汽車引擎

Mitsubishi Savrin Inspire 休旅車

常居國產轎式休旅銷售冠軍的Mitsubishi Savrin,2001年上市以來,成功打造出叫好叫座的幸福房車後,曾在2003年推出一款Inspire特仕車,以五人座設定及不同的產品內涵與價格策略,成功獲得更年輕消費族群的青睞。因此在2004年6月Savrin改款上式之後3個月,中華正式宣佈Savrin Inspire正式成為獨立車系,全面量產上市。

四行程柴油引擎運作原理

柴油引擎分為二行程與四行程兩種,主要是依其運轉方式做區分。二行程的柴油引擎對許多人較為陌生,但對於當過裝甲兵的車主而言,應不陌生。因為柴油引擎大多運用於M113運兵車及M109自走砲車上,因此有當過兵的男性車主應較不陌生。而用在車輛上的柴油引擎多以四行程居多,因此以下將介紹四行程柴油引擎的運作原理。
四行程柴油引擎的運作,主要分為四個步驟:
進氣行程:排氣門關閉而進氣門打開。當活塞從上死點往下行時,僅有在進氣岐管中的空氣會經由進氣門被吸入汽缸之中,此時並沒有燃油進入汽缸內。
壓縮行程:在進氣行程結束後,並當活塞從下死點開始往上走時,進氣門即關閉並停止進氣。在活塞上升的同時壓力和溫度便開始增加。在柴油引擎中,空氣必需被壓縮加熱,直至它到達點火溫度以上。
動力行程:當壓縮行程接近終了時,噴油嘴將燃油以霧化方式噴出,經壓縮加熱後之空氣即會點燃被霧化之燃油。在此結果下,汽缸內之壓力將迅速上升並將活塞往下推,此推力變成讓曲軸產生轉動的力量。
排氣行程:在燃燒過程結束後,並當活塞往下走接近下死點時,排汽門即會開啟。當活塞再度往上行時,廢氣便經由排汽門、排汽歧管和消音器將廢氣排至大氣中。
柴油引擎在機構元件方面,非常類似於汽油引擎的,但是汽油引擎主要是靠火星塞來點燃混合器,而柴油引擎則是純粹導入空氣並經具高壓縮比(16~23:1)的汽缸容積來壓縮空氣,使所壓縮的空氣其溫度迅速上升超過500℃,然後經由噴油嘴將柴油注入加以霧化,之後藉由已被壓縮的空氣所產生之高溫來自行點燃霧化的柴油。因此柴油引擎不需使用點火系統,但它仍需要噴射泵浦和噴油嘴所組成的燃油噴射系統。

汽車引擎概論

汽車行駛的動力來源,是來自於引擎的轉動。因此,引擎的性能如何,決定著汽車的行駛性能。目前汽車所使用的引擎,均屬於內燃機型的引擎。引擎的功能便是將燃料從化學能轉換成熱能,再傳換成機械能(機械能即一般所稱的動力)。而在將燃料轉換成動力的過程之中,會經過一定的工作程序,並且此一程序是週而復始連續不斷的循環的。
以下將介紹各種不同的汽車引擎種類、大小、用途等。
工作循環方式:
奧圖循環(Otto cycle):使用在汽油引擎。
狄塞爾循環(Diesel cycle):使用在柴油引擎的。
使用燃料的種類:
汽油引擎:主要使用在汽車、航空器。
柴油引擎:主要使用在汽車、船、發電機。
重油引擎:主要使用在船、發電機。
瓦斯引擎:主要使用在汽車。
冷卻的方式:
氣冷式引擎。
水冷式引擎。
運作循環行程:
二行程引擎:二個行程完成一個工作循環。
四行程引擎:四個行程完成一個工作循環。
點火方式:
壓縮點火式引擎。
火花點火式引擎。
汽缸數量:
單汽缸引擎。
多汽缸引擎。
汽缸排列方式:
直列式汽缸。
V型引擎。
對臥式引擎。
目前市面上的汽車所使用的引擎,主要是採用奧圖循環、以汽油為燃料的往復式活塞四行程多汽缸自然進氣引擎。依據不同的排氣量與工程需求,會有不同的汽缸排列方式。各種型式的引擎所採用的零件,以及在引擎外部的次系統零組件,都非常的相似。

