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1. 化油器歷史
       簡單來說,化油器是將空氣和燃料混和的裝置,燃燒主要由燃料和氧氣兩個部分,最早的功能性內燃機是使用易燃的氣體,例如氫氣與煤氣。在1795年 Robert Street 是第一個使用松節油和雜酚油來當蒸汽引擎燃料的人,而 Samuel Morey 在他的實驗中發現松節油與空氣混合時的氣體是具有爆炸性的,1825年 Samuel Morey 跟 Eskine Hazard 發明了雙缸的引擎並且設計出第一個化油器,這個發明讓他們取得英國專利號NO.5402,此引擎跟現代引擎一樣有兩個汽缸與一個化油器,但不同的是,汽缸產生的爆炸並沒有直接產生動力,爆炸期間只有將氣體從汽缸排出,再用水冷卻汽缸,冷卻的過程造成汽缸真空,再由大氣壓力來驅動活塞,造成當時引擎轉換的效率並不理想,所幸發現松節油當燃料的潛力,從此之後始混合系統基本都使用松節油或煤油來當作燃料。然而這種情況在1833年柏林大學的 Eilhardt Mitscherlich 教授使用熱裂解來分解苯甲酸,實驗生出的氣體我們稱為Faraday’s 烯烴氣體,而他將此氣體稱作苯,這也是汽油的前身。
 
(1) 未使用白努力效應
       William Barnett設計出第一個汽油化油器,這項發明讓他在1838年獲得專利號NO.7615,這專利擁有兩種早期內燃機的關鍵發明,一是利用動力壓縮的方式來混和空氣與燃料;二是利用點火裝置將汽缸中的油氣混合物點燃,這期間設計出的化油器主要分成兩種,一種為 wick carburetor,另一則是 surface carburetor,然而第一個用在汽車上的是 wick carburetor,這種化油器利用油燈原理吸取燃油,然後將燈芯暴露在發動機流動的空氣中,使空氣和燃料揮發氣體混合;相比之下 surface carburetors 使用引擎排出的氣體來加熱燃料,使燃油蒸氣正好在燃油表面上方,來達成空氣與燃料的混合。
 
  
圖:wick carburetor(左)和surface carburetor(右)
 
      1882年 Siegfried Marcus 在柏林申請了一項關於 brush carburetor 的專利,燃油與空氣透過快速旋轉的方式結合成油氣混合物,由驅動皮帶輪驅動圓刷,圓刷在刷動油槽內部的燃料形成霧化燃料,再將霧化的燃料排入引擎的通道入口做油氣供給。而 brush carburetor 的發明維持了將近11年的主導地位。
 
 
圖:brush carburetor
 
(2) 使用白努力效應
       Nikolaus August Otto自1860年就一直努力的尋找更好的引擎燃料,於1885年成功找出更好的碳氫燃料(酒精/汽油),後來研發出第一款採用四衝程原理的汽油引擎,配備一個surface carburetors 和 Nikolaus August Otto 自己設置的電子點火裝置,且在安特衛普世博會上獲得了最高的讚譽和深刻的認可。這種設計後來由 Deutz的Otto&Langen 公司長期大量銷售。
 
 
圖:surface carburetors搭配點火裝置
 
        同年,1885年 Carl Benz 安裝了一個 surface carburetor 在他設計的第一個“專利汽車”,這是第一款專為商業生產設計的汽油驅動車,裝載了954cc單缸四衝程引擎,此車型將燃油槽的燃料蒸發後再傳入氣缸中,將原先設計的化油器添加一顆浮球,以浮球的高度來決定燃油的進給,使的燃油可以自動保持在同一個高度,且在1879年除夕首次使用在引擎內運行。
 
  
圖:Benz Patent Motor Car: The first automobile (1885–1886)
 
1893年 Wilhelm Maybach 發表 jet-nozzle carburetor,這個化油器可以讓燃料從噴嘴噴到擋板表面上,讓燃料以錐形的型態分布。
 
 
圖:Wilhelm Maybach發明jet-nozzle carburetor
 
圖:jet-nozzle carburetor結構原理
 
 
       自1906-1907年以 Claudel carburetor 和 François Bavery 的化油器設計作為靈感,這兩者設計都對化油器的演化造成很大的影響,將兩者設計結合變為 ZENITH 化油器,其中包含兩個噴射器,一個用於濃縮混合物另一則用於稀釋。再將混合物以適當的比例來調整引擎的速度和負載。
 
