進氣系統的運作(上) 引擎靠燃油就能動? 沒空氣再怎麼點火也是徒然!

上一回的排氣系統專題中,多少有提到進氣和排氣的關聯性。影響引擎熱效率的空燃比,尤其在空氣稀薄的高海拔地區,油門踩到底了但車子跑起來還是很沒力(渦輪車比較好一點),這是因為空氣的含氧量太少,而造成混合油氣比例不均衡所導致,所以進氣量的多寡成為混合油氣比例的關鍵,至於如何發揮極致的動力就得憑各家本事了。
  
引擎的爆發力  
來自這些熱循環
 
空氣中的21%氧氣能夠助燃,而引擎不僅僅需要燃油,更需要綿綿不絕的空氣進入汽缸,才能燃燒產生動力,引擎要產生足夠的功率,汽缸內設計的四個行程(進氣、壓縮、動力及排氣)就是熱循環的過程,不過汽油引擎和柴油引擎的熱循環不太一樣。
 

汽油引擎:等容循環(Otto Cycle)
1.進氣: O→A。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。活塞將混合油氣從A點往上B點壓,這時壓力開始上升到P2,溫度同步提高,為爆發的動力做好準備。
3.動力:B→C→D。活塞到B點瞬間,混合油氣被燃燒,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。


柴油引擎: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。
 
什麼是空燃比A/F?

在被廣大媒體和讀者關注的壓縮比代表引擎的效能時,空燃比更適合擔當這個角色。在密閉的汽缸中,「正確」的空氣含氧量和噴油量混合而成的氣體比例,必須在最佳時刻受到足夠的熱衝擊而被點燃,這裡指的「正確」代表空燃比。
 
研究發現空燃比落在12-13:1的性能最佳,當落在15-16:1時,由於油氣比較稀薄,燃燒速率較慢但有利於完全燃燒,能降低油耗,燃油經濟性最好但性能欠佳,藉此定出性能與經濟兼備的理論空燃比14.7:1,因為這個比值的燃燒最完全。不過想把空燃比控制在理論值內可沒那麼簡單,加上高空燃比在低壓缩比的動力表現欠佳,車廠工程師就採用較高的壓縮比去彌補動力不夠的問題,所以現代引擎大多在性能與節能方面都能兼顧。
 
值得一提的是,ECU可根據引擎狀況去調整空燃比,比如在怠速時因低轉速而使混合氣吸入不足,空燃比降低;高速巡航時提高空燃比;加減速的瞬間則適當的降低空燃比,對引擎的性能、燃燒穩定性和尾氣排放都有影響。


空燃比愈低代表混合氣愈濃,愈高代表愈稀。理論上性能與經濟兼備的空燃比值為14.7:1,但實際上要控制在這個比值內並不簡單,車廠工程師就採用較高的壓縮比去彌補動力不夠的缺陷,所以現代引擎大多在性能與節能方面都能兼顧。


設定空燃比沒有一定的標準,通常要試車或上馬力機,加上排溫錶的搭配,才能找出適合引擎最大輸出的A/F值。
 
 

進氣系統的運作(下) 進氣系統只是確保高品質空氣的進入

其實引擎沒有進氣系統也能照樣發動,那為什麼還要加裝進氣系統呢?那是為了過濾空氣中的雜質,避免太混濁的空氣進入而傷引擎,進入汽缸內,與油氣混合後形成一定比例的混合氣燃燒,產生的動能比較有爆發力。
 
過程中不止有過濾空氣雜質,還要隔熱來控制空氣的溫度(高溫會導致空氣的含氧量下降),進氣口會朝向車頭方向來避開高溫氣體的吸入而避免產生爆震,尤其開在走停的市區,進氣溫度很容易升高,就連帶油水溫度也升高,一旦超過70℃,含氧量下降的空氣會減少燃燒效力,引擎就更耗油、無力,所以進氣管路的隔熱要求非常高。