引擎控制模組ECM

汽車引擎控制模組ECM (Engine Control Module) ,就像引擎的靈魂一樣,控制著整個汽車引擎的運轉。想要控制好引擎的運作,必須要有許多感應器(Sensor)幫忙接收並傳遞引擎運轉資訊,如此一來汽車引擎才有辦法正常運轉。
一具汽車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(O2 Sensor)等,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。如此多的感知器與致動器,最主要的目的就是要計算並控制引擎的最佳噴油量及點火時機,還有活性碳罐脫氣閥,是為控制廢氣量使其符合環保法規。
ECU同樣控制著和油耗有關的裝置,開迴路控制及閉迴路控制。開迴路控制: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;閉迴路控制: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,主要是由ECU依據當時汽車引擎運轉狀況,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,這時汽車引擎的燃油消耗會最小。
至於汽車引擎應該於何時處於閉迴路控制,何時處於開迴路控制?在一般的運轉情形下,引擎都是採用閉迴路控制。而當油門開度過大、緊急加速、冷車狀態時,引擎便會進入到開迴路控制。尤其在猛踏油門時,汽車引擎不但會處於開迴路控制狀態,甚至還會進入到噴由增濃模式,因而使得車子比較耗油。想要避免這樣的情況出現,最好的方式便是車主的開車方式,必須是穩定平穩的。如此一來,即時是在油價攀升的時刻,也不用擔心自己的荷包。

汽車引擎的凸輪軸與汽門

汽車引擎上的構造,不止是不同的系統、循環,還有許多不同部分的裝置。汽車引擎是一門相當複雜的學問,想要完全的理解不是一件容易的事情。但是對於汽車相當普遍使用的現在而言,擁有概略的汽車引擎構造的認識基礎,是車主必備的知識之一。以下將介紹汽車引擎中的兩項裝置,凸輪軸與汽門。
凸輪軸,是指一支軸上有著許多宛如蛋形一般的凸輪,凸輪軸主要被安裝在汽缸蓋的頂部。其主要的功用是為,用來驅動進氣汽門和排氣汽門,做一開啟與關閉的動作。凸輪軸運作時的狀況,在凸輪軸的一端一個傳動輪,以鏈條或皮帶與位在曲軸上的傳動輪連接在一起。再以鏈條傳動的系統中此傳動輪為一個齒輪,再以皮帶傳動的系統中此傳動輪為一具齒槽的皮帶輪。
一般雙頂置凸輪軸設計的引擎,其進氣系統和排氣系統的凸輪軸均會掛上一個傳動輪,由鏈條或是皮帶直接帶動凸輪軸的轉動。有些汽車引擎為了減少汽門夾角,而將凸輪軸的傳動方式改變成以鏈調傳動方式,以帶動進氣系統或是排氣系統的凸輪軸,再藉由安裝在進氣系統或排氣系統的凸輪軸上的齒輪以鏈條帶動另外一支凸輪軸。
目前市面上的車廠,凸輪軸的設計就以Toyota車廠獨特的TWIN CAM設計方式,最為奇特。TWIN CAM,是以鏈條或皮帶去帶動位在進氣系統或是排氣系統的凸輪軸上的傳動輪,之後再加以安裝在進氣系統和排氣系統的凸輪軸上的間隙齒輪機構,以帶動另外一支凸輪軸的轉動。
汽門主要是指,控制空氣進出汽缸的閥門。讓空氣或是混合氣體進入的閥門稱為進氣汽門;而讓燃燒後的廢氣排出的閥門則稱為排氣汽門。

