活塞引擎 10：功率巔峰
大約在第二次世界大戰時期，飛機的性能突飛猛進，然而性能提升的幅度卻逐漸遭遇瓶頸。 人們漸漸發現活塞發動機的挖掘潛力逐漸探底，難以再進一步提升功率， 從而使得性能飛機的發展難以再進一步突破下去！ 那些相關的故事和介紹差不多都講到這裡就沒再繼續解釋下去了，只留下這種含糊其詞的敘述， 然而到底為什麼呢？看起來好端端的活塞引擎怎麼就提升不了了呢？ 那麼本篇，我就要來解答這樣的疑問， 這不只是解釋為什麼航空活塞發動機的動力提升遭遇了天花板， 也是同時讓我們看看人們為了榨出活塞發動機的功率，做出了什麼樣的努力。
開始繼續深入之前，我要先為本篇的標題做出更加完整些的補充。 本篇的重點放在提升發動機功率，然而這當中其實是存在很多隱含未述明的條件！ 比方說同樣是活塞發動機，船上的和火車上用的發動機的馬力數字相較之下都無比巨大， 然而我們卻明白這樣的發動機完全無法被應用在飛機上， 因為它們不管是尺寸還是重量都是嚴重超標！ 因此若要為本篇的主題做出更加完整的目的要求，那麼應該是： 在合理可接受的成本與代價的增加幅度內，讓我們盡可能的想辦法去提升發動機的功率輸出； 甚至於為了達成功率提升的目的，當功率與效率互相衝突的時候，可以適當犧牲效率。
提高功率的理論原理
\[ 發動機功率(W) = 單缸單次循環淨功(J) \cdot 汽缸數量 \cdot \frac{轉速(RPM)}{ 60 \cdot 2 } \]
回顧 前篇 [1] 的總功率計算式，可以發現要提高總功率輸出的話，關鍵的要素就這三個： 單缸單次做功能力愈大愈好、汽缸數量是愈多愈好、曲軸轉速是愈高愈好！ 而這三項要素其實還可以再濃縮起來，真正的核心原理其實不過就是： 找尋各種辦法使發動機能夠更快速的消耗燃料！ 對此言論，我想有些讀者可能會稍微扭歪一下脖子並感到疑惑。
再回顧更前篇 [2] 的內容， 當我們忽略發動機內部的具體實現細節而只看它是一部黑盒子機器的時候，很多事情反而會更加明朗！ 發動機其實就是將燃料的化學熱能轉換成機械動力的機器， 因此只有加速燃料的消耗才能夠根本性的提高其轉換成品的輸出量。 當然，理論上提高能量轉換效率也能夠提高動力的輸出， 因為在轉換效率更高的情況下，同樣份量的原料(燃料)投入便可以產生更多的成品(機械功)， 只不過前提條件是效率的提升與功率之間不相衝突的情況下； 然而實務上的經驗卻往往相反，許多提升功率的做法往往是靠著犧牲效率而來的！
轉速與功率
影響馬力的因素有那麼幾項，但首先得先來了解曲軸轉速與馬力之間的影響關聯， 因為幾乎所有其它的項目都會影響到轉速，因此有必要對轉速本身的影響先建立起認知。
提高引擎曲軸轉速可以提高輸出功率這點，原理已經在前面、或更前篇的敘述裡面都解釋過了。 從功率計算式的角度可以直接指出功率和轉速成正比； 從功率就是做功速率的角度來看，更高的轉速意味著一段時間之內重複了更多次活塞出力的行程； 從能量轉換黑盒子的角度來看，更高的轉速能夠更加快速的消耗燃料，自然能夠產出更多的機械功。
