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。

 
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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。
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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。



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  • Nov 19 Sun 2017 02:24

  • 爆震

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。
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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。
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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！

 
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化油器



我們在「進氣系統」這個單元時有約略談過化油器，化油器最主要的功用是控制進入進氣歧管的燃料流量，以及使燃料與空氣正確混合。化油器主要是利用「文氏管 (Venturi) 效應」將燃油吸入化油器內與空氣混合，供引擎燃燒。什麼是文氏管效應呢？依據流體力學中的「白努利 (Bernoulli) 定律」，在一個連續固定的流場中，當流體流速增加時，流體的壓力會下降。而文氏管效應就是利用流體 (空氣) 流速增加所產生的低壓吸力，而將燃油吸入空氣中。在化油器中，空氣流經口徑較窄的喉部被加速，因加速產生的低壓會將燃油吸出與空氣混合。



常見的化油器設計，是將燃油送至化油器浮筒室中儲存，當節流閥板開啟時，燃油會因文氏管效應而從主油孔讓燃油被吸至空氣流道中，除此之外，還有怠速控制系統來控制怠速及低負荷的燃油供應；副文氏管系統則在引擎油門全開時將油氣增濃；加速泵會在突然大腳油門時，給予引擎更多的燃料好維持正確的燃燒，以提供即時的加速性；阻風門在冷車啟動時，會擋住大部分的空氣進入化油器，以提供較濃的油氣，使引擎能正常啟動。



雖然化油器的成本低、可靠度高，而且維修、保養容易，但由於化油器幾乎是以機械方式供油，其供油精準度已無法應付嚴苛的環保法規，所以這幾年市售的新型汽車，已經不再使用化油器了。



噴射供油



近年來上市的車輛，幾乎都是採用噴射供油系統，最主要的原因也是因為要因應日趨嚴苛的環保法規。噴射供油系統從早期的機械式單點噴射一直演化至目前的電子式多點噴射，那麼，何謂單點噴射及多點噴射呢？假設一個四缸的引擎，由單個噴油嘴至於進氣歧管分支之前，油料由一處噴入後在隨著進氣分佈到四個汽缸內，這是單點噴射；而噴油嘴置於四個汽缸之各器缸的進氣道者，因為每一汽缸各有一個噴油嘴，四缸引擎則有四個噴油嘴，這稱為多點噴射，本單元將談論目前廣泛使用之多點噴射的原理。



從燃油路徑來看，首先燃油泵浦自油箱中將油料送至輸油管中，輸油管再將油料送至油軌內，而油軌由調壓閥來控制燃油壓力，並且確保送至各缸的燃油壓力皆能相同。另一方面，調壓閥也會藉著洩壓將過多的油料送至回油管而流回油箱中。而噴油嘴一端連接於油軌上，噴嘴則為於各個器缸的進氣道上。引擎ECU根據引擎運轉狀況會對噴油嘴下達噴油指令，噴油量是由燃油壓力及噴油嘴噴油時間所決定，燃油壓力在油軌處已由調壓閥所控制，而燃油調壓閥之壓力是由歧管真空 (引擎負荷) 調整，所以ECU能控制的就是噴油時間，當引擎需要較多的燃油時，噴油時間就會較長，反之則噴油時間較短。



噴油嘴本身是一個常閉閥 (常閉閥的意思是當沒有輸入控制訊號時，閥門一直處於關閉狀態；而常開閥則是當沒有輸入控制訊號時，閥門一直處於開啟狀態)，由一個閥針上下運動來控制閥的開閉。當ECU下達噴油指令時，其電壓訊號會使電流流經噴油嘴內的線圈，產生磁場來把閥針吸起，讓閥門開啟好使油料能自噴油孔噴出。



噴射供油的最大優點就是燃油供給之控制十分精確，讓引擎在任何狀態下都能有正確的空燃比，不僅讓引擎保持運轉順暢，其廢氣也能合乎環保法規的規範。
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節氣門是在進氣的管道中，加入一組蝴蝶閥，利用閥片旋轉角度不同、開口不同的方式，控制進氣量，進一步控制引擎的動力。現在車輛多採用電子節氣門設計，可由引擎控制模組進行精確的控制，讓輸出提高、油耗下降。



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我們都知道，引擎的動力來自燃料的燃燒，而燃燒需要大量的空氣，所以引擎不僅需要能適切的供給燃油，還需要源源不斷的將空氣引入引擎中，好完成燃燒以產生動力。一具2000c.c.引擎於2000rpm運轉，理論上每秒鐘需要約30公升的空氣進入引擎，所以進氣系統在引擎運轉中，扮演著舉足輕重的角色。



進氣口



引擎的進氣系統從進氣口開始，經過空氣濾清器再到節流閥(油門)，並連接至進氣其管將空氣導入汽缸內，而進氣口是整個進氣系統的最前端。進氣是進氣導管的開口，進氣導管通常採用黑色塑膠材質，而進氣口通常位於引擎室的前端，好導入新鮮且較低溫的空氣。也有些越野車為了涉水時不至於將水從進氣導管吸入引擎，會將進氣口設置在較高的位置。