如何延長汽車引擎使用時間

引擎是汽車的心臟,如何讓引擎青春永駐是汽車保養的關鍵所在。首先,要注意新車磨合使用期的保養,這是延長引擎使用壽命的基礎,另外還要小心引擎常見的毛病:
1.引擎磨損
一是冷啟動(即引擎停機6小時以上),在啟動的瞬間產生乾磨損,這時對汽車引擎的傷害是最大的。另一種情況就是引擎高速運轉產生高溫,機油相對變稀,此時汽車引擎處於半乾磨損狀態,這種情況也是不容忽視的現象。
2.虧機油現象
這種情況是由於燃燒室與氣缸之間有間隙,造成了機油竄入燃燒室引起。發現汽車引擎有吃機油現象的方法是,先看看排氣管是否冒藍煙,把手伸到排氣管處探一下後聞聞手指是否有機油味,如果有味道則證明汽車引擎裏有機油竄入燃燒室。
3.油封圈老化
油封圈老化,機油會被慢慢地滲漏掉,對輕微燒機油的現象,換機油時加入一
定量的修復劑就可以解決,但如果情況嚴重則需要拆卸汽車引擎 。
保養汽車引擎一定要定期更換機油、換三濾,另外要在平時勤觀察及檢查,發現故障及時排除,才能使汽車引擎始終保持在良好的技術運轉狀態,可依以下各點做觀察:
1.經常檢查緊固部位
柴油機或汽油機在使用過程中受震動衝擊和負荷不均等影響,螺栓、螺絲容易鬆動,還有各部位的調整螺栓都要仔細檢查,以免造成因鬆動而損壞零件。氣門間隙、配氣相位、供油提前角、噴油壓力以及點火正時等都應及時檢查、調整,以保證汽車引擎經常處於良好的技術狀態。這樣才能節省燃油,延長汽車引擎使用壽命。
2.保持油淨、水淨、氣淨和機體淨
燃油不純淨,會使精密配合機件磨損,配合間隙增大,造成漏油、滴油、供電壓力降低、間隙變大,甚至造成油路堵塞、抱軸燒瓦等嚴重故障;若空氣中含有大量塵土,將會加速缸套、活塞和活塞環的磨損;若冷卻水不純淨,會使冷卻系統水垢增加,妨礙汽車引擎散熱,潤滑條件變差,機件磨損嚴重;若機體外表不淨,會使機體受到腐蝕,縮短使用壽命。
3.保證油足、水足、空氣足
若汽油和空氣供應不及或中斷,就會出現發動困難、燃燒不良、功率下降、汽車引擎不能正常運轉等現象;若機油供應不足或中斷,也會使引擎潤滑不良、機件磨損嚴重,甚至出現燒瓦現象;而冷卻水不足時,則會使溫度過高,功率下降,磨損加劇,降低使用壽命。

汽車引擎的曲軸

汽車引擎的基本構造之中,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。
曲軸並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能夠轉為旋轉運動,曲軸必須要根據活塞的數目設計成一支曲折的軸,因而稱之為「曲軸」。曲軸的曲折處亦即偏心部分,與活塞連桿大端連結,又稱為曲柄臂。而曲軸的主軸承則在曲軸的旋轉中心軸處支撐著曲軸。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的質量中心能夠落在旋轉中心之上,以消除偏心運轉所帶來的震動。
曲軸的曲柄半徑是曲軸運作過程中一個重要的關卡,曲軸的曲柄半徑大小決定活塞在汽缸內上下運動的行程,曲柄的半徑越大的活塞衝程就越長。因此即使是同一家車廠所生產的引擎,也會有不同排氣量但同一系列的引擎產品,這樣的產品只要引擎的排氣量差別不大,在不更動引擎大部分設計且為節省成本的前提下,多會採用不同曲柄半徑的曲軸來改變排氣量。所以這只是活塞衝程改變,而導致排氣量有所不同,並非擴缸的說法。擴缸是指將汽缸的缸徑加大,因為缸徑若是加大,要更動的零件會遠較衝程加大者多出許多。
由於曲軸要承受活塞因爆炸所產生的強大力量,所以其材質必須相當堅固且耐久,因此曲軸通常都是鍛造成型的,其主軸承處內也鑲入了耐磨且精密的軸承片。整個曲軸及主軸承處都有許多供機油流入的油孔,好使機油能在整個曲軸上發揮潤滑與冷卻的功能。

汽車引擎測試的設備

汽車引擎想要量產並且販售前。都必須經歷一段時間的研發、設計,以及經過種種的測試。測試的主要目的,是對設計的驗證以及對引擎功能的確認。汽車引擎販售前的測試,是相當重要的一個環節,因為引擎的好壞會影響到汽車駕駛時的狀況。所以對於汽車引擎的測試,是絕對不容馬虎的。
引擎測試依測試設備可分為無點火測試、動力計測試兩種,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是模組功能作確認,無點火測試通常是整個引擎測室的初期測試。動力針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的測試實驗中,佔有極大的比重,無點火測試則次之。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程度,及法規認證測試。
引擎動力計最主要是用來測量引擎的扭力,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)。引擎動力計測量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)。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。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。
許多人對於動力計的印象僅止於底盤動力計,也就是俗稱的「馬力機」。然而要真正發明一具引擎,絕大多數的測試及調校都必需利用引擎動力計而非底盤動力計。