那麼一般是怎麼操作才能控制曲軸轉速增加呢？ 轉動中的曲軸其實和一般平移運動的物體沒什麼兩樣，只不過是轉動而已， 所以當曲軸轉速穩定的時候， 表示引擎承受的負載所成為的曲軸轉動阻力，正好相等於活塞出力所產生的轉動力矩。 那麼要增加曲軸轉速，就是透過這兩種方式： 其一為增加活塞推力，比方提高噴油量， 更多的燃料可以帶來更大的燃燒增溫和增壓，活塞出力大了自然可以推動曲軸轉的更快； 其二為降低負載，負載阻力低了轉速自然可以更快， 一般通常的操作是降低齒輪箱的檔位、或降低螺旋槳的螺距。 這就是為什麼那些開車有一定掌握程度的人都會說： 降低檔位並補油門，就可以讓車子爆發更多動力，短時間可以快速提速的底層原理。 (其實降檔的操作是非常常見的，只不過現代人或許可能對此並沒有太多直接的感受， 因為在很多人的開車經驗裡只要踩更大油門就會有更多動力。 這是因為現代自動排檔車太過氾濫的原因，是因為行車電腦在背後自動幫你適時實行降檔操作了， 因此可能才導致很多沒有特別深入了解行車操作的人並不感覺升降檔的發生相當頻繁的原因。)
Figure 1. Porsche 911 GTS 馬力曲線圖 [3]
提高發動機的轉速可以直接提高輸出功率，但如果事情只有這麼簡單的話又怎麼會有動力天花板呢？ 因為活塞發動機的轉速並不能夠無限制的提高，到了極限轉速之後就很難再往上升了！ 裡如上圖(Figure 1)是一臺汽車發動機的馬力曲線圖， 給我們展示了該款發動機在不同轉速之下的馬力與扭力分佈。 其中馬力大致上隨著曲軸轉速的提高而等比提升，然而到了最後段卻加速下跌， 即便曲軸轉速更快了，但功率輸出卻不升反降。 在前篇 [4] 我提過， 在轉速過高的時候，燃燒所需要的時間行程佔比增加便會導致效率降低的不利因素。 不過除了燃燒時間之外其實還有更多其它的影響因素存在， 我們可以把它們總括解釋為發動機轉速過高的時候會發生「上氣不接下氣的喘不過氣現象」， 從而使得它無法再轉的更快，或轉速更快卻反而動力輸出是斷崖式下跌的結果。
再更仔細閱讀那張馬力曲線圖(Figure 1)，注意到這張圖的扭力曲線， 扭力其實就是活塞推動曲柄後給曲軸產生的轉動力矩。 注意到隨著汽缸供應的能量逐漸增加，活塞出力愈來愈大，然後在過了 5000 RPM 之後扭力開始減少， 這就表示汽缸已經開始出現「喘不過氣」的現象了，因此轉速提高但扭力卻減小。 可雖然扭力減少了，但是轉速增加了，扭力減少的速度還沒轉速拉的快，因此功率的輸出依然在往上增加。 而汽缸喘不過氣的現象隨著轉速的不斷提高而愈來愈明顯，終於在大約 6600 RPM 之後， 扭力降低的速度比轉速提升的速度還快。 此時即達到這臺發動機的最大功率峰值，之後即便再繼續拉高轉速而功率卻是不升反降了。
在了解了發動機轉速、扭力、與功率之間的趨勢關係之後， 就不難理解我們只要想盡辦法讓發動機的「呼吸」更順暢一些，讓發動機「喘不過氣」的極限轉速更高一些， 就能夠進一步增加發動機的功率。 而提高發動機「上氣不接下氣」的門檻，就是許多發動機技術的核心目的。 下面來看看有哪些方法可以提高發動機轉速上限？
減少燃燒耗時
在前篇已經有探討過燃料燃燒消耗的時間會影響到每次活塞做功的效率， 當轉速提高到一定程度之後就會受燃燒消耗時間產生的負面影響， 導致效率能劣化到甚至只有正常時的一半。 因此點火容易、燃燒速度快的汽油才被選作為 Otto 引擎的最佳燃料。 (其實氣體燃料如瓦斯的燃燒速率會更快， 可是考量到能量密度的因素之後，顯然汽油具有更好的綜合特性。)
要解決這個問題，首先可以在燃燒前盡可能提高汽油與空氣的均勻混合性， 因此許多發動機使用噴霧裝置配合燃料加壓泵，將汽油噴射為霧化的極細液滴與空氣混合。 在使用上燃油噴射技術以前，化油器同樣是為了使燃料霧化與空氣混合的目的而存在。 當燃料的燃燒速度更快，那麼發動機會「上氣不接下氣」的轉速極限就能更高，功率自然就提高了。
