汽车基本结构与基础知识

汽车基本结构与基础知识引擎基本构造：缸径冲程排气量与压缩比引擎是由凸轮轴、汽门、汽缸盖、汽缸本体、活塞、活塞连杆、曲轴、飞轮、油底壳…等主要组件，以及进气、排气、点火、润滑、冷却…等系统所组合而成。以下将各位介绍在汽车型录的「引擎规格」中常见的缸径、冲程、排气量、压缩比、SOHC、DOHC等名词。缸径：汽缸本体上用来让活塞做运动的圆筒空间的直径。冲程：活塞在汽缸本体内运动时的起点与终点的距离。一般将活塞在最靠近汽门时的位置定为起点，此点称为「上死点上而将远离汽门时的位置称为「下死点」。排气量：将汽缸的面积乘以冲程，即可得到汽缸排气量。将汽缸排气量乘以汽缸数量，即可得到引擎排气量。以Altis1.8L车型的4汽缸引擎为例：缸径：79.0mm，冲程：91.5mm，汽缸排气量：448.5c.c.引擎排气量=汽缸排气量X汽缸数量=448.5c.c.X4=1,794c.c.压缩比：最大汽缸容积与最小汽缸容积的比率。最小汽缸容积即活塞在上死点位置时的汽缸容积，也称为燃烧室容积。最大汽缸容积即燃烧室容积加上汽缸排气量，也就是活塞位在下死点位置时的汽缸容积。Altis1.8L引擎的压缩比为10：1，其计算方式如下：汽缸排气量：448.5c.c.，燃烧室容积：49.83c.c.压缩比=(49.84+448.5)：49.84=9.998：1=10：1引擎基本构造—SOHC单凸轮轴引擎引擎的凸轮轴装置在汽缸盖顶部，而且只有单一支凸轮轴，一般简称为OHC(顶置凸轮轴，OverHeadCamShaft)。凸轮轴透过摇臂驱动汽门做开启和关闭的动作。在每汽缸二汽门的引擎上还有一种无摇臂的设计方式，此方式是将进汽门和排汽门排在一直在线，让凸轮轴直接驱动汽门做开闭的动作。有VVL装置的引擎则会透过一组摇臂机构去驱动汽门做开闭的动作。引擎基本构造—DOHC双凸轮轴引擎此种引擎在汽缸盖顶部装置二支凸轮轴，由凸轮轴直接驱动汽门做开启和关闭的动作。仅有少数引擎是设计成透过摇臂去驱动汽门做开闭的动作。有VVL装置的引擎则会透过一组摇臂机构去驱动汽门做开闭的动作。DOHC较SOHC的设计来得优秀的主要原因有二。一是凸轮轴驱动汽门的直接性，使汽门有较佳的开闭过程，而提升汽缸在进气和排气时的效率。另一则是火星塞可以装置在汽缸盖中间的区域，使混合气在汽缸内部可以获得更好更平均的燃烧。DOHC的迷思早期强调高性能的引擎多会采DOHC设计，因为DOHC的设计在高速运转时仍有相当高的精确性，使得引擎能在高转速输出较大的功率。近来各家车厂在车辆的性能数据上竞争，使一般家庭房车的引擎也多采用DOHC的设计，甚至造成消费者认为SOHC引擎为过时设计，而非DOHC不买的迷思。其实引擎在一般使用下，不论SOHC、DOHC、一缸两汽门的设计或是一缸多汽门的设计，都足敷使用，甚至很多八汽门引擎（四缸）在低速表现会优于多汽门引擎。再者，DOHC引擎比SOHC引擎多出一支凸轮轴（V型引擎多出两支），引擎就需要多克服一倍的摩擦力，及承担多一支凸轮轴的重量。所以像Mercedes-Benz等欧洲车厂，仍有许多现役的SOHC引擎。笔者在此并非贬低DOHC引擎的价值，而是要让读者了解，SOHC并非过时的设计。一个适合自己驾驶习惯、省油且耐用的引擎，就是好引擎；当然，如果您是性能派的热血份子，DOHC的引擎是您最佳的选择。