Porsche 996 (4)：進氣與排氣系統 @ 曾教授與古董保時捷

一、何謂進氣系統？

進氣系統示意圖

我們都知道，汽車需要引擎發動，引擎的動力則來自燃油，而燃燒需要大量的空氣，是故，其實引擎不僅需要燃油，更需要源源不斷的將空氣進入汽缸，方可完成燃燒產生動力。舉例而言，一具2000c.c.引擎於2000rpm運轉，每秒鐘需要30公升的空氣進入引擎，從上述可以得知，進氣系統在引擎運轉中，扮演著舉足輕重的角色。

進氣系統平面圖

保時捷進氣系統平面圖

上圖皆為進氣系統示意圖，通常進氣系統與供油系統都在引擎發動時一齊運作，而在此我們單純探討只進氣系統，其運作大致分為下列幾個步驟：

一、新鮮的空氣從進氣口導入空氣清淨器。

二、空氣濾淨器會將空氣裡的塵埃與雜質進行過濾，避免過於空氣品質過於混濁傷害引擎。

三、過濾後從空氣濾淨器匯出，經過空氣流量計，流量計就可以精準掌握經過導管的實質空氣流量多寡並匯送資訊給ECU以供後續步驟。

四、接著將抵達節氣門，當駕駛踏下油門踏板，油門拉線便會拉動節氣門彈簧，使閥門打開讓空氣從主進氣道進入引擎中。(＊引擎ECU會在冷車、開關冷氣、空檔與D檔變換等時機，控制怠速馬達調整引擎怠速的進氣量。)

五、這時引擎已經處於進氣行程，而活塞的往下運動使匯汽缸產生真空狀態(壓力變小)，與外界產生壓力差，空氣便能進入汽缸內。

六、分別利用進氣歧管導入汽缸內進行點火。

二、進氣系統車體位置圖

三、進氣系統零件介紹

1.進氣口(Intake port)

汽車的動力來源於使用燃料和空氣中氧氣的燃燒過程。因此每輛車都有進氣系統，它與汽車發動機連接，並將外部空氣吸入發動機以完成燃燒過程。汽車進氣系統的位置取決於汽車發動機和驅動配置。

保時捷996系列屬於「後置引擎後輪驅動（RR）」－代表引擎位於汽車後部。由於引擎在汽車的後面，進氣口除卻車前，也會置於汽車的兩側，下圖我們可以看到側門後面會有一個導入孔，通常兩邊都有。

2.空氣濾淨器(Air Filter / Cleaner)

保時捷_996系列GT2車款空氣濾淨器

圖為Porsche_996的空氣濾淨器，顧名思義，其最大的功用就是用於避免空氣中的汙染物進入引擎，由於生活中行車進氣的空氣多含雜質，這容易致使汽缸燃燒不完全以及氣管阻塞，以上都將致使零件受到破壞。

空氣濾淨後的結果

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。使用一陣子後，棉紙時常會沾上灰塵導致空氣流動影響。一般來說，車輛行駛3000至5000公里最好就要拆下濾淨器將灰塵抖落，更甚至用高壓空氣清理灰塵，但若是濾紙太髒就必須更換。

3.空氣流量計（mass air flow sensor, MAF）

保時捷996使用之空氣流量計

在1981年之前，保時捷的空氣流量計都使用翼板式，直到LH-jetronic被研發之後，熱線式空氣流量計便開始取代翼板式空氣流量計。熱線式比起翼板式能有更好的表現，可以直接檢測空氣流量，而且進氣阻力小，反應速度也快上許多。

空氣流量計內部圖

熱線式空氣流量計的種類又可分為二種，第一者為主流計測式，這設計被現今大多數引擎所採用；而另一種則為分流計測式 ( 於管壁上旁接通路分流，進行計測 ) ，通常用於較大排氣量的引擎。而作用方式是在流量計內設有入口溫度感知器 ( 冷線溫度 ) 、一條 70μm 的細白金線 ( 熱線溫度 ) 及轉換器等。

作用原理：保持吸入空氣溫度 ( 冷線 ) 與細白金線 ( 熱線 ) 間的溫度差相同，具有電流放大作用的控制電路Ａ會把電流控制在50mA~120mA以保持溫差相同。