提前點火
在人類卯足了勁想要挑戰發動機轉速上限的情況下，燃料燃燒耗時產生的性能劣化影響就不能忽略不管。 在已經設法加速燃料的燃燒速度到極致而再難縮短之後，提前點火就成了延緩燃燒耗時的劣化影響。 假設汽缸內的燃料燃燒需要 X 秒，那我就在活塞到達最頂點(上死點)的 0.5X 秒前點燃油氣， 這樣整個燃燒的過程就會更加集中在壓縮率最高的活塞上死點附近。 這不能夠解決問題，但可以緩和問題。
「提前 X 秒」是符合理解直覺的方法，然而實際上很難去測量並精確控制活塞運動的時間狀態， 因此現實上都是靠著調整凸輪軸角度的方法(點火正時)來達成提前點火的目的； 概念上雖然是「提前多少時間點火」，但是實際的實現是「提前在曲軸多少角度時點火」。 那麼這就導致一個問題，在不同轉速下的最佳提前角度是不一樣的！ 一套點火正時的調校只有在特定的轉速下才能發揮最佳效果，在其它轉速下則非最佳狀態； 我們又知道點火時機如果一不小心超前太多則會變成主動產生爆震， 那麼正時的調校就得採用更加保守的策略，最終導致性能提升幅度有限的結果。 不過在現代電子控制技術更加先進完善的情況下，這個問題可以得到更好的緩解。
多汽門
雖然說燃料燃燒需要消耗時間這件事確實會在高轉速的時候產生效率劣化的影響， 但其實導致發動機喘不過氣而無法提升轉速的因素並不只有燃燒時間這麼一項。 比如進氣的時候讓油氣填滿汽缸的速度，和排氣的時候讓廢氣從汽缸排空的速度， 也同樣是導致高轉速時喘不過來的因素。 並且在實際的發動機設計上，進氣與排氣的瓶頸往往成為限制發動機最高轉速的主因之一！
為了使氣流更加順暢，那些曾經會導致氣體大角度彎繞的汽缸進排氣口氣道形狀被淘汰出局了。 此外，增加汽門的面積大小也同是增加氣體流量的手段。 不過因為耐壓等等的因素，汽門總是被做成圓形，能夠怎麼增加氣通的閘口面積呢？ 那麼就放兩個圓形的汽門、或者三個嘍！ 這就是採用多汽門方案的原理。
古時候的發動機多是一個汽缸配置兩個汽門，一個用來進氣、一個用來排氣； 現代的汽油發動機則大多流行四個汽門的設計，兩個進氣、兩個排氣。 當然還有一些其它汽門數量的配置，比如說五汽門(三進氣、兩排氣)的氣通效果會更好， 不過結構複雜化和成本上升的代價使得這種配置比較不那麼常見就是了。
Figure 2. 發動機汽缸解剖圖，可看到每個汽缸都設置了四個汽門 [5]
Figure 3. 從汽缸內部拍攝的汽缸頭視角，四個汽門與中間的火星塞 [5]
汽門啟閉時間調整
通常來說，四行程發動機會有一整個行程，也就是曲軸半圈的路程來給汽缸進氣、或排氣， 不過當曲軸轉速不斷挑戰極限的時候，「空氣進入與排出需要時間」來完成的這點就會成為必須面對的特性。 為此人們會微調修正汽門的開啟和關閉時機，就好像調整點火時機那樣。
在進氣行程，活塞快速往下運動， 油氣來不及即時補充進來，使汽缸內形成一個壓力比外面還低的所謂「負壓」狀態， 並且進氣時的缸內壓力差也是隨著轉速的增加而愈大。 這導致一個問題，如果在活塞到達下死點的時候就關閉進氣門，那麼汽缸其實並沒有吸入足量的油氣； 當然整個動力行程還是能夠繼續進行，只不過能夠得到的動力就比預期的低了， 至於動力降低多少得看進氣有多麼不足而定。 那麼延後進氣門的關閉時機就可以緩解這個問題，讓油氣能有更多的時間填充入汽缸內。 當然汽門也不能延後關閉太多，當缸內外壓力達到平衡之後如果進氣門還開著， 那麼就會反向把油氣從進氣門給推出去了。
