第一章：引擎工作原理 @ 曾教授與古董保時捷

汽車學教室的內容為曾教授在大學中汽車學所用的教材

Chapter 1 引擎工作原理介紹

1.1 引擎發展的背景與歷史

1.2 引擎運動學

1.1 引擎發展的背景與歷史

1)引述

何謂「熱機」：將燃料燃燒產生之熱能轉換成機械能，使機械產生往復運動或迴轉運動以做功的裝置稱為「熱機」(Heat Engine) ，又依燃燒的方法可以分為內燃機和外燃機兩大類。

1.活塞(piston)：which receives the gas pressure.

2.汽缸(cylinder)：in which the piston moves to and fro.

3.連桿(connecting rod)：that transmits force from the piston to the crank.

4.曲軸(crank)：that converts the reciprocating movement of the piston into rotary movement.

5.飛輪(flywheel)：that rotates and stores ener drive the piston when gas force is not acting on it.

2)內燃機外燃機的定義與分類

1.內燃機與外燃機的分類

2.內燃機( Internal Combustion Engine )定義

燃料在熱機內部燃燒，而將其燃燒所爆發的力量直接轉變為機械能的機器，稱之為內燃機，現可再分為往復式(Reciprocating)及迴轉式(Rotary)兩種

汽油引擎、柴油引擎等皆屬於往復活塞式內燃機。如圖1

而在引擎中屬於異類的萬克爾(Wankel)引擎，也就是俗稱的轉子引擎是屬於迴轉式內燃機，如圖2

代表車款，MazdaRX-8，因油耗及環保問題已瀕臨停產

3.外燃機(External Combustion Engine)定義

燃料在熱機外部燃燒，而將其水變為蒸氣後，再將蒸氣導入熱機內部，或加熱工作氣體進而利用工作氣體(如氦氣)的熱脹冷縮，以推動熱機而產生機械能的機器，稱之為外燃機。如圖4

外燃機始祖，西元1769年法國人發明，時速可達 8km/hr

3)汽車引擎發展的過程與年度大紀事

1.西元1794年，史屈特氏(Robert Street)利用一個倒置汽缸及一個可活動的活塞，滴數滴松節油酒精於汽缸底部使之汽化，再投火焰使其爆炸，其製造雖為粗糙，但卻是內燃機的鼻祖。

2.西元1862年，洛卻氏(Beau De Roches)提出要獲得最佳效果，宜用洛氏四行程循環原理，其也是四行程理論首創。

3.西元1876年，德國人奧圖氏(Nicolaus Otto )，提出奧圖循環(Otto cycle)

在熱力學中又稱為等容積循環，如圖7

4.西元1880年，克拉克氏(Clerk)發明一種二行程循環之引擎，是將四行程循環所含的動作於二行程中完成。

5.西元1895年，狄賽爾氏(Rudolf Diesel)發明了柴油機，其最顯著的特點是只壓縮空氣，使其溫度上升，燃料噴入後就能自行燃燒，不須點火。

著名的狄賽爾循環(Diesel cycle)，在燃燒爆炸的動力行程當中，是以等壓力的狀態下進行的，在熱力學上又稱為等壓力循環，如圖8

6.西元1926年，萬克爾氏(Felix Wankel)從事迴轉活塞式引擎的研究，經過不斷改良後成功，之後世界各車廠均向德國購買專利。

以下是近代促使引擎性能提升的一些重要發明：

1893年，德國人波細(Bosch)發名磁電機點火裝置

1898年，美國人發明火星塞

1928年，美國人發明汽油泵

1931年，美國人發明下吸式化油器

1956年，美國人本狄士(Bendix)首先發明電子控制汽油噴射器

1961年，美國人開始採用交流發電機

1963年，美國人開始採用半晶體點火系統

1965年，美國福特(Ford)即通用汽車公司開始採用全晶體點火系統

1967年，美國通用公司開始採用積體式(IC)調整器

1968年，德國波細(Bosch)完成電晶體控制器由噴射器

1973年，美國通用公司發表中央電腦控制汽車計畫

1975年，美國克萊斯勒公司推出電子計算機控制之電子稀薄燃燒系統(ELB)，使引擎控制進入電腦化

1978年，美國克萊斯勒公司回饋控制電器機械式化器

4)「馬力」與瓦特(James Watt)的故事及由來

提到「馬力」這個詞就不能不提到英國18世紀偉大的科學家瓦特(Watt)

