轉軸是由引擎帶動並且轉速是引擎曲軸轉速的二分之一，連接至各缸火星塞的接點則依序設置在分電盤四周。當轉子在分電盤中旋轉時，會依序使各缸接點之觸發電流導通，並藉高壓導線將電傳送至火星塞，使火星塞點火。



分電盤上會有一個慣性彈簧-飛輪組來控制隨著引擎轉速不同之點火提前角，也有真空機構隨著不同的引擎負荷來控制點火提前角。雖然如此，因為分墊盤的點火提前角控制皆為機械式，以現代引擎科技而言，還是無法稱得上精確，但是因成本關係，也有少數2000c.c.以下的引擎採用分電盤點火。



機械元件雖然可靠，但用來作引擎系統的控制總不若電子元件來得精確。在環保法規的日益嚴苛及消費者對性能的重視，各家車廠紛紛採用電子點火系統，及其他電子控制系統。電子點火是每兩缸或每一缸由一個高壓點火線圈負責，由ECU個別對點火線圈下達點火訊號，其點火提前角是由ECU依據引擎運轉狀況計算而得，可依據引擎運轉作靈活的調整；若配備有爆震感知器的引擎，ECU也能直接對某缸作點火角提前或延後的動作。所以，爆震感知器只能裝設在有電子點火的引擎上，因為分電盤的點火提前角是不受ECU控制的。

ECM (Engine Control Module引擎控制模組) 就像引擎的靈魂一樣，控制整個引擎的運轉。要控制能引擎，就必須有許多感應器 (Sensor) 來接收並傳遞引擎運轉資訊，一具引擎通常會有進氣溫度感知器 (IAT Sensor)、油門開度感知器 (TPS Sensor)、歧管壓力感知器 (MAP Sensor)、水溫感知器 (ECT Sensor)、曲軸角度感知器 (Crank Sensor)、爆震感知器 (Knock Sensor)、含氧感知器等 (O2 Sensor)將引擎各種狀態資訊送至ECU (Engine Control Unit) 作運算，這些引擎運轉資訊經過運算後，會由ECU對各個致動器 (Reactor) 發出控制訊號來控制致動器的作動，引擎上常見的致動器有怠速控制閥 (IAC)、噴油模組、點火模組、EGR閥、VVT控制器、活性碳罐 (EEC) 脫氣閥等。或許各位讀者會看得眼花撩亂，但是這麼多的感知器及這麼多的致動器，其實最主要的就是要計算並控制引擎的最佳噴油量及點火時機，當然還有一些控制是為了符合環保法規，如活性碳罐脫氣閥。



關於點火、怠速、正時、爆震及噴油等控制在各相關單元都已有介紹，本篇來談談和油耗有關的「開迴路控制」與「閉迴路控制」。在「控制學」中，所謂「開迴路控制」是指控制器按已寫入的控制模式，單向地下指令給致動器作動；而「閉迴路控制」則是在控制迴路中加入回饋訊號，以修正致動器的作動量。在噴油控制系統中，是由ECU依據當時引擎運轉狀況，將該條件下所設定之噴油量指令傳送至噴油嘴。在開迴路控制下，ECU送給噴油嘴的噴油指令不會受回饋訊號的修正。在閉迴路控制下，其噴油指令將受回饋訊號的修正，而回饋訊號的來源是含氧感知器。含氧感知器會偵測廢氣中的含氧量，並把含氧量訊號送至ECU，ECU會依據含氧量及噴油量計算出實際空燃比，若是偵測出混合氣太稀 (空燃比大)，ECU會朝濃油方向修正；若是偵測出混合氣太濃 (空燃比小)，ECU會朝稀油方向修正，讓引擎在最佳空燃比下運轉，這時引擎的燃油消耗會最小。



引擎何時會處於閉迴路控制，又何時會處於開迴路控制呢？在一般的運轉狀況下，引擎都是採用閉迴路控制，而當油門開度過大、急加速及冷車狀態時，引擎就會進入開迴路狀態。尤其在大腳油門時，引擎不但處於開迴路狀態，甚至還會進入噴油增濃模式，所以一定比較耗油。目前油價節節攀升，要省油最好的方法，就是好好克制自己的右腳！