Facebook 登入


  • 廣告版位

    網頁測邊

汽油引擎和柴油引擎差別在哪?

永動機無法成功是不爭的事實。但只要外加能量不斷,機構設計恰當,也可有「持續動力」驅動汽車。要產生瞬間爆發力,壓縮、受熱及膨脹是必備要素,因此汽缸內會設計四個行程為工作循環,即進氣、壓縮、動力及排氣。引擎的工作循環圖是前人不斷累積實驗的成敗才得出的結果,依汽油引擎和柴油引擎分出Otto Cycle和Diesel Cycle熱力循環,那如何以循環圖來詮釋引擎的四行程呢?

柴油引擎的四行程,霧化的柴油吸收高熱的空氣後不靠火星塞就能自燃。氣體邊燃燒邊推動活塞的瞬間,壓縮壓力接近等壓,氣體膨脹到一定的壓力後就往下掉,因此柴油引擎的抗壓性要很強。

等容循環(Otto Cycle)

1.進氣: O→A。混合氣從進氣門進入,使活塞從O點往A點膨脹,缸內容積增加但始終保持大氣壓力P1,不會產生動力。

2.壓縮: A→B。活塞將混合氣從A點往上B點壓,這時壓力開始上升到P2,溫度同步提高,為產生動力做好準備。

3.動力:B→C→D。活塞到B點瞬間,混合氣被點爆迅速燃燒,但活塞還沒往下且加壓到燃燒壓力C點為P3,再立即往下到D點,壓力也隨之下滑。

4.排氣:D→A→O。排氣門在D點打開,壓力馬上掉回接近大氣壓力,活塞在A點開始上行把廢氣往O點排外。

 

等壓循環(Diesel Cycle)

1.進氣: O→A。過程跟汽油引擎一樣,不同的是柴油引擎先將空氣打進缸內。

2.壓縮: A→B。活塞把新鮮空氣壓縮至B點,這時候的壓縮壓力為P2。

3.動力:B→C→D。活塞到B點時,柴油噴入缸內跟高壓高熱的空氣混合後自燃,氣體邊燃燒邊推動活塞直到C點結束,隨後壓力下降,活塞下移到D點排氣門才打開。

4.排氣:D→A→O。如同汽油引擎,排氣門打開後壓力也掉回接近大氣壓力並將廢氣排外。

讓引擎呼吸的重重機關

要進氣排氣得有氣門,那進排氣口的門怎麼開?其實很簡單,一個剖面蛋形的凸輪,一個氣門桿,桿內套彈簧,稱為氣門彈簧,以保持氣門處於關閉狀態,統稱「氣門系統」。凸輪能讓氣門桿開啟必然少不了運動形式的轉換,而它的迴轉中心點到外緣間的距離不相等,便是開門的重點,還是很難理解?簡單的說凸輪銜接氣門桿後端,當它迴轉至凸出部分壓迫氣門桿後端時,氣門就開啟。因此,凸輪直接壓迫氣門桿的方式稱「直動式」,也有透過槓桿原理壓迫氣門方式的稱「搖臂式」。凸輪受力面積大,剛性要足之外,曲面的設計也是工程師早期主要研究的項目,這關乎馬力的大小。

左起SOHC的凸輪要用搖臂同時控制進排氣門桿,是無法應付太多氣門的原因; 右邊的DOHC採用分工制,讓凸輪的負荷減少很多,直接推氣門桿使引擎轉速可以提高不少,也是引擎的現今主流。

汽缸蓋有OHV(Over Head Valve)和OHC(Over Head Camshaft)兩種氣門系統。OHV的氣門位於汽缸蓋上頭,凸輪軸設計在引擎本體側邊,藉由凸輪推動推桿,搖臂就開啟氣門。而OHC因凸輪軸位於上位而得名,經皮帶或鏈條帶動齒輪。其中一支凸輪軸的稱為單頂凸輪軸SOHC(Single Over Head Camshaft),兩支凸輪軸的稱為雙頂凸輪軸DOHC(Double Over Head Camshaft),也是我們常聽到的單凸/雙凸引擎。

早期的汽車引擎都使用OHV,但零件繁多,傳遞力量不直接,難以在高轉速時精準的控制氣門,動能損失比較大,不適合高轉速引擎。

單凸引擎利用搖臂驅動氣門桿,但搖臂在高轉速時易受慣性力影響而運作不帶動順,加上氣門開啟的角度小影響進排氣,火星塞必須設計成傾斜式。而雙凸引擎則用直動汽門桿,簡單的機構讓進排氣效率較高,火星塞呈垂直形式,有助於快速燃燒。至於哪個好呢?得看車廠想設計怎樣的車子。單凸引擎小適合安裝在引擎室不大的小車,但轉速通常不高,適合設計小排氣量引擎,也較省油。而雙凸分別控制進排氣,能應付多氣門排氣量大的引擎,廣大被可變氣門正時的機構(如本田的VTEC/i-VTEC)採用。

為什麼機械都以旋轉出力?引擎沒有飛輪會怎樣?

能將活塞的往復運動轉換成迴轉運動,曲軸機構絕對是幕後推手。雖然活塞執行的往復運動能產生很大推力,但輪胎畢竟是滾動行駛,動力要傳到輪胎的過程必須全部轉成迴轉運動才行。很多運動方式的巧妙轉換在機械裡頭很常見。以單車的腳踏板為例,腳往下踩的時候,可看成活塞連桿作直線運動,迫使鏈輪齒作旋轉。腳踏板降到最低點時,另一隻腳往下踩並牽引最低點上去,連續重複動作使鏈輪齒不斷旋轉,如同曲軸機構一直翻轉運動形式。

當轉速3400rpm時,曲軸沒有飛輪的話扭力波動非常大,會使輪胎無法順利滾動,車子一快一慢的前進。有飛輪助陣,同樣在3400rpm扭力曲線的擺動幅度小很多,至少不會掉入負值。

單汽缸就可以構成引擎,若要組多汽缸的話曲軸必須加長,所帶來的物理問題也令人煩惱。想像一下,四缸引擎運作時,四組活塞持續對曲軸施的平均扭轉力差不多400kg,接近六個70kg的成年男性不斷的在橫梁上跳,負擔極大。因此曲軸銷會裝置配重來取得平衡。若從最外緣的活塞動力行程依序進入會扭曲曲軸,在曲軸設計上盡可能分散動力行程的順序,確保曲軸受力平均,故活塞作動順序被稱『點火順序』。不過,曲軸每一次的迴轉,每個汽缸的迴轉速度會有落差,迴轉就會不順暢。所以曲軸旁得加裝一個金屬圓盤的飛輪,利用其迴轉產生的慣性力去抑制汽缸的迴轉速度,讓引擎轉速較為平順,車子才能走得很順!