【汽車基礎教室】可變進排氣系統大觀 ( 上 )

記者:sutl 2002-09-05

每次,只要一有新車上市,就有一堆人又再問什麼是可變進氣系統,然後就又有一堆人提出一堆似是而非的解答,然後你就覺得只要有可變進氣系統,車子就會猛得飛上天…

要了解可變進排氣系統 就要先了解引擎


▲節氣門接到空氣室上,圖中可以看到四根很長的進氣歧管從空氣室延伸出來,不過那個節氣門好像不是之前那顆?

為什麼每次有人問這個問題,都沒有人想回答,原因很簡單,講了也聽不懂,要了解各式可變進排氣系統,對引擎的了解至少是入門級以上的,你必須先了解引擎全部的基礎運轉原理,這樣你才能了解各式可變系統的助益。其實,當你完全了解引擎時,只要讓你看一張設計圖,你就能知道這個可變進氣系統是怎麼作用的。所以,你要是真的想知道可變進氣系統,就先了解引擎吧!

引擎是因燃燒氧氣與汽油而產生動力的,所以要有進氣管與噴油嘴來提供氧氣與汽油,而燃燒後的廢氣需要排出,所以要有排氣管﹔而光是燃燒,不會產生最大動力,要壓縮之後再燃燒爆炸產生的動力才是最大的,而燃燒後所產生的動力,也要轉變成機械能才能為人所用,所以一顆引擎要有進氣、壓縮、動力、排氣等四個步奏,才能不斷的運轉下去,並且輸出動力到車輪使車輛前進。



▲這就是所謂的節氣門,引擎能吸到多少空氣都是由它決定的。

那一顆引擎究竟是如何整合這四個動作的呢? 進氣: 進氣是引擎動力來源的根本,沒有空氣就沒有動力,而相對的,控制進氣就控制了動力,所以進氣管內會有一個叫節氣門的東西﹙俗稱油門﹚,它是一個閥門,負責控制進氣量用的,當它大開時進氣量就多,關小時進氣量就少,因此控制著引擎的動力,而你腳下的油門踏板控制的就是這個東西。

而以一個四缸引擎來說,需要四個進氣管來負責各缸的進氣需求,我們就稱這負責單缸供氣的管子叫進氣歧管。但這管子的設計是有學問的,我們知道一顆引擎的轉速從600rpm﹙每分鐘幾轉﹚到6000rpm不等﹙當然有些引擎更高﹚,使得引擎的進氣從每秒5次到50次不等,每次進氣時間從100ms到10ms﹙1/1000秒﹚不等,而空氣是有慣性的,大家知道管子粗短時有利於高速10ms的進氣,因為這樣阻力較低,然而有慣性的空氣,在100ms時的長時間時,卻有機會反彈離氣缸又回到進氣歧管,為了抵制這種問題,結果進氣歧管不得不做的又細又長,讓欲回彈的空氣因細長的進氣歧管阻力而無法回彈,在阻力與回彈的兩難下,歧管長度一直是一門妥協的藝術。



▲將氣門裝入汽缸頭,現在你知道每缸四氣門是怎麼排列的吧!比較大的是進氣門,小的是進氣門,最小的是火星塞。

再來,我們知道進氣只佔引擎四個行程之一,所以必須有一個閥門控制進氣的動作,這就是進氣門的動作,在現今的引擎上,進氣門是由凸輪所控制的,所以凸輪的形狀就很重要了,不過汽車引擎的凸輪形狀幾乎都是蛋型的,所以我們就先不討論形狀,只討論角度跟揚程。

我們知道,引擎有四個行程要作,有活塞向下的進氣行程、活塞向上的壓縮行程、活塞向下的動力行程、活塞向上的排氣行程,活塞這兩上兩下的運動,透過連桿傳給曲軸,正好使曲軸轉兩圈,總共是720°﹙所以理論上,每個行程180°﹚。而進氣行程當然每兩圈只能有一次,所以控制進氣的凸輪軸當然是曲軸轉兩轉,它才能轉一轉,所以一顆凸輪假設真實角度是120°,那我們會說那是240°,因為它導致了進氣門開啟的時間長達曲軸轉240°的時間。