在排氣行程，讀過我往期活塞發動機系列文章的讀者一定知道， 汽缸在完成膨脹做功行程之後其實還有一定份量的剩餘壓力沒有用完， 也就是說在排氣行程開始的時候，缸內氣壓還是挺大的。 如果曲軸轉速並不快的話這倒沒什麼問題，排氣門一開，廢氣就會衝出來了。 但是我們現在要挑戰的可是轉速極限，必須考慮到排氣門可能無法讓氣體即時通過的問題， 那麼這樣的話，整個排氣行程可能活塞就是在頂著排氣的壓力前進了！ 這下好了，原來我們只想著壓縮行程會大量消耗曲軸動力，現在連排氣行程也要消耗可觀的動力， 這影響可大了，該怎麼辦呢？ 於是我排氣閥就早一點打開，在膨脹行程走到尾端就快要結束的時候，我就先打開排氣門，讓廢氣先開始衝出去了。 這樣就可以降低排氣行程的活塞阻力，使排氣更加順暢，也減少動力消耗。 當然提前排氣的時機也得恰到好處，否則太早開始排氣的話， 排氣是順暢了沒錯，但膨脹行程的損失反而讓我們得不償失！
到了排氣行程的尾端，即將銜接進氣行程的時候， 我可以讓排氣門再維持開啟狀態稍微久一點，同時也提前打開進氣門。 這樣可以利用下一輪的進氣來將缸內剩餘空間的最後一點廢氣給推出去， 甚至如果引擎的其他狀態剛好匹配的話，排氣管的週期性低壓還可以助力把下一輪的進氣給抽入缸內， 達到進氣排氣互相幫助的作用。 進氣幫助推出排氣，排氣幫助抽入進氣。
全部一套整理下來，可以發現無論哪個汽門，調整就是依照著「早開晚關」的方向進行的。 這樣的調整會產生一些副作用， 進氣門晚關會導致損失壓縮行程的壓縮率，排氣門早開會導致損失膨脹行程的膨脹率。 單獨只看壓縮與膨脹這兩個行程的話，其實會造成動力和效率的損失； 不過如果進排氣導致的損失更大的話，那麼汽門調整的正面幫助就大於負面損失。 總體而言可以使汽缸的呼吸更加順暢，延後汽缸「喘到上氣不接下氣」的時機， 極限轉速可以再往上拉高，總功率自然就能更大了。 不過也與點火時機調整的情況類似， 汽門該多早開啟、與該多晚關閉的最佳時間，在不同的曲軸轉速下不是一樣的。 如果為了高轉速的順暢性調整汽門，那麼就會導致中低轉速下的無力並加重油耗； 如果為了中低轉速做最佳調整，那麼就會導致極限轉速降低，從而降低整體能夠輸出的最大功率。
汽門不像火星塞那樣通電就能點火，而是需要足夠的力量才能頂開汽門，因此一般還是得靠凸輪軸來進行。 那麼解決不同轉速區間的最佳調校設定不同的辦法， 就是使用兩組不同調校設定的凸輪軸(或同一支軸上的兩組凸輪，概念是一樣的)， 然後使用機械結構在不同的轉速區間切換使用不同的凸輪設定，這樣就可以顧及兩個不同轉速區間的性能表現。 當然也可以如法炮製，使用更多組凸輪軸去適配更多的轉速區間， 只不過要面對的就是重量、複雜性、製造與維護成本的上漲問題。 現代也開始出現一些電子控制凸輪軸調整位移的解決方案，理論上可以做到無段調整最佳汽門角位置， 只不過如果看的是二戰時期老飛機的話，當然就不用期望這種科技的加持了。
Figure 4. 可變氣門正時機構 [6]
排氣管回壓輔助抽氣
活塞引擎的排氣管，先不管裝在排氣管上面的設備如觸媒轉化器、消音器等， 就單純一根排氣管的主要作用是引導廢氣到適合的位置去排放，而非讓廢氣直接從汽缸頭放出來。 然而就是這樣簡單的排氣管，竟然還能夠在上面做文章呢！
Figure 5. 高速攝影機嚇的槍口風暴 [7]