1. 當進氣少時，通往熱線的電流亦較小。
2. 而在高速運轉時，通過熱線的電流則較大。
3. 經由轉換器將電流改變量轉換成電壓差，送入電腦，讓電腦得知此時的進氣量為多少。

4.節氣門(Throttle Body)

運作原理：

1. 當駕駛者未踩下油門時，節氣門處於關閉狀態，大部分的空氣被排除在閥門外。
2. 而當駕駛踏下油門踏板時，油門拉線便會拉動節氣門彈簧，使閥門打開讓空氣從主進氣道進入引擎中。

3. 節氣門內設有一個節氣門感知器，其會把節氣門的開度轉成電子訊號，使得引擎監理系統(ECU)能依據此來控制燃油噴量。

節氣門位置感知器的基本原理： TPS就是一個旋轉式可變電阻(有一些型式還會加上一組怠速白金)，當轉動它時1-2端2-3端的電阻值會改變，電壓值亦會改變，故可藉由此電壓值來反映節氣門位置。

將節氣門轉軸的一端接上TPS，當節氣門轉動時，TPS亦跟著轉動，藉由改變的電壓值回傳給ECM，用以判斷節氣門位置。節氣門位置感知器的電路圖與波型如上圖。

5.進氣歧管(Intake manifold)

Porsche_996進氣圖

進氣歧管位於節氣門與引擎進氣門之間，之所以稱為「歧管」，是因為空氣進入節氣門後，經過歧管緩衝統後，空氣流道就在此「分歧」了。為了對應引擎汽缸的數量，四缸引擎就有四道歧管、五缸引擎則有五道歧管。歧管會將空氣分別導入各汽缸中。

車款GT2的進氣方向

以自然進氣引擎來說，由於進氣歧管位於節氣門之後，所以當引擎油門開度小時，汽缸內無法吸到足量的空氣，就會造成歧管真空度高；而當引擎油門開度大時，進氣歧管內的真空度就會變小。因此，噴射供油引擎都會在進氣歧管上裝設一個壓力計，供給ECU判定引擎負荷，而給予適量的噴油。

6.進氣(歧管）壓力感知器(Pressure Sensor)

Porsche_996壓力感知器

歧管壓力感知器的基本原理是利用一片外表正方形且外緣厚中間薄的矽晶片薄膜的壓感型電阻器所阻成，這些電阻器會再組成惠斯敦電橋，我們就以此來感測歧管真空度(即負壓力)。

壓力感知器的內部

運作原理：

1. 當歧管壓力低時(即真空度大)，矽晶片會被吸得平直。這時壓感電阻器中的R1、R2、R3、R4電阻值均相同，A、B兩點電壓值均為2.5V，經由放大器輸出到ECM的訊號則為0V。
2. 當歧管壓力高時(即真空度小)，矽晶片會產生彈回彎曲。此時壓感電阻器中的R1、R3電阻值會升高，而R2、R4電阻值會降低，這會讓電橋失去平衡，最後A、B兩點的電壓差值經放大器將電壓訊號傳送給ECM，就可以用以反推歧管的真空度。

3. 而當電阻值降低，電子電路就會偵測到電阻值的改變而增加供應電流，使鉑線保持在攝氏120度的工作溫度，最後將供應電流轉換成電壓訊號傳送給ECM，藉以反推當時的空氣進氣質量。

四、何謂排氣系統？

排氣系統示意圖

當保時捷引擎完成進氣、點火、爆破後，就會進到引擎行程最後一個階段，意即「排氣」。此處所談的排氣系統乃泛指收集並排放廢氣的系統，保時捷911系列的排氣系統一般會由排氣歧管、含氧感知器、觸媒轉化器、消音器和排氣篩管所組成。上述主要是用來排放引擎發動機作用後所產生的廢氣，並於排出過程讓污染與噪音減少。

排氣系統概念圖

上圖皆為排氣系統示意圖，排氣系統的運作通常為引擎運作的結尾，它的運作與供油、進氣屬於同一進程，但系統各自獨立。而在此我們將分析排氣系統，其運作大致分為下列幾個步驟：