既然有開啟,那當然有所謂的開啟幅度了,開啟幅度就是指凸輪揚程,這是指沒有搖臂的情形下,有搖臂要再算槓桿作用行程。想當然爾,揚程越大,代表進氣門開得越大,當然進氣會更流暢更快,甚至快到最後已經將氣缸充滿氣了,進氣門卻還沒關,這時汽缸內的氣又會回流到歧管,反而又導致汽缸內空氣減少了。另外,凸輪軸的揚程在製作上也是有極限的。



▲這就是凸輪軸,因為上面有一堆凸出的凸輪,凸輪凸出的程度就是揚程,至於凸輪角度?大家目測看看吧!

當然,在賽車上,大家只注重高轉速的性能,所以凸輪角度盡量做大,但再大也很難超過310°,因為引擎還有壓縮行程要做,凸輪揚程也有其極限,所以就將腦筋動到氣門上了。氣門在高速的情況下當然是越大越好,但在製作的能力上來說,目前只能做出圓形的活塞跟圓形的氣門,所以要加大進氣門只有一法,那就是多加一個﹙當然你要加兩個也可以,不過面積增加不多﹚,這就是為什麼你在高轉速的賽車上,看到的都是每缸四氣門﹙兩進兩排﹚引擎。

然而,適合高轉速使用的四氣門設計,要如何用到一般房車上呢?簡單,降低凸輪軸角度、揚程,外加加長型的進氣歧管就可以了,這樣引擎低轉速的運作就沒問題了,但高轉速就完了。﹙就是這樣﹚

雖然將四氣門用到房車上噱頭味道比較重,但其實還是有一些好處的,例如凸輪角度的降低,使得進氣門開啟時間縮短,一方面減少了進排氣門重疊的時間,這樣進氣就不會漏到排氣管,排氣就不會倒灌回進氣管,另一方面增加了引擎壓縮的行程﹙實質壓縮的提高將提高爆炸的威力﹚,再加上四氣門先天的高轉速特性,反而使得引擎的動力帶﹙有力的轉速域﹚增加,實用上還是不錯。

壓縮: 壓縮行程指的就是活塞上行、進氣門關閉後的行程。這個行程沒啥大道理,就是將吸入引擎的油氣﹙汽油+空氣﹚,壓縮到原來的1/10大小左右,這樣爆炸的威力就能增加10倍﹙理論上﹚。

至於現今很多人講的渦流或滾流,也是在這個時候運作的,不過不管是渦流或滾流,都是進氣造成的,渦流跟進氣門的位置有關,滾流跟歧管的角度有關,因為所涉及的問題較為複雜,這次暫且先不提。



▲這就是將凸輪軸及氣門等裝進汽缸頭的樣子,當凸輪軸旋轉時,凸輪就會不斷的將氣門頂下去。大家應該看得懂吧?

動力﹙爆炸﹚:   油也進了、氣也進了、壓縮完了,接下來就是火星塞一個小火花,引爆這些油氣,引爆後,這些爆炸氣體就推著活塞往下走,而活塞推連桿、連桿推曲軸、曲軸推飛輪、飛輪推離合器﹙手排﹚or液體扭力變換接合器﹙自排﹚、接下來就是變速箱輸入軸…,反正車輪有驅動力就是了。

動力行程就全看那小小的火星塞作用了,除了點火時間之外,火花大小、時間長短都很重要,只要一個不對,輕則浪費汽油﹙沒燒完﹚無力,重則爆震敲缸出怪手,讓你再買一顆引擎。

排氣:   排氣行程的重點在於排氣﹙廢話﹚,排氣時一樣會遭遇到與進氣差不多的問題,但壓力多了4倍﹙這就是為什麼要壓縮的原因,要不然這麼點壓力哪夠用﹚,所以排氣門通常比進氣門小,揚程也是,但依舊會有排氣倒灌或排氣不順的問題,解決之道同進氣手段。