直压式与摇臂式我们在「引擎概论」单元中，对凸轮与汽门之间的作动、何谓DOHC及SOHC、可变汽门正时等题目，其实已经有很详细的论述，在「引擎详论」中仅再作一些补充。对于凸轮如何带动汽门的启闭，最常见的是「直压式」与「摇臂式。直压式汽门通常见于DOHC引擎，此式汽门弹簧座上会会有一圆形套筒，凸轮则直接置于套筒上，所以当凸轮尖端与套筒接触时，会透过套筒把汽门往下压，使汽门开启；而摇臂式汽门通常使用在SOHC引擎上，因为SOHC引擎缸头内只有一支凸轮轴，却要驱动多个汽门，所以会以摇臂方式，由一个凸轮带动两个汽门。摇臂是利用杠杆原理，当凸轮尖端将摇臂一端挺起时，另一端会向下将汽门压下以使汽门开启。凸轮直接压动汽门的直压式设计是现在常见的设计摇臂式与直压式汽门驱动设计各有其优缺点，以力量传递效率来说，直压式比摇臂式来的直接、精确；以维修保养来说摇臂式则容易的多，因为直压式之凸轮与汽门上之套筒的间隙，是靠不同厚度的填隙片来调整，所以当引擎使用一定时数，汽门间隙增大时，要再调整较不易；而摇臂式之汽门间隙通常都以一螺栓调整，只要一支扳手就能搞定。然而目前直压式汽门的填隙片材质皆有一定的耐磨度，磨损的机率很低。凸轮透过摇臂控制汽门的动作，便是遥臂式的设计直列引擎VSV型引擎直列引擎直列引擎一如其名，直列引擎的汽缸均排成一直线。引擎的所有汽缸均排列在同一平面上，形成一直列的情形，称为直列引擎。以直列四汽缸引擎为例，常见的标示方式有二种，一是取与排列外型相似的I做标示，就标示为「14」。另外一种则是以英文Line做开头，而标示为「Line4」或「L6」以代表直列4汽缸或是直列6汽缸引擎之意。V型引擎汽缸数增加，采用V型汽缸配置的引擎可以有效减少引擎体积，增加车室空间。引擎的汽缸分别排列在二个平面上，此二个平面相互产生一个夹角。汽缸呈V型排列的引擎会因汽缸数量的不同，而有60、90、120度三种常见的角度。夹角为180度的引擎则另外称为「水平对置式引擎」。冷却系统冷却系统的功用冷却系统的功用是带走引擎因燃烧所产生的热量，使引擎维持在正常的运转温度范围内。引擎依照冷却的方式可分为气冷式引擎及水冷式引擎，气冷式引擎是靠引擎带动风扇及车辆行驶时的气流来冷却引擎；水冷式引擎则是靠冷却水在引擎中循环来冷却引擎。不论采何种方式冷却，正常的冷却系统必须确保引擎在各样行驶环境都不致过热。冷却循环因为多数车辆皆采用水冷式引擎，所以本文以介绍水冷式引擎之冷却循环为主。在水冷引擎的冷却循环中，可分为「小循环」与「大循环」小循环是指冷却水仅在引擎内循环，而大循环则是冷却水在引擎与热交换器（水箱）间循环。为什么要有大循环与小循环呢？主要是因为引擎在冷车时温度低，此时少量的冷却水在引擎内作小循环，使引擎能迅速达到工作温度；一旦引擎达到工作温度，控制大、小循环转换的温度控制阀（俗称水龟）则会开启，让冷却水能流至水箱内让空气将热带走，引擎温度越高，水龟开启的程度就越大，冷却水的流量也越大，好带走更多的热量。冷却水的循环是靠水泵浦带动的，水泵浦则是由引擎的运转所驱动，所以当引擎转速越高，水泵浦的运转效率也越高。冷却液的特性冷却液是由纯水与水箱精案一定比例调制而成，水箱精能提高冷却水的沸点。