瓦特長期的觀察，一匹馬在一分鐘之內大約可把220磅的煤拉高100英呎的高度，用國中物理課本中「功」的概念 (功=力*位移)來描述，就是一匹馬在一分鐘之內可以作22000呎磅(foot-pounds)的功。後他認為馬在拉煤礦的時候多有點不甘不願，於是他自己又把馬力數字提高了50%，

訂定“馬力”為：一匹馬在一分鐘之內可以作33000呎磅(foot-pounds)的功。

1.2 引擎運動學

1)活塞運動的相關名詞與解釋

a)上死點(Top Dead Center，簡寫T.D.C)

為活塞上行至最高之點，此時活塞之瞬間速度為零，慣性變化也最大，且此時在汽缸內的容積為最小，也為運動方向的改變點。

b)下死點(Top Dead Center，簡寫B.D.C)

當活塞下行至最低之點，此時活塞之瞬間速度為零，慣性變化也最大，且此時在汽缸內的容積為最大，亦為運動向的改變點。

c)行程(Stroke)

又稱“衝程”為活塞在上死點和下死點間之距離，即為活塞位移距離。當連桿中心線與曲軸臂中心線呈直角時，活塞位移速度最大，亦即活塞移經上死點與下死點之中點時速度最大。

d) 活塞位移容積(Piston Displacement Volume，簡寫P.D.V)上死點和下死點之間的容積，其值等於汽缸面積(活塞面積)和行程長度之乘積，俗稱排氣量(C.C or CM3 )。

整具引擎的排氣量：即單缸排氣量乘以引擎之數。(P.D.C × n)。

e) 燃燒室容積(Combustion Chamber Volume，簡寫C.C.V)

活塞在上死點時，活塞頂面上端的汽缸容積又稱汽缸頂部空隙，餘隙容積，汽油引擎燃燒室容積大約為活塞位移容積的10~15%。

f) 汽缸容積(Total Cylinder Volume，簡寫T.C.V)

活塞在下死點時，活塞頂面上端之汽缸總容積，等於活塞位移容積與燃燒室容積之和，(C.C.V＋P.D.V＝T.C.V)。

例：以Toyota Altis 1.8L 4缸的引擎例

缸徑：79.0mm，衝程：91.5mm

所以可算得汽缸排氣量約為：448.5 C.C　　　

故整具引擎的排氣量＝汽缸排氣量×汽缸數量

＝448.5 C.C×4

＝1794C.C

壓縮比(Compression Ratio，簡寫C.R)

就是引擎內混合氣體被壓縮的程度。用壓縮前的汽缸總容積和壓縮後的汽缸容積之比來表示。壓縮比和引擎性能有很大的關係，壓縮比越高，則引擎動力越大，一般來說，壓縮比高於10的車款通常為高性能車款。

壓縮比定義

其定義為汽缸最大容積(活塞行經下死點時)與汽缸最小容積(燃燒室容積)的比值

(1)C.R=(C.C.V+P.D.V)/C.C.V

(2)C.C.V=P.D.V/(C.R-1)

