活塞引擎 1：認識活塞引擎

July 5, 2024

這個系列我要來說說航空的活塞發動機，也就是一般所理解的汽油引擎這個主題。我主要是以航空的視角來探討活塞發動機，但其實活塞引擎用哪裡都是一樣的原理，在大方向上道法相通，不過鑑於一班人可能對汽車更為熟悉，所以我不時也會穿插與汽車有關的關聯和差異補充。

Tip	這裡先提點一個小知識：在航空相關的文章裡面可能不時會見到「發動機」這個詞，但其實它就是和汽車上的「引擎」是一樣的意思，只是航空領域可能有時候更喜歡用發動機來稱呼。在我的文章裡面隨時會在這兩個詞之間反覆橫跳，沒有特別的用意，可能就只是我已經習慣在某個上下文裡面這麼稱呼它而已。所以往後不管看到發動機、還是引擎，讀者都能夠了解這是同一種東西就可以了。

四行程引擎

Figure 1. 四行程引擎運作循環 ^[1]

上面這張圖就是汽油活塞引擎的最核心結構了，一個不斷上下運動的活塞就像在踩腳踏車一樣踩動下面的曲軸旋轉，這個被活塞踩出來的旋轉軸就可以接出去，驅動任何東西，如輪胎、螺旋槳、發電機……等等。那麼活塞哪來的動力去踩下面的汽缸呢？活塞的動力就來自於空氣被加熱後膨脹的壓力。整個活塞、汽缸、和汽缸上的汽門、火星塞等小零件配合運作的過程，大約區分為以下幾個步驟：

活塞往下的時候會讓汽缸內的容量增加，產生一個汽缸內的低壓(或稱為負壓)。這時右上角叫作「進氣門」的汽門剛好被一個叫作「凸輪軸」的東西頂開，因此汽缸就會把外面進氣管內的氣體 — 也就是已經混合好了汽油和空氣的混合氣(油氣) — 給吸入汽缸內。
活塞到達最低點，開始要往上走。這時進氣門已經關閉，汽缸變成密封狀態，因此活塞往上走個過程就會將混合氣給壓縮了。
活塞到達最高點，開始要往下走。在活塞到達最高點的時候，也正好是混合氣被壓縮到最小的時候，汽缸頭頂一個叫作「火星塞」的點火裝置會在電流的控制下發出火花，引燃混合氣。混合氣在極短的時間內快速燃燒(俗稱爆炸)，燃燒的熱量加熱空氣，空氣因此升溫、升壓，極欲膨脹。因此活塞在往下走的這個過程其實是被高壓膨脹的空氣給推著往下走的，而這個活塞被推著走的過程也就是引擎動力的源頭。
活塞走到最低點，開始要往上走。這時換左上角叫「排氣門」的汽門剛好被另一個凸輪軸頂開，所以在活塞上行的時候便將燃燒完的廢氣給推出去排掉。
然後活塞走到最高點，排氣門關閉、進氣門打開、活塞往下走，又回到了第一步驟，周而復始，不斷循環。

因為整個活塞汽缸的動作過程被分割為四個階段，因此這種型式的引擎又被叫作「四行程引擎」。當然活塞引擎還有一些其它的型式，比如二行程的、比如沒有火星塞的等等，但是那些型式的引擎因為極少用在航空領域上，所以這裡就不會特別提及了。

其它重要的附屬零配件

上面那些只是四行程汽油引擎最核心的原理而已，雖然在學理討論上通常也只最關心這個核心部份的分析內容，但是對於科普解說的需求來說，這樣的解釋卻還不足以說明一顆引擎如何能夠正常運作，並且一般常見的科普解說也極少見更多的解釋說明。因此我這裡將會繼續解釋其它那些從旁輔助，使一顆引擎能夠維持正常運作並輸出動力的附屬裝置的原理解說。這些我挑出來解釋的東西可能和引擎的運作原理並沒有太多直接的關係，更多的是對於看見了這些零件卻不明白它設計作用的解釋說明；其實大多數也就是我自己小的時候因為書籍解釋的不夠全面而看不明白的東西，因為曾經經驗過，所以覺得有深入解釋的意義。若您還有發現其它的疑問是我沒想到的，也歡迎來信告知。