纯水在常温常压下的沸点是100°C，一旦引擎温度过高，会使冷却水沸腾成为水蒸气，而水在气态下的热对流系数远低于液态，所以气态的水蒸气几乎无法带走引擎的热量，此时引擎温度会迅速升高而损害引擎。所以水箱精将冷却水的沸点提高，以确保冷却液在高温时仍是液态，才能带走引擎产生的热。供油系统化油器我们在「进气系统」这个单元时有约略谈过化油器，化油器最主要的功用是控制进入进气歧管的燃料流量，以及使燃料与空气正确混合。化油器主要是利用「文氏管（Venturi）效应」将燃油吸入化油器内与空气混合，供引擎燃烧。什么是文氏管效应呢？依据流体力学中的「白努利（Bernoulli）定律」，在一个连续固定的流场中，当流体流速增加时，流体的压力会下降。而文氏管效应就是利用流体（空气）流速增加所产生的低压吸力，而将燃油吸入空气中。在化油器中，空气流经口径较窄的喉部被加速，因加速产生的低压会将燃油吸出与空气混合。常见的化油器设计，是将燃油送至化油器浮筒室中储存，当节流阀板开启时，燃油会因文氏管效应而从主油孔让燃油被吸至空气流道中，除此之外，还有怠速控制系统来控制怠速及低负荷的燃油供应；副文氏管系统则在引擎油门全开时将油气增浓；加速泵会在突然大脚油门时，给予引擎更多的燃料好维持正确的燃烧，以提供实时的加速性；阻风门在冷车启动时，会挡住大部分的空气进入化油器，以提供较浓的油气，使引擎能正常启动。虽然化油器的成本低、可靠度高，而且维修、保养容易，但由于化油器几乎是以机械方式供油，其供油精准度已无法应付严苛的环保法规，所以这几年市售的新型汽车，已经不再使用化油器了。喷射供油近年来上市的车辆，几乎都是采用喷射供油系统，最主要的原因也是因为要因应日趋严苛的环保法规。喷射供油系统从早期的机械式单点喷射一直演化至目前的电子式多点喷射，那么，何谓单点喷射及多点喷射呢？假设一个四缸的引擎，由单个喷油嘴至于进气歧管分支之前，油料由一处喷入后在随着进气分布到四个汽缸内，这是单点喷射；而喷油嘴置于四个汽缸之各器缸的进气道者，因为每缸各有一个喷油嘴，四缸引擎则有四个喷油嘴，这称为多点喷射，本单元将谈论目前广泛使用之多点喷射的原理。从燃油路径来看，首先燃油泵浦自油箱中将油料送至输油管中，输油管再将油料送至油轨内，而油轨由调压阀来控制燃油压力，并且确保送至各缸的燃油压力皆能相同。另一方面，调压阀也会借着泄压将过多的油料送至回油管而流回油箱中。而喷油嘴一端连接于油轨上，喷嘴则为于各个器缸的进气道上。引擎ECU根据引擎运转状况会对喷油嘴下达喷油指令，喷油量是由燃油压力及喷油嘴喷油时间所决定，燃油压力在油轨处已由调压阀所控制，而燃油调压阀之压力是由歧管真空（引擎负荷）调整，所以ECU能控制的就是喷油时间，当引擎需要较多的燃油时，喷油时间就会较长，反之则喷油时间较短。喷油嘴本身是一个常闭阀（常闭阀的意思是当没有输入控制讯号时，阀门一直处于关闭状态；而常开阀则是当没有输入控制讯号时，阀门一直处于开启状态），由一个阀针上下运动来控制阀的开闭。当ECU下达喷油指令时，其电压讯号会使电流流经喷油嘴内的线圈，产生磁场来把阀针吸起，让阀门开启好使油料能自喷油孔喷出。喷射供油的最大优点就是燃油供给之控制十分精确，让引擎在任何状态下都能有正确的空燃比，不仅让引擎保持运转顺畅，其废气也能合乎环保法规的规范。点火系统引擎依照运转模式不同可分为火花点火(SISparkIgnition)引擎及压缩点火(CICompressionIgnition)引擎，汽油引擎属于火花点火引擎，而柴油引擎则属于压缩点火引擎。