(3) 壓縮比無單位。汽油引擎壓縮比約為6~11：1，柴油引擎約為15~23：1。

例：Toyota Altis 1.8L 引擎的壓縮比為10：1，其計算方式如下

汽缸排氣量：448.5 C.C，燃燒室容積：49.83 C.C

所以壓縮比為 (49.83+448.5):49.83≒10:1

2)四行程引擎 V.S 二行程引擎

四行程引擎工作流程

四行程的引擎，何謂“四行程”？最簡單的解釋就是活塞兩上兩下，亦即曲軸旋轉720°即可完成一次動力輸出的引擎就是四行程引擎。

a)進汽行程

活塞在汽缸內自上死點向下行移動至下死點時，將新鮮的空氣和汽油的混合氣吸入氣缸之內，如圖47

b)壓縮行程

進氣門和排氣門都關閉，活塞由下死點上行移動至上死點，將氣缸中的混合氣壓縮，壓縮主要是為了提高混合氣溫度(氣體在壓縮後有溫度上升的特性)，從而利於混合氣的燃燒。如圖48

c)動力行程

此時進氣門和排氣門都關閉，火星塞適時發出高壓電火花，將溫度很高的混合氣點燃，使其燃燒爆炸產生巨大的壓力，將活塞從上死點推至下死點，進而推動曲軸做功產生動力。

d)排氣行程

活塞自下死點上行移動至上死點時，此時進氣門關閉，排氣門開啟，氣缸中已燃燒過的廢氣由活塞向上移動時經排氣門排放至大氣之中。

二行程引擎工作流程

二行程引擎，何謂“二行程”？在上一節有提到過四行程的引擎，而二行程即是活塞移動兩個行程(一上一下)，也就是曲軸旋轉360°就可以完成進氣、壓縮、動力、排氣四個工作型態，完成一次循環，產生一次引擎動力，即稱為二行程引擎。

二行程汽缸內部結構

b)工作流程

因為結構的特殊，所以活塞所配合的行程，其運動方向與順序皆會與四行程相異，以下圖52至圖57為二行程引擎的完整動力循環流程圖。

其形態如四行程引擎，一樣可分為進氣形態、壓縮型態、動力型態、排氣型態。

Step 1.

Step 2.

Step 3.

Step 4.

Step 5.

Step 6.

c)四行程與二行程引擎的綜合總結

四行程引擎與二行程引擎的比較

項目	四行程汽油引擎	二行程汽油引擎
1. 結構	構造複雜，價格較高。	構造簡單、價格便宜。
2. 體型	體積大，重量較重(單位馬力之重量大)。	重量較輕，體積較小。
3. 運轉平穩	每四行程產生一次動力，動力不均，運轉不平穩，需多缸方可抵消。	動力次數多，引擎運轉平穩，馬力約為同排氣量四行程引擎的1.4倍~1.7倍。
4. 耗油情況	較省油。	耗油率大(跟喝水一樣)。
5. 進汽狀況及容積效率	進氣充分，廢氣排除乾淨，容積效率高。	進氣不充分，廢氣排除不乾淨，容積效率較低。
6. 潤滑狀況	潤滑作用良好，曲軸箱潤滑可由機油直接來完成。	潤滑困難，曲軸箱潤滑需靠燃料混入機油來完成。
7. 平均有效壓力	較高。	較低，因燃料混入機油，使辛烷值降低，故引擎之壓縮比不能提高。
8. 最高轉速	各行程作用完全、確實，由低速至高速之速度變化範圍較大。	較低，因容積效率較低，故引擎負荷運轉之耐久性也較小。
9. 汽缸狀況	汽缸結構上無進、排氣口，不易變形，且製造較容易。	因進排氣口溫度不均，易使汽缸變形，且大汽缸口徑製造困難，故無法用於大馬力引擎。
10. 起動難易	起動較容易。	因燃料中加入機油，汽油點燃不易，使得起動較困難。
11. 排氣	排氣聲較小，燃燒較完全，汙染較小。	排氣聲音大，未燃燒氣體較多，汙染嚴重。
12. 使用狀況	適合一般小型大馬力車輛。	適合小型小馬力車輛。