活塞發動機的排氣並不是連續的，而是一段一段的突波式間斷性排放， 這當然是因為四行程結構的運作特性所致的自然結果，只有在每次排氣門打開的時候才會突然衝出一股高壓廢氣。 但是當這一波高壓衝出排氣管端口後，卻反而會形成一股低壓， 這是因為氣體和一般物體同樣具有慣性的現象。 當高壓氣往低壓區衝，達到理論上應該壓力平衡的時候氣體其實還停不下來而繼續在往前衝。 於是這種因為氣體慣性而衝過頭的結果，就會導致原來是高壓的位置反而產生了一股低壓， 而這股低壓自然就產生吸引力。 這種現象其實在各種會突然產生壓力波的地方都能看到， 比方在上圖(Figure 5)高速攝影機下拍攝的槍口風暴產生的氣泡， 就給我們視覺化的呈現了先膨脹，再膨脹衝過頭產生低壓而收縮， 然後又收縮過頭產生高壓而膨脹、再收縮、再膨脹的過程。
回到排氣管，當高壓往排氣管外面宣洩之後同樣會產生一股低壓， 這股低壓會形成將排氣管內的氣體給往外拉出來的壓力，同時這股低壓波會往回傳遞直到回到汽缸頭。 那麼當這股低壓沿著排氣管回到汽缸頭的時候，如果正巧遇上排氣閥門剛好打開呢？ 那麼這股低壓就會順勢幫助將汽缸內的廢氣抽出來。 而且我們知道排氣閥門有一段時間與進氣閥門同時開啟， 所以這股低壓甚至可以幫手一把將新的油氣給抽入汽缸。
這樣一套下來的結果就是在適當的巧妙設計之下，排氣的壓力回波可以被利用來幫助汽缸抽氣和吸氣， 加速氣體的抽換時間、減低進排氣阻力。 一般來說這樣的設計是靠調整排氣管的長度來做到的， 當壓力波從汽缸頭傳到另一端再返回的時間正好對上動力行程的週期， 就能因為進排氣阻力的下降而讓發動機能輸出更多的功率。 不過另一方面，這種設計要能起效的條件就是壓力傳播的速度正好吻合氣閥開關的時機， 意思就是只有在特定的設計轉速附近才能得到最佳的效果， 至於在設計轉速之外的其它狀態則不能提供什麼幫助。 此外為了讓多缸引擎的所有汽缸在設計的最佳轉速下同時處於最佳狀態， 就需要不同位置的各汽缸的排氣管長度相同， 於是這就形成了現在活塞發動機都會將排氣管繞成一些奇怪的形狀的原因！
Figure 6. 為了使排氣管連接至每個汽缸的長度是相等的，而進行了適當的彎繞 [8]
Figure 7. 為了使排氣管連接至每個汽缸的長度是相等的，而進行了適當的彎繞 [9]
減少活塞行程長度
活塞和汽缸之間的滑動條件也同樣成為限制曲軸轉速的瓶頸。 活塞和汽缸之間(以及其它運動零件也是同樣的)其實並非直接接觸， 而是有薄薄一層機油形成的油膜在中間作為阻隔和潤滑。 當曲軸轉速過高的時候，這層油膜就會因為難以維持而出現缺口，使兩邊材料發生真正的摩擦， 導致阻力突然升高之外，也會加速磨耗，快速減少活塞和汽缸的使用壽命。 而活塞移動、摩擦、與潤滑的問題，同樣也是限制發動機最高轉速的主因之一！
活塞因為和汽缸之間除了移動之外還有氣密的需求，因此難以使用類似滾珠軸承那樣的解決方案。 為了減緩摩擦導致的問題，除了換用不同配方的機油之外，減少活塞的移動距離也是個務實的方案。 當活塞的行程距離縮短，在同樣曲軸轉速下的活塞移動速度就變慢了， 換句話說就是在同樣的活塞極限運動速度之下，曲軸的極限轉速可以更高。 不過若只是單純的減少活塞行程的話，會導致汽缸容積下降、以及壓縮比下降的副作用， 那麼為了維持同樣的容積和壓縮比，汽缸的直徑就得造的大一點，使整個汽缸看起來會更寬、更扁些。 相比於我們一般印象中的「正常」汽缸形狀比例， 把汽缸造的更寬更扁除了可以容許更高的曲軸轉速之外，還有一些其它好處。 例如汽缸頭的面積更大，可以安排更大的氣閥，使進排氣更加順暢快速，有利高轉速運作； 又比方因為活塞行程縮短，活塞連桿和曲柄的長度都減少了，有利於整體輕量化等。