自然進氣引擎是藉著活塞進氣行程成的真空將空氣吸入的，而增壓引擎的空氣則是由增壓器的低壓端所產生的真空吸入。



空氣濾清器



空氣由進氣口吸入，第一站就來到空氣濾清器。顧名思義，空氣濾清器是用來過濾空氣中的灰塵、雜質，以確保進入引擎的空氣品質來保護引擎。空氣濾清器通常以棉紙為材質，空氣穿過時會由棉紙將灰塵檔下，所以空氣濾清器使用一陣子後，棉紙會沾上許多灰塵，影響空氣流動的順暢。一般空氣濾清器在車輛行駛3000至5000公里後，最好能拆下將灰塵抖落，或用高壓空氣吹走灰塵，若是濾紙太髒則必須更換。



有些競技車輛的引擎因為需要較高的進氣順暢度，以獲取更大動力，通常會改裝阻力較小的空器濾清器，然而阻力較小也意味著濾清器的孔目較大，而降低灰塵的阻擋能力。



進氣感知器



進氣感知器又稱為進氣流量計，通常位於空氣濾清器後方的進氣導管上，用來測量進氣量的感知器。為了讓引擎燃燒更完全，引擎必須藉著進氣感知器來得知進氣量，藉著引擎控制模組(ECU)的計算，而給予引擎正確的噴油量。



進氣感知器要如何得知進氣量呢？有幾種方式：



機械式

使用機械方式，如翼板式，當空氣流過時會推動翼板，由其位移量來計算空氣流量。



熱線式

熱線式的原理是當空氣流過一個高溫熱線式，將熱線熱量帶走，流速越大帶走的熱量越多，使得維持熱線發熱的電流產生變化，由電流的變化量，即可得知空器的流量。



壓力式：

壓力式感知器通常裝設於進氣歧管上，藉由歧管的壓力(真空度)來計算空氣流量。



其中以熱線式進氣感知器的準確性較高，但是也較為昂貴。而進氣感知器為非損耗品，在正常使用下幾乎不會損壞。
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當汽車被後車追撞時，由於慣性的關係，車輛的乘員將會向後仰倒。但由於身體受到座椅椅背良好的支撐，後仰的狀況將集中在頭部。劇烈的撞擊將可能造成頸椎的受損，進而可能造成乘員巨大的傷害。而Toyota車輛所使用的WIL設計，便是為減少此類傷害所設計的。



這類的傷害，由於受傷的方式類似軟鞭鞭頭的甩動，常稱為甩鞭效應(Whiplash Effect)，因此減少傷害的裝置便稱為WIL(Whiplash Injury Lessening，甩鞭傷害緩和) 頸椎傷害緩和設計。WIL的座椅，均是Toyota的工程師利用電腦系統進行模擬設計，並經過大量實車撞擊檢驗，以找出來最適合、最安全的設計。在具有WIL設計的座椅，其座椅內的結構以及頭枕的位置與角度，以減緩頭部衝擊與減少軀幹部份向前加速效果的設計打造，以保護乘員寶貴而易受傷的頸部。



提醒所有的網友，主動安全配備與被動安全配備，在汽車行駛上都屬於「輔助」裝置，都是在車輛超越操控極限的情形之下，進行輔助的裝置。裝配這些輔助裝置，並不能確保行車的絕對安全，僅能降低車禍意外發生的機率及傷害的程度。真正安全行車的關鍵，仍在於適當的保養，確保車輛機構的正常運作以及安全的駕駛行為。

 
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氣囊，是大家所熟悉的被動安全配備。其英文正式名稱為SRS(Supplement Restraint System)輔助約束系統，而依其結構亦常直接稱呼為Airbag。



氣囊是高強度的布囊，平時折疊扁平地收納在車室裝潢之中。當車輛發生撞擊意外時，撞撃感知器偵測到意外發生後，便會啟動氣囊。氣囊將會迅速的充氣，做為乘員與車輛之間的緩衝體，避免因為撞擊到車體的結構或是破損的玻璃等物品而受傷。而在達成緩衝效果之後，氣囊的機構亦會迅速排氣，以避免阻擋駕駛人的視線及救援工作的進行。

 
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與汽車產品對於人類生活的重要性與日俱增，駕駛汽車已成為普遍的行為，不論男女老少，均是汽車產品的主要使用者。傳統的剎車系統，其設計是將駕駛施加於剎車踏板上的力道以固定的倍數放大。因此對於體力較弱的使用者而言，其可能面臨剎車力道不足的問題，而若是在緊急的狀況下，將可能造成事故的發生。而工程師便針對這個問題，開發出BAS(Brake Assist System)剎車力輔助系統，以工程技術，補足體力的不足，讓駕駛均能產生足夠的剎車力，預防意外。



BAS系統在車輛行駛的過程之中，會全時監測剎車踏板的動作。當感知器偵測到剎車踏板以極快的速度踏下，系統將其解釋為駕駛人需要進行緊急剎車的動作，BAS系統便會在對剎車系統進行加壓，使其產生最大的剎車力量，讓車輛能有最佳的制動效果，以提高行車的安全。



提醒所有的網友，主動安全配備與被動安全配備，在汽車行駛上都屬於「輔助」裝置，都是在車輛超越操控極限的情形之下，進行輔助的裝置。裝配這些輔助裝置，並不能確保行車的絕對安全，僅能降低車禍意外發生的機率及傷害的程度。真正安全行車的關鍵，仍在於適當的保養，確保車輛機構的正常運作以及安全的駕駛行為。
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