因為要確保吸入冷空氣,進氣口會朝向車頭來避免吸入高溫氣體,吸入的冷空氣得過濾雜質才能導入汽缸內。至於渦輪車,被渦輪加壓的空氣溫度太高,為避免爆震得先經過中冷器的冷卻才能送進引擎,難免有遲滯的現象。
 
前面提到的空燃比,ECU為了精準控制當下的最佳比例,除了含氧感知器外,也有空氣流量計來偵測當下的進氣量,回饋給ECU作判斷。節氣門就根據油門感知器的回饋來決定開啟的角度,開啟角度的大小代表根據進氣量的多寡。這時引擎處於進氣階段,因活塞往下運動而造成汽缸產生真空狀態,跟外界有壓力差,讓在進氣道的空氣被吸入汽缸內。
 
 進氣系統的組成
 提昇進氣的效率
 
為了確保高品質的空氣進入引擎,光是進氣系統就由不少套件組成。從最前端的集氣箱系統(由空氣濾芯、集氣箱、共鳴箱、進氣管路組成)開始,集氣箱前端設置一個進氣口,讓引擎吸入氣霸內的冷空氣,而集氣箱內有一個空氣濾芯,內含紙質濾芯或海綿濾芯來過濾雜質和防水,立體的空間能儲存沙塵和空隙讓空氣流過,不會影響進氣效率。
 
圖06 1809進氣系統
最前端的集氣箱系統主要由空氣濾芯、集氣箱、共鳴箱、進氣管路組成,空氣從進氣口進入,經過集氣箱內的濾芯、旁邊的共鳴箱減噪、流量計的偵測進氣量後,才進入節氣門。



 原廠集氣箱都用塑膠材質打造,目的是隔絕引擎周邊的高溫影響冷空氣,有的改裝品為了高效的隔熱而採用碳纖維打造。此外,空氣流過集氣箱內會產生噪音,下方的共鳴箱是為了消除進氣噪音以及平整化氣流,對NA引擎的順暢進氣有幫助。一切的過濾和消噪都完成後,進氣管路的流量計會探測進氣量回饋給ECU,以提供正確的噴油量,所以進氣管路的口徑會影響流速。


將霧燈位置取代換成進氣口的方式,是從F1座艙上方的進氣口效仿而來,讓吸入的空氣更低溫,在高速下形成的強大風壓能強灌大量空氣到汽缸內,稱撞風效應。


原廠的集氣箱和進氣管路都採用塑膠材質隔熱,而改裝品或部分的性能車則用碳纖維打造,目的是隔絕引擎的熱氣,確保吸入的冷空氣導引在內。
 
進入節氣門之後,經過進氣歧管的緩衝,氣流道就分道揚鑣。歧管是為引擎的汽缸數而設,將冷空氣導入各汽缸內,也有「多喉直噴」的歧管設計,讓各缸的進氣量都均等,有助於高速的表現,但這種已經屬於賽車引擎。車廠也算有誠意,新車的進氣歧管大多採用塑鋼材質製作,內壁比過去的鋁合金砂模製作來得光滑,讓空氣流動率和隔熱效果較佳,但不能承受太大的增壓值。因此,在空氣進入引擎之前,進氣套件都以隔熱和過濾為主要目的,讓混合氣達到最佳的燃燒效率。


原廠的空氣濾芯呈長方形,多以紙質或棉質過濾空氣的雜質,但吸氣阻力比較大,而香菇造型的濾芯是最順暢的,適合跑山路和賽道的車使用。
 

進氣管路的空氣流量計是偵測進氣量,並回饋給ECU作出適合的空燃比,往往影響後面的節氣門開啟的角度。


進氣歧管是為了引擎的汽缸數而設,原廠大多都採用塑鋼材質,光滑的內壁能增加空氣的流動,也有隔熱效果,但不能承受過大的增壓值。
 

一般街車都是單個節氣門與進氣歧管結合,但有的直接省略歧管,設計獨立的節氣門跟各個汽缸結合,稱為「多喉直噴」,讓汽缸的進氣量都均等,有助於高速的表現,不過成本很高,因此多出現在賽車引擎。
 

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