Figure 8. 各種不同長徑比汽缸的運作動畫 [10]
既然把汽缸造的更寬更扁有這麼多好處，那麼為什麼一般的發動機不這麼造呢？ 顯然是因為這麼做是存在副作用的！ 短行程活塞的曲柄半徑縮小，也就是給曲軸施加的旋轉力臂變小了， 雖然活塞面積增加了(為了維持汽缸容積和壓縮率的關係)，因此給曲柄施加的力道也變大了， 一來一回之下其實扭矩沒什麼改變，但是活塞連桿以及曲柄轉軸承受的應力更大了。 活塞的行程縮短，也表示對於誤差的容忍度更低，無論是零件間隙還是製造與裝配上的誤差， 其中一點點的偏移都能導致最終性能表現的惡劣影響。 相比於一般常見的「正常」長行程活塞汽缸配置來說，短行程的設計對於精密加工和裝配的要求更高， 對於正時調校等等的難度和精度要求也同樣更加嚴苛。 此外為了保持同樣的壓縮比，活塞行至上死點時在汽缸頭所形成的「燃燒室」形狀變得更加寬扁而不「方正」， 給燃燒和火焰傳遞造成了更加不利的局面。 相對比之下，活塞行程比例較長的設計對於各種誤差條件的容忍度是相對較高的， 燃燒空間更合理、機件應力分佈更不極端， 因此當研發生產等成本有所考量顧慮的時候，就會更傾向於不採用短行程設計。
諸如此類的特性使得寬扁造型的汽缸雖然可以拉高極限轉速使極限馬力增加， 但是各方上漲的成本使得通常只有追求高性能的應用如跑車、賽車等才會採用此種設計。 另一方面，經由前面許多影響因素的探討中我們能夠得知一件事： 許多的調整調校與設計都是和轉速有關的，通常無法兼顧在各種轉速之下都能擁有最佳表現。 而寬扁汽缸(低長徑比汽缸)的應用場合多半都是為了追求轉速壓榨發動機馬力， 因此往往破罐子破摔，各種調校往往著重在高轉速時的最佳表現。 這一套組合下來，造成了採用低長徑比汽缸配置的發動機在中低轉速表現不佳的通常現象。
不過以上其實都是基於維持汽缸容積、和維持壓縮比的前提之下的結果， 然而現實上很多這些講究動力性能的發動機其實並沒有堅持這樣的前提！ 它們不只減少活塞衝程，還同時降低了汽缸容積或壓縮率， 除了改善比較次要的燃燒室形狀問題外(因為燃燒室的形狀也可以透過改變汽缸頭的空間設計來調整改善)， 可能更大的原因是考量到在高轉速條件下的汽缸溫度所致。 當然這麼設計在改善避免某些問題之外，壓縮率降低的結果也導致燃油效率降低、和扭力降低的缺點； 當然對於極需壓榨發動機馬力的需求下也許這是可以承受的缺點， 只不過這就更加加重了一般人對於高轉速發動機扭力都會偏低的認知了！
加強單缸功率
在探究完轉速與功率的關係之後，現在讓我們將注意力放到發動機總體功率的另一大項影響因素： 單一汽缸的單次做功輸出。
增加燃料量
一個非常簡單且直覺的做法就是在每次的動力循環中投放更多的燃料。 增加燃料量的方法，在使用化油器引擎上就是提高進氣的燃料濃度，在燃料噴注式引擎上就是每次注入多一點燃料， 總之就是提高進入汽缸內混合氣體的燃料濃度，也就是降低空燃比。 一次燃燒更多的燃料可以使增溫幅度更大，增壓幅度也會更大，動力輸出自然也更大。 雖然正如前篇 [4] 所述， 降低空燃比會導致氣體的比熱和膨脹相關特性不太好，使效率降低， 但是既然現在我們更想要的是動力，那麼這點效能損失就在所難免了！