   
圖:ZENITH化油器怠速、低速、高速狀態
 
 
       同一時期 Mennesson 和 Goudard 設計的化油器專利也因 SOLEX 品牌下變得世界聞名,之後又產生更多化油器的新設計。像是 SUM、CUDELL、FAVORIT、ESCOMA和格拉澤茲都小有名氣,而SOLEX化油器也被許多有名的汽車品牌使用,例如 Rolls-Royce Motors、Citroën、Volvo 跟 Volkswagen,除此之外像是 Porsche、 BMW、Alfa Romeo 和Mercedes Benz 也都有使用,Solex 化油器在許多歐洲汽車製造商廣泛使用並獲得了亞洲的 Mikun 認可。
 
 
圖:Solex DHR carburetor 
 
  
圖:Solex 35PAIA化油器
 
Haak carburetor於1906年獲得專利並由一家名為PALLAS公司製造,而Scüttler和Deutrich於1912年開發了PALLAS carburetor。它具有環形浮子和組合噴射。
 
 
       1914年皇家普魯士戰爭部隊贊助了一項苯酚(苯)化油器競賽,在那時得獎的條件中有一項是廢氣的產量,在擁有14個不同品牌的競爭產品中,最終是由ZENITH獲得的第一名,在比賽後,所有參賽的化油器都在夏洛滕堡技術大學的測試設施進行了檢查,並受到德國軍政府在冬季使用相同功率的汽車上行走800公里的測試。
 
      1920年為了獲得更大的動力,單和雙化油器被安裝在多種化油器系統中,為了達到不同的馬力供給來做調整,然而在改變化油器技術的同時,飛機的引擎技術也在進步,1930年發展出第一個汽油噴射引擎,這個引擎安裝2個12缸的燃料噴射泵。之後發現汽油直噴(GDI)與化油器差別,汽油直噴主要優點是可以提高燃油效率和高功率輸出,而且通過GDI系統更精確地控制排放燃油,精確控制根據發動機負載而變化的燃料和噴射正時量來實現所引用的增益,個項數據證明了氣油直噴優於化油器,這讓化油器漸漸的沒落,然而到20世紀80年代中期,環保意識的崛起,在汽車排放法的規定下,化油器的汽車就不再生產。之後化油器就慢慢的沒落。
 
 
 
2. 化油器結構
(1) 概述
       化油器是用來使汽油霧化,並與空氣混合成一定比例之混合汽以供給引擎運轉所需之燃料。汽油之霧化與噴霧器相似,圖如下所示,從A吹出的空氣流過B時,在B處產生真空(較大氣壓力低之壓力),C處之大氣壓力將水從B處壓出,與A之空氣混合成霧狀噴出。空氣之流動速度越快,真空越大,噴出之水量越多,如圖下為化油器之作用情形。
  
 
圖:噴霧器原理(左圖)與化油器原理(右圖)
 
       油嘴之出口處截面積較小稱為文氏管(Venturi Tube),此處空氣流速最快,壓力最低,稱為文氏管效應。如圖下,為文氏管之構造,因在同一時間內流過文氏管每一斷面的空氣體積相等,斷面積大處流速慢壓力高,斷面積小處流速快壓力低,即壓力降低之程度與空氣之流速的平方成正比,空氣的流速與文氏管直徑的平方成反比。
 
       化油器為能適應各種不同需要,設計有浮筒室油路(Float Chamber Circuit)、怠速油路(Idling Circuit)、主油路(Main Circuit)、強力油路(Power Circuit)、加速油路(Accelerating Circuit)、使動機構(Start Mechanism)等。
 
 
 
(2) 化油器的種類
化油器之種類甚多,幾乎各廠牌之化油器均有獨特之處,一般以文氏管構造、進器方式、文氏管數目及作用分為下列數種:
 
圖:化油器種類樹狀圖
 
       單以文氏管構造及可分為:固定喉管式及可變喉管式,固定喉管式如圖下,文氏管之斷面積不變,以文氏管處不同之真空度來控制器油的輸出量,大部分化油器屬於此種。可變喉管式如圖下,此類化油器之真空度幾乎不變,文氏管之斷面積及油嘴口徑可以變動,以配合進入不同空氣量來適應引擎需要。
 
 
圖:固定喉管式與可變喉管式
 
       化油器另以進氣方式分劃可分為:下吸式(Down Draft)、橫吸式(Horizontal Draft)及上吸式(Up Draft)。下吸式如圖下(1),為一般固定喉管式化油器使用最多之方式,空氣由上向下流動,將汽油吸入,構造較簡單、安裝容易,使用廣泛。橫吸式如圖下(2),為一般可變喉管式化油器使用最多之方式,空氣橫向流動,將汽油吸上。上吸式如圖下(3),空氣由下邊進入向上方流動,將汽油吸入,其優點為浮筒發生溢流時,汽油較不會大量進入汽缸。對於大多數的量產化油器引擎來說,化油器採橫吸式設計會比下吸式來的好,因為橫吸式能使混合油氣直接進入汽缸中燃燒,而不必像下吸式化油器放在汽缸上方,混合油氣在進氣歧管內必須先往下再轉向90度之後才能進入汽缸內,當然這是對一般的直列式引擎來說。如果是V型汽缸或者是水平對臥引擎,那就應該選擇下吸式化油器,因為這兩種引擎型式是需要安裝置頂的下吸式化油器,這樣油氣才是走最短最直接的路徑進入汽缸內。
 