汽油引擎既是属于火花点火引擎，其点火就必须借着点火系统来完成。火花(星)塞顾名思义，火花点火引擎要点火就必须靠火花，而火花是借着火星塞产生的。火星塞藉螺牙锁付在引擎燃烧式的顶端，也就是在缸头上进、排气门之间，火星塞在头部有一中央电极及接地电极，接地电极是由螺牙部分延伸出来成L形，与中央电极维持0.7到0.9mm的间隙，火星塞尾部则与高压导线连接。当高压导线将极高的电压送至火星塞时，造成火星塞的两个电极间极大的电位差，导致两极间隙间原本无法导电的空气成为导体，电流便以离子流(IonizingStreamers)的方式由一个电极传至另一电极，产生电弧(ElectricArc)来点燃引擎是中的油气。若您还是觉得不好理解，可以去观察瓦斯炉或放电式打火机的点火方式，火星塞的点火方式跟它们很类似。各式火星塞除了会有大小上不同外，相同大小的火星塞还会有热值(HeatRating)的不同。热值大的火星塞其电极绝缘包覆的部分较长，适用运转温度较低的引擎；而热值较小的火星塞其电极绝缘包覆的部分较长，适用运转温度较高的引擎，如竞技用引擎。各式车辆必须依照原厂规定的火星塞规格选用火星塞，若使用热值过高的火星塞，引擎容易因温度过高而爆震；使用热值过低的火星塞，引擎则可能因燃烧温度过低而造成燃烧不完全或积碳。分电盘点火与电子点火分电盘是以机械方式控制各缸的点火时机，其中有一转子在分电盘中旋转，其旋转轴是由引擎带动并且转速是引擎曲轴转速的二分之一，连接至各缸火星塞的接点则依序设置在分电盘四周。当转子在分电盘中旋转时，会依序使各缸接点之触发电流导通，并藉高压导线将电传送至火星塞，使火星塞点火。分电盘上会有一个惯性弹簧-飞轮组来控制随着引擎转速不同之点火提前角，也有真空机构随着不同的引擎负荷来控制点火提前角。虽然如此，因为分垫盘的点火提前角控制皆为机械式，以引擎科技而言，还是无法称得上精确，但是因成本关系，也有少数2000c.c.以下的引擎采用分电盘点火。机械组件虽然可靠，但用来作引擎系统的控制总不若电子组件来得精确。在环保法规的日益严苛及消费者对性能的重视，各家车厂纷纷采用电子点火系统，及其它电子控制系统。电子点火是每两缸或每一缸由一个高压点火线圈负责，由ECU个别对点火线圈下达点火讯号，其点火提前角是由ECU依据引擎运转状况计算而得，可依据引擎运转作灵活的调整；若配备有爆震感知器的引擎，ECU也能直接对某缸作点火角提前或延后的动作。所以，爆震感知器只能装设在有电子点火的引擎上，因为分电盘的点火提前角是不受ECU控制的。排气系统排气歧管图中显示四缸引擎其中两缸的排气歧管。由左边的剖面可以看到排气歧管直接连接在排气孔后，再结合为一。排气歧气在设计上会尽量让各缸的阻力相同，以让排气顺畅。新鲜空气与汽油混合进入引擎燃烧后，产生高温高压的气体推动活塞，当气体能量释放后，对引擎就不再有价值，这些气体就成为废气被排放出引擎外。废气自汽缸排出后，随即进入排气歧管，各缸的排气歧管汇集后，经过排气管将废气排出。而就如进气歧管一样，气体在排气歧管内也是以脉冲的方式离开引擎，所以各缸的排气歧管长度及弯度也要设计成尽量相同，使各缸的排气都能一样的顺畅。触媒转换器在说到触媒转换器之前，我们先简单的认识一下引擎废气的组成成分。