當然汽油引擎的整個系統還有更多能夠探討的東西，但礙於篇幅的限制，在這篇裡沒有辦法簡單講明白的東西，可能將會在本系列往後的其它文章分別探討。

飛輪

Figure 2. 活塞、連桿、曲軸、和飛輪 ^[2] ^[3]

前面我們已經知道，活塞和汽缸的動作總共分成四個行程。活塞一上一下剛好讓曲軸轉一圈，所以一個行程佔據曲軸轉半圈的路程，因此曲軸轉兩圈才能完整做完一個四行程循環。

在這四個行程之中，只有第三個行程是產生動力的行程，只有這個行程可以產生並對外輸出動力；而另外三個行程卻都要消耗動力，反而需要從其他地方施力給活塞才能完成，尤其第二個壓縮行程需要施加的能量更加可觀。那麼這些需要反向從外面施加的力又是從哪裡來的呢？這是很多引擎原理解說會乎略掉的最大的謎團，也是本節要介紹的一項在汽油引擎上最簡單卻非常關鍵的零件：飛輪！

飛輪就是一個夠重的圓盤，與曲軸剛性連接一同旋轉，就是上圖(Figure 2)接在曲軸上的那個深灰色大圓盤。因為飛輪具有足夠的質量，與沒有飛輪的情況相比，它會讓曲軸的啟動更加吃力，當然也會讓已經轉動起來的曲軸停下來更加費時；當你要它轉快一點的時候，你的手(活塞)要更大力的轉動搖把(曲柄)並且持續一會兒，它的轉速才能慢慢跟上來，當然當你減少發力的時候，它也會維持轉速一陣子才慢慢的慢下來。這種特性其實就是所謂的「慣性」，放在旋轉的東西上就叫作「轉動慣量」，而之所以描述這麼多文字細節，其實也只是希望已經遺忘國中物理的人可以回想起來！

在飛輪的轉動慣性作用下，汽缸活塞間歇性的發力又吃力、吃力再發力的過程，就不會讓引擎的輸出軸充滿了汽缸活塞最直接的頓挫、振動、與抖動，因為這些短暫的力量變化都會被飛輪的大質量給平滑掉；不過當然，平滑緩和可以，完全消除是不可能的！更重要的是，飛輪的轉動慣量提供轉動能量，給予四個活塞行程中的那三個不只不出力，而且還要吃力的行程。這樣雖然四行程裡面只有一個行程可以提供動力，但是藉由飛輪的作用能將這個行程的轉動能量儲存起來，然後供給其它三個行程使用，使引擎可以維持順暢的運轉。

這麼說來，那麼如果我給引擎設置一個很大很重的飛輪不是更好嗎？理論上是這樣沒錯，飛輪的轉動慣量愈大，則它所帶來的慣性平滑效果就會愈好；只不過別忘了，動力平滑化的效果愈明顯，同時也表示增速和減速時的遲滯效果也同樣愈明顯，而過大的動力遲滯對於需要經常高低變化動力輸出的交通工具來說，可能不一定是個好特性；另外，過大過重的飛輪也會直接導致發動機的重量增加。因此飛輪也不是愈大愈重就愈好，還是得依據實際的需求折衷計算最佳的重量和尺寸！

飛輪的最佳大小和質量也和引擎的汽缸數量有關，如果引擎設計了多個汽缸，則飛輪的重要性就會下降。因為在汽缸數量足夠多的情況下，任何一個時間總會有至少一個活塞正在出力，那麼那個出力的活塞就可以透過同一根曲軸推動其它的活塞運動，每個活塞輪流出力就可以維繫引擎的持續運作。但是即便如此，在多缸引擎上往往仍舊存在飛輪這個零件，因為正如前面所描述，飛輪的作用不是只有讓引擎能夠走過四個循環行程而已，還同時具有緩和平滑化引擎間斷性暴衝提供動力的這個天性的作用。所以飛輪總是活塞引擎省不下來的一項重要零件，只不過在汽缸愈多的引擎上，飛輪重量和尺寸的佔比會比較低；而在汽缸愈少的引擎，特別是只有單缸的引擎，飛輪的重量往往就會佔到較高的比例。