汽車進氣系統介紹

汽車引擎的動力主要是來自燃料的燃燒,而燃燒的過程之中,需要大量的空氣。所以,引擎的運作除了要能夠適切供給燃油外,還需要源源不斷的將空氣引入引擎之中,已完成燃燒的動作,並且產生動力。例如:一具2000c.c.的引擎在2000rpm運轉的情形下,理論上每秒鐘需要約30公升的空氣進入引擎當中。由此可知,進氣系統在引擎的運轉中,扮演著舉足輕重的角色,以下將概略介紹進氣系統中所有的裝置器具。
進氣口:
在引擎的進氣系統中,所有的運作都是從進氣口開始的,再經過空氣濾清器當節流閥(油門),並連接至進氣歧管將空氣導入到汽缸內,可知,進氣口是整個進氣系統的最前端,主要作用為導入新鮮且較低溫的空氣。自然進氣引擎是藉著活塞進氣所行成的真空將空氣吸入,而增壓引擎的空氣則是由增壓器的低壓端所產生的真空而吸入。
預清器:
包括集塵杯,或是預清濾網。可將空氣在到達空氣濾清器前,先將較大顆粒的雜質及灰塵濾除,以減輕空氣濾清氣的負擔。
空氣濾清器:
可將空氣中較細的雜質濾除,確保進入汽缸中的空氣絕對清潔。空氣濾清器又可分為:乾式空氣濾清器及油浴式(濕式)空氣濾清器兩種。
乾式空氣濾清器:
具有可換式的紙質過濾心子,空氣經由一進氣管進入濾清器中,進入的空氣會被迫流經心子上歪斜排列的鰭板,在此可使空氣產生漩渦,當空氣圍繞著心子旋轉時,由於離心力的作用,空氣中百分之九十的雜質可被分離,這些被分離後的雜質,經由檔板上的槽孔而集聚在集塵杯內。因此集塵杯應按時清潔,且每天應清潔卸塵器。
油浴式(濕式)空氣濾清器:
具有金屬質的濾清心子,其過濾方式係將進入的空氣經由中心管向下導通至油杯內,再反向流動,此時大部分的雜質被機油所捕集而沈積於油杯底部。未為機油所捕集的雜質則吸附在濾清心子上,再隨機油漸漸流回到油杯內沈澱。
進氣歧管:
位於汽缸蓋側面,有許多開口以將空氣傳送到各進汽門。各管路的接頭或接縫處應完全密封,以防未經過濾的空氣將雜質帶入汽缸內。

柴油引擎的歷史

在機械工程學的定義中,凡利用熱能而產生動力的機械,統稱為熱機(Heat Engine),而熱機又分為內燃機與外燃機兩大類。引擎是屬於內燃機的一種,燃料在熱機內部燃燒產生熱能,再將熱能轉變為機械動力者,例如汽油引擎、柴油引擎、燃器渦輪機等都是。在一般常見的引擎中,又分為利用點火器(如火星塞)點火的火花點火(SI)引擎,及利用高壓高溫空氣使燃料燃燒的壓縮點火(CI)引擎。汽油引擎屬於火花點火引擎,柴油引擎則屬壓縮點火引擎。
1876年時,德國人奧圖(Nikolaus Otto)發明了第一具四行程內燃引擎。當時許多工程師都致力於內燃機的發展,但是多以火花點火引擎為發展方向,如Mercedes-Benz的創辦人戴姆勒,正是將汽油引擎應用於車輛的始祖。但由於汽油在如此高溫高壓下,會產生猛烈的爆震,因此後來選定了當時不受重視的柴油。柴油因不易點燃不能作為火花點火引擎燃料,並且柴油點燃後會產生黑煙,也不能像煤油般作為照明燃料,所以在那時不受重視。但是柴油安定不易爆震的特性,正好可作為壓縮點使用。
第一具壓縮點火引擎於1892年問世,但由於當時柴油引擎在發展初期技術尚未成熟,儘管它有不錯的熱效率及省油性,在當時卻很難與技術以達成熟的汽油引擎相互競爭。直到美國Cummins公司在1924年時,將供油噴射泵應用於柴油引擎上,解決了以高壓空氣供油方式的不穩定運轉,並首度將柴油引擎裝於卡車上,奠定了車輛使用柴油引擎的基礎。1936年,柴油引擎也搭載於Mercedes-Benz 260D,這也是柴油引擎應用於轎車的濫觴。
雖然早期的柴油車因為噪音以及黑煙的排放,而多用於大型車輛及機具的使用上。但正因為柴油引擎的扭力大且省油的特性,使得在共軌直噴與可精確供油的壓電式噴嘴技術成熟後,柴油引擎變得更適合小行車使用。對於積極尋求替代能源的現今,柴油引擎雖不是終極的解答,但是柴油引擎的省油特性,可作為十分合適的過渡方案。

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