一、引擎結束爆破後，將產生的廢氣排入排氣歧管內。

二、廢氣自排氣歧管排出後，順著排氣管的頭段進入觸媒轉化器前將流經含氧感知器，它會把廢棄的含氧量詳細傳回ECU內，避免含氧量過少傷害觸媒轉化器。

三、接著，就會進入觸媒轉化器內進行轉化。催化轉換器將利用催化劑的作用將排氣中的CO、HC和NOx轉換為對人體無害的氣體。

四、由於高速氣流的廢氣衝擊會產生音波，造成環境的噪音，因此利用消音器的交錯隔板與不同氣室，讓氣體音波撞擊，藉由反射波的方式來減低音量。

五、經過完整處理後就經由排氣管排放。

進氣、排氣系統整合圖

五、排氣系統車體位置圖

六、排氣系統零件介紹

1.排氣歧管(exhaust manifold)

保時捷_996之排氣歧管

隨著進氣系統宇供油系統提供了新鮮空氣與汽油混合並進入引擎點燃後，這些將產生高溫高壓的氣體去推動活塞。而隨著氣體的能量耗盡後，這些氣體就失去了對引擎的價值，成為廢氣，需要被排放出引擎。

保時捷_996、993之GT系列排氣系統

廢氣從汽缸排出即馬上進入排氣歧管，歧管會將每個汽缸的廢氣匯集，再總和經過一排氣管將廢氣排出。而排氣歧管的設計就如同進氣歧管一般，氣體在排氣歧管內將以脈衝的方式離開引擎，所以歧管的長度及彎度盡可能要設計成相同，以確保各缸的排氣都能同等順暢。

2.含氧感知器(Oxygen Sensor)

經過了排氣頭段後，氣流會流向觸媒觸媒轉換器，但在那之前會先遇到一個很重要的感知器，那就是含氧感知器，下圖為函氧感知器之外關構造。

996系列使用之030906265BH-含氧感支器

含氧感知器對於觸媒轉化器非常重要，因為它的作用就是為了保護觸媒，所以我們會在觸媒轉換器前面放置一個感測器用來測量氧氣濃度，而通常轉化後也會放置一感知器來確認轉化器是否故障。
由於觸媒非常脆弱的，給太多氧會燒壞，氧氣不夠又無法中和所有有毒廢氣。因此含氧感應器會告知引擎電腦尾氣中有多少氧氣，引擎電腦可調整空燃比來增加（以免氧氣用完）或減少（避免燒壞觸媒）尾氣中的氧氣量。

含氧感知器訊號

含氧感知器測量的方法是利用加熱線路及PCM去參考是否有短路之情形，經過觸媒前的感知器會產生一電位的變化及頻率圖。若是切換頻率的話，車內電腦PCM就會檢查固定時間內，感知器信號電壓跨越中點(0.45V)的次數是否與電腦內定值相同。同時，電腦也會測試轉濃或轉稀的時間是否與電腦數值相同。如果上述兩者測試皆未過，故障燈就會亮起。

3.觸媒轉化器(Catalytic converter)

996系列之Cerrera車款的觸媒轉化器

汽油屬於碳氫化合物，碳及氫燃燒後理應產生二氧化碳 (CO2)及水 (H2O)，但由於燃燒未必完全，將產生少許機油被排放出來，產生了HC (碳氫化合物) 及CO (一氧化碳)。再者，空氣含有百分之八十的氮氣 (N2)，一經過高溫燃燒，很穩定的氮氣會與氧產生化合，產生NO及NO2，在此一併統稱NOx。HC、CO及NOx都會造成環境污染且對人體有害，所以世界各國都會制訂環保法規，針對車輛排污加以限制。

如今，無論怠速、加速、低速行駛、高速行駛或減速，都必須符合排污標準，否則我們將面臨開罰的風險，而車輛在面對這麼嚴苛的限制，必須仰賴觸媒轉換器來替我們逃避罰單了。觸媒轉換器通常以貴重金屬為原料，有氧化型觸媒、還原型觸媒及目前絕大多數車輛採用的三元觸媒轉換器。

HC和CO都是因為燃燒不完全所產生的，要消除就必須再度產生燃燒，意即產生氧化，所以這是氧化型觸媒的任務。而NOx的生成則是因為氮被氧化所致，所以必須還原型觸媒來將NOx還原氮氣。目前保時捷採用的三元觸媒轉換器則是讓HC和CO的氧化及NOx的還原都發生在同一觸媒中。而「觸媒」本身並不參與氧化或還原的化學反應，只是催化劑。

4.消音器(Muffler)