凸輪軸和汽門

Figure 3. 汽門、凸輪、和正時鏈條 ^[4] ^[3]

在圍繞著汽缸和活塞的運作中，有幾個零件是需要被非常精準控制的，就是兩個汽門和火星塞。若這些零件作動的時間誤差太大，則可能會發生許多不良影響。汽門過早打開或過晚關閉，可能會讓氣體互相干擾亂竄，讓還未燃燒的油氣洩漏到排氣系統去，或者讓已經燒完的高溫廢氣回衝到進氣歧管；或者造成汽缸在應該要密封的壓縮或膨脹行程沒有密封而洩氣，從而使動力降低、效率降低等不良引想。最嚴重的情況莫過於火星塞過早點火了，這時活塞其實還沒走到汽缸頂，所以超前點火產生的推力反而會推動活塞往反方向運轉，對引擎產生強大的頓挫和振動，這也就是一般所謂的「爆震」，極易使引擎造成內傷損壞。因此這些零件的動作時機是非常重要而且必須非常精準的，那麼該如何讓它們在最正確的時間動作呢？這就是引擎的「正時」相關機構在做的事情了。

正時系統又分成「進氣正時」、「排氣正時」、和「點火正時」，一般設計由幾根數量不等的凸輪軸在特定的角度下頂開特定的機件來完成。這個凸輪軸由引擎的曲軸帶動旋轉，由於需要精準的控制曲軸轉到某個角度的時候正好讓凸輪軸轉到某個角度，所以兩軸的動力齒輪大小都是精心設計的。由於不僅僅是需要獲取曲軸的動力來帶動凸輪軸旋轉，還得要非常精準的控制雙方每時每刻的角度位置都相匹配，更不可能容許連接的皮帶打滑錯位這種事情，因此許多引擎喜歡用本身就帶有齒輪特性的鏈條來進行動力連接，就算要使用皮帶，也會使用帶齒的皮帶。

油底殼

Figure 4. 一個單缸引擎的結構示意 ^[4] ^[3]

上圖這是一個比較完整的單缸引擎結構圖，注意到引擎的最下面是一個盆的樣子，裡面還堆積了一些黃色的油，那麼這些油是幹什麼用的呢？其實引擎底下的這個盆就是拿來裝這些油用的，所以才叫作油底殼。

其實看到在引擎底下積的這些油就是「機油」，也就是引擎潤滑油。既然引擎內部充滿了各種運動零件，尤其還有活塞汽缸這種需要緊靠摩擦的機械結構，因此潤滑就是相當重要且無法乎略的事情。由於引擎機件又快速又暴力又高溫的運動，使得像腳踏車那樣塗一次油可以潤滑好一陣子的方式失效了，而是必須隨時都要對著運動零件補充供應潤滑油。因此在引擎裡面的各處零件上其實往往都能找到許多管道和噴油口，甚至在曲軸內部、和活塞連桿內部都有管道；當然具體的部份會依據引擎的設計而有所不同。在引擎運作的時候，這些噴口就會持續對著對應的位置不斷噴出機油，潤滑對應的關節和摩擦面。然後這些油在潤滑零件的同時，也會被零件的快速運動和摩擦給推擠出來，落回到最底部的油底殼；然後又被機油泵抽出來送進機油管道，再重複一次同樣的事情。

只不過這些機油管道和噴嘴太過繁複細碎，都畫出來的話可能會讓引擎原理圖看起來過於複雜，再加上這東西其實和引擎的原理關聯性已經很遠了，不弄清楚其實也不影響對引擎原理的理解。於是絕大部份的引擎解說都會省略掉這個部份，只剩下引擎下面堆積著一盆厚厚的油，讓初接觸引擎的人可能會看不明白那到底是幹什麼用的？

說點歷史

Figure 5. Otto Engine (1880s) ^[5]

本篇所解釋的這種四行程引擎最初是由德國工程師 Nicolaus Otto ^[6] 在 1876 年所發明的，因此引擎的正式學術名稱其實叫作 Otto 引擎。只是不知為什麼後來更為人所流傳的稱號反變成了「汽油引擎」，或者「四行程汽油引擎」。這些在我們現代人的認知裡彷彿稀鬆平常的知識，在那個年代卻是無數人想破頭、工程師們搞炸了無數引擎之後才誕生出來的創新發明。