汽油是一种碳氢化合物，在汽油分子中几乎都是碳及氢原子，这些碳及氢燃烧后照理应该是产生二氧化碳（CO2）及水（H2O），但是因为少量混合气未完全燃烧，并且会有少许机油（有未燃烧的也有以燃烧的）被排放出来，所以会产生HC（碳氢化合物）及CO（一氧化碳）。再者，进到引擎内的空气中，含有百分之八十的氮气（N2），但经过燃烧室的高温，原本很稳定的氮，会与空气中的氧（O2）化合，产生NO及NO2，统称NOx。HC、CO及NOx都会造成环境污染且对人体有害，所以世界各国都会制订环保法规，针对车辆排污加以限制。由于环保法规对车辆排污的标准相当严苛，不论怠速、加速、低速行驶、高速行驶或减速，都必须符合排污标准，车辆在面对这么严苛的限制，除了在性能与排污中取得平衡点外，唯一的「撇步」就是触媒转换器了。触媒转换器通常以贵重金属为原料，有氧化型触媒、还原型触媒及目前绝大多数车辆采用的三元触媒转换器。从排气歧管之后，便接上触媒转换器，以将未完全燃烧之污染物转换为无害物质，保护环境。再来上个简单的化学课，排污中的HC和CO都是因为燃烧不完全所产生的，要消除它们就必须再燃烧它们，也就是使它们氧化，所以这是氧化型触媒的任务。而NOx的生成则是因为氮被氧化所致，所以必须还原型触媒来将NOx还原氮气。三元触媒转换器则是让HC和CO的氧化及NOx的还原都发生在同一触媒中。而「触媒」本身并不参与氧化或还原的化学反应，它只是化学反应中的催化剂。触媒转换器位于哪里呢？早期的触媒转换器多设置于排气管中段的位置，而近来多装在紧接排气歧管之后，好使触媒加快达到工作温度。触媒必须在接近500度的高温下，才能获得较好的转换效率，低温时则几乎没有转换能力，故冷车的排污量相当大。所以在此也要提醒所有车主，千万不要在室内或地下停车场内热车，尽量车一发动就开到室外，才不至于毒害自己或是其它在停车场内的人员。消声（音）器顾名思义，消音器就是用来消除排气的噪音，使车辆行驶起来更宁静。一般消音器中会有数个膨胀室，引擎排放出来的废气经过数个膨胀程序后，会使得排气脉冲缓和而消除噪音。然而，由于气体在消音器路径复杂，换言之也就是消音器降低了排气的顺畅性，所以也会略略影响引擎性能。有些人会自行改装直通式排气尾管，这样虽然稍稍提升引擎性能，却会大大增加排气噪音，所以这是不值得肯定也是违反交通规定的行为。润滑系统燃料进入引擎燃烧后，将燃料的内能转换成「功」来使引擎运转，然而并不是所有的「功」都用来驱动引擎的运转，因为引擎中机件间的摩擦会消耗引擎产生的功，而将其转换为热能。为了降低磨差来保护引擎，必须有一润滑系统来润滑引擎。机油的功用没错，机油正是在引擎中扮演润滑的角色。机油除了能润滑引擎降低摩擦外，还有防止引擎金属腐蚀、消除进入引擎中的灰尘及其它污染物、在活塞与汽缸壁间帮助燃烧室气蜜、为活塞及轴成等零件冷却及消除引擎内不必要的产物。机油的循环引擎中大部分的机油都储存于油底壳中，机油的循环由随引擎转动之机油泵浦驱动，自油底壳将机油吸出，经过机油滤清器滤掉杂质后，高压的机油从引擎的机油流道流至引擎各处，润滑或冷却各个机件，最后在流回油底壳中。引擎中会有极少量的机油进入燃烧室被燃烧，所以机油有少量的消耗是正常的。然而若过量的机油由活塞与汽缸壁的间隙往上进入燃烧室称为「上机油」，而机油由汽缸头之阀系间隙向下流入燃烧室中则称为「下机油」，二者都是所谓的「吃机油」。