 
圖:化油器進器方式
  
圖:直列式引擎與下吸、橫吸式化油器之組合
  
圖:V型引擎、水平對臥引擎與下吸式化油器之組合
 
 
 
(3) 固定喉管式化油器
       以單管式化油器做為探討要點,其構造如圖下,為適應引擎各種狀況需要有六個油路:浮筒室油路(Float Chamber Circuit)、怠速及低速油路(Idle and Low Speed Circuit)、主油路(Main Circuit)、加速油路(Accelerating Circuit)、強力油路(Power Circuit)及始動油路(Starting Circuit)。
 
圖:單管式化油器構造
 
       其中怠速及低速油路是供應引擎在怠速空轉及低速時所需之油汽,並與主油路配合,以供應從低速過渡到高速時所需之混合汽。高速時本油路停止供油。節氣門完全關閉時,即引擎怠速空轉時,汽油從浮筒室經低速油嘴至低速油道,與低速空氣嘴及低速噴油孔進入的空氣混合,從怠速噴油孔噴出,再與節氣門邊緣漏入的空氣再混合,成為較濃的混合汽進入汽缸中。
 
圖:怠速之狀態
 
       節氣門從完全關閉位置逐漸開大時,低速噴油孔亦開始噴油,如圖下,稍後主油路的主噴油嘴亦開始噴油,直至節氣門開至大約1/4位置以上,亦即主噴油嘴的噴油量可使引擎平穩運轉時,怠速及低速二噴油孔方才停止噴油。
 
圖:低速之狀態
 
      主油路則供給平時器車行駛時引擎中、高速所需之燃料,如下圖,包刮主油嘴(Main jet)、主空氣嘴(Main Air Bleed jet)、主噴油嘴(Main Nozzle)。節氣門打開相當角度以上時,空氣之流速增加,在文氏管喉部產生之真空逐漸增強。浮筒室內之汽油經主油嘴計量後,在主油道中與主空氣嘴進入之空氣先混合,再從主噴油嘴噴出。
 
圖:主油路之構造
 
 
(4) 可變喉管式化油器
       可變喉管式化油器,文氏管處之空氣速度幾乎保持一定,吸入空氣量隨真空及文氏管的開口面積而改變。此種化油器構造較簡單,過去僅Morris及Austin車廠使用SU型化油器,Triumph、Jaguar車廠使用思隆巴格(Stromberg)可變喉管式化油器,日本Honda各型車使用凱興(Keihin)可變喉管式化油器,Ford汽車公司於1977年以後,也有部分車型採用摩托克拉福(Motorcraft)VV型可變喉管式化油器。
       可變喉管式化油器係由下列各部分所組成:真空活塞、吸力室、浮筒油路、文氏管控制系統、主油路、啟動裝置、節氣門。主油路系統供給怠速、低速、高速、強力等油路之作用,因此構造較簡單。但目前有些化油器亦有低速、加速、強力等油路以提高引擎性能。如圖下為SU行可變喉管式化油器之構造,吸力室(Suction Chamber)中之真空活塞(Vacuum Piston)上下移動時,改變進入之空氣量,真空活塞底部相連之量油針亦隨活塞上下移動,改變燃料之噴出量。
 
圖:可變喉管化油器
 
       當引擎開始運轉時,汽缸內的活塞下行產生低壓(部分真空),因真空室與化油器喉管相通,故其壓力相同。大氣壓力將活塞上推,即真空室的「吸力」把活塞「吸」起,因此有更多的空氣能夠進入汽缸,活塞重量與彈簧彈力及真空吸力平衡時,活塞位置即保持不動。當節氣門打開,喉管處之真空增加,活塞即被大氣壓力壓向上,使更多的空氣能夠進入,於是真空度減少,活塞便下降少許,因活塞下降,阻礙空氣進入真空度又再增加,活塞又上升。如此真空吸力與活塞位置互相作用直到取得平衡,支撐活塞不使下墜為止。
 
圖:SU行可變喉管式化油器
 
       總之,節氣門在每一不同程度的開啟時,活塞即做不同程度的升降,以控制喉管的大小,但真空吸力始終與活塞重量及彈簧彈力取得平衡,而保持喉管處之真空度一定。故我們稱這種化油器為「固定真空式」化油器。如圖上所示,為SU型可變喉管式化油器在各種不同情況下之作用。
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曾教授與古董保時捷

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