Otto 的發明中最大的巧門就在壓縮這個步驟。在他之前的其他空氣引擎沒有這個壓縮過程，燃氣送進去就直接燃燒膨脹，然後動輒數公尺大小的活塞引擎卻只能產生 2 馬力功率； Otto 則成功實現將空氣先壓縮過後再燃燒的引擎，大大提高了引擎的動力輸出 (至於具體是多少功率、多少效率等我就沒查到了)。 Otto 先生的引擎雖然成功了，不過各方面仍然很原始，且它主要的銷售目的可能是對標像蒸汽機那樣的大型引擎，而我們所熟知的近代汽油引擎的樣子其實是另一位德國工程師 Gottlieb Daimler ^[7] 在 1883 年的發明。

Figure 6. Daimler 的汽油摩托車(1885) ^[5]

Daimler 改進了 Otto 引擎，實現了小型化高轉速的四行程引擎，並且發現這種引擎使用汽油作燃料更加合適，可能也是因為這個緣故使得後來民間更普遍以汽油引擎稱呼吧！？總之在 Daimler 的改良之後，汽油引擎才算是真正開啟如汽車、舟艇等小型動力工具的應用，因此也是有些人主張近代汽油引擎應該是由 Daimler 發明；不過雖然 Daimler 先生在汽油引擎的實用化發展上做出關鍵貢獻，也是汽油引擎的初代元老級重要人物，但是畢竟學理最關鍵重要的四行程結構是 Otto 先生所原創發明，因此在學術上仍然稱此種引擎為 Otto 引擎。

為什麼突然談起這些歷史呢？甚至於既然四行程引擎的發明人是 Otto 先生，又為什麼要提 Daimler 呢？因為他們對人類的航空而言實在是太關鍵重要了！甚至單從動力的角度來看，人類的飛行是因為汽油引擎的發明才能夠實現；若沒有汽油引擎的發明實用和普及，則萊特兄弟 ^[8] 根本沒有機會成為動力飛機的發明人！當然這裡不是要否定萊特兄弟，事實上除了在動力方面之外，萊特二人還有許多非常重要的關鍵性突破；只是既然這個系列主題在談的是動力，因此這裡便以動力的視角作為觀點出發，而在此觀點之下，汽油引擎的存在才是導致萊特兄弟能夠成功飛行的最關鍵因素。

早在萊特兄弟之前，人類早已進行了許多無動力滑翔飛行，其中最著名的人物大概就是德國航空先驅 Otto Lilienthal ^[9] 。不過那些都是無動力的滑翔，至於帶動力的飛行也不是沒有人嘗試過，只是無一例外全部失敗 (否則我們今天記得的就不是萊特兄弟了)。在我小時候閱讀的童書裡面其實就看到許多帶著動力引擎的飛機圖鑑，那時的我就產生了不解的疑惑：不是說飛機的發明人是萊特兄弟嗎？可怎麼這些飛機的年代都比萊特兄弟還早呢？後來才知道那些圖鑑原來是其他前人的嘗試，且無一成功離地飛行；至於為什麼那些飛機不能夠飛起來呢？最關鍵也最大的問題來自於動力 — 他們用的是蒸汽機啊！就是你在古董火車上看到的那種蒸汽機啊！

雖然那些人們已經努力把蒸汽機做小做輕了，但是耐何它本質還是個蒸汽機，就算節省到極致的基礎重量也足以狠狠壓著他的飛機待在地上升不了天。而萊特兄弟呢？有賴於他們所處的年代正好趕上汽油引擎的發明普及 (萊特兄弟首飛在 1903 年，而 Daimler 的汽油引擎發表在 1883 年，只相差 20 年)，於是萊特二人用鋁材打造了一個直列 4 汽缸的汽油引擎，總功率 12 馬力。而就是這不起眼的、足夠輕巧又同時能提供充足動力的汽油引擎，才讓萊特兄弟能夠飛上藍天； 也正是因為四行程汽油引擎的發明實用作為鑰匙，才讓人類能夠解鎖航空的大門，邁入動力飛行的新時代篇章！