引擎若是有吃机油的现象，当然机油会消耗很快，而且因为机油大量燃烧的关系，会自排气管排出淡青色的烟，此时必须去保修场检查是「上机油」或「下机油」，好对症下药。机油的选用机油依据其成分可分为全合成、半合成及矿物油，一般来说，全合成机油在引擎中随引擎运转的衰退程度较低，而矿物油的衰退程度较高。但是若是车辆都能在原厂指定之换油或时间内更换机油，就算使用矿物油，也不会对引擎造成任何伤害。机油除了有成分上的不同，也在「黏度指数」上有区别。黏度指数是指机油黏度随温度改变的程度，目前最常使用的机油黏度分类是依照SAE号数分类，不同的号数对应不同的黏度范围，号数越大代表黏度越大。SAE编号后方加上W者指适用于寒冷气候的机油，其编号越小者黏性越小，引擎在寒冷的冬天越容易启动。机油号数除了SAE50（例）或SAE10W（例）等单级机油外，还有如10W-40等之复级机油，复级机油能同时满足高温与低温的使用需求。目前市面上常见的多为复级机油，复级机油于W之前的号数越低、后方的号数越高者，表示该机油能适用的气候范围较大。以台湾的气候状况，10W-40已经能满足，若引擎长时间以高负荷、高转速运转者，则可选用黏度较高的机油。水泵、发电机与压缩机所谓附件，就是在维持引擎基本运转所需之外的机件，而这些机见识由引擎附件皮带所驱动。通常引擎附件包括：发电机、水泵浦、冷气压缩机及动力方向盘泵浦等，以下对这几项附件作概略介绍。引擎是车辆主要的动力来源，因此压缩机、泵浦、发电机等都与引擎以皮带连结，利用引擎运转的输出带动，提供冷却、润滑、空调、供电及转向辅助等功能。发电机：发电机利用引擎的运转为动力，将动能转换为电能，再将电量储存于电瓶中，以供车上所有电器使用。发电机若损坏会失去充电能力，电瓶内的电量就会逐渐消耗到完全没电为止。所以车子的电瓶若是经常没电，除了要检查电瓶外，也要检查发电机是否还正常。水泵：水泵浦提供引擎冷却水能正常循环所需的压力，严格来说不该算是附件，只是有些引擎利用附件皮带来驱动水泵浦。水泵浦一旦失效，引擎则会失去冷却能力，此时若没有短时间内将引擎熄火，常会使引擎因过热而严重受损。冷气压缩机：常有人认为车上的冷气压缩机是靠电力驱动，其实冷气压缩机动力是来自引擎的运转，并由附件皮带所带动。当驾驶在车内按下冷气开关时，冷气压缩机上的离合器便会与被附件皮带带动而旋转的惰轮接合，此时压缩机就会开始运作。所以当引擎不运转时压缩机是完全不会运转的；然而一旦压缩机开始运转，是会耗损些许引擎动力的，当然油耗也会有些许的增加。动力方向盘泵浦：配备动力方向盘的车，方向盘会变得比较轻盈，这是因为动力方向盘泵浦利用引擎的动力，产生油压来辅助方向机转向，所以动力方向盘也是在引擎发动时才有作用的。然而和冷气压缩机一样，动力方向盘泵浦也是会消耗引擎动力并造成油耗的。附件皮带引擎的两端分别称为飞轮端与附件端，飞轮端连接变速箱，而附件端则是挂载引擎附件。所有附件安置于引擎附件端，是由一至二条皮带将所有附件连上曲轴。而附件皮带上都会有一个张力器来调整皮带张力，如果张力过松，通常皮带在运转时会产生尖锐的声音，所以当有些车子在起步时，会伴随着尖锐的声音，这都是皮带在作祟。附件皮带也是需要定期更换的，通常是在更换正时皮带时一并更换。若车辆在行驶中附件皮带断裂，附件便会停止作