然而這種簡單的做法卻也存在一個明顯的限制：汽缸內的氧氣容量決定了能夠參與氧化反應的燃料量上限！ 汽缸裡面一次進氣的空氣就這麼多，氧氣含量也就佔 23%，最多就是把氧氣給完全消耗完。 因此汽缸一次動力行程能夠燃燒的燃料其實也是很有限的，超過了氧氣能夠氧化的多餘燃料其實並沒有作用， 再多噴的燃料也只是浪費掉而已！
從理論化學角度來看，14.7 的空燃比就是燃料與氧能夠完全互相反應的上限了。 不過實際上因為燃燒總是無法那麼完美，總是會有一些些燃料其實是沒能參與燃燒的， 因此實務上要完全消耗氧氣的空燃比大約在 13 上下，也就是混合氣燃料佔比 7.14%。 實務上如果空燃比比這個數字還低的話，發動機廠的主要目的可能是想利用燃料的蒸發來為汽缸散熱， 而不是讓活塞提供更多的動力。 如果說空燃比最小值是 13 的話，參考一般汽油引擎空燃比最大值約在 18 左右， 那麼換算下來，其實油氣燃料佔比的調整浮動範圍也就在 5.56% ~ 7.69% 之間。 所以雖然提高噴油量的想法很符合直覺，但是站在榨取動力的角度，其能夠提供的動力提升範圍著實並不多； 而實務上調整空燃比的目的反而主要是為了在提高燃油效率、和降低汽缸溫度之間取得平衡的目的。
增加壓縮比
提高壓縮比可以顯著提高做功效率，自然也就提高了功率輸出。 關於這原理我在前篇 [1] 已有進行深入探討， 實務上也確實各家發動機廠，不單是汽油引擎，而是所有燒油的發動機都在卯足了勁提高壓縮率。 並且現實上每當哪家廠商能夠做出壓縮率更高的發動機，其無論是動力還是效率都會高出競爭對手一截 (至於這個一截是多大一截還得看壓縮比提高了多少而定)。
然而提高壓縮比這個方法也確實存在難以跨越的障礙， 以汽油發動機的角度來說，壓縮比的上限來自於汽油自燃溫度的限制。 在這方向上若想要有更大幅度的突破，可能主要得依賴化學工業那方面朋友們的研發改進成果， 反而發動機設計這邊沒什麼能夠插手的空間！
增加膨脹比
我們知道目前所討論的活塞引擎都有一個特性，膨脹行程的氣體在被排放出去的時候仍然具有一定程度的能量， 這些能量並沒有被很好的捕捉利用就被排放掉了。 那麼如果能夠在機械結構設計上發揮一點巧思來捕捉這些能量的話，不就能夠提升單缸功率了嗎？ 是的，這個想法沒錯，並且現代確實也存在這樣的機構能夠讓汽缸活塞捕捉更多的氣體膨脹能量； 但是對於講求大功率的發動機設計來說，往往不會使用這樣的設計！
就前面解釋過的同樣原因，增加活塞膨脹的行程會導致曲軸極限轉速降低。 況且在氣體膨脹的尾端其實壓力已經處於低檔了，白話來說就是推動活塞的力量有限， 反而你得給它更多的時間去充份做功。 綜合這麼一套弄下來，曲軸轉速快不起來，總功率反而更低了！ 因此現實上增加膨脹比的方案往往是為了提升燃油效率的目的，而非增加功率的目的； 而在講究功率極大化的應用場合上，絕大多數時候並不會考慮增加膨脹比。
增加汽缸容量
增加汽缸容量也是個很直觀能提升功率手段。 增加汽缸尺寸就能增加進氣的量， 就可以直接增加汽缸每次循環的做功大小(汽缸活塞做功就是壓力乘體積的積分結果)。 並且進氣的份量增加了，氧的份量也同樣增加了，就能夠噴入更多的燃料來參與燃燒增溫。
但是增加汽缸容量也有明顯的缺點，直接能導致發動機的體積和重量等比增加。 體積和重量的增大，在帶來更多功率的同時也會帶來負擔，過度變大的結果不一定會更好， 因此實際上得看應用場合而決定汽缸能夠造多大。 比方說用在船上的柴油發動機，其體積和重量的限制都是非常寬鬆的，因此能夠打造出比人還高的汽缸， 總體尺寸達幾層樓高度的巨型發動機(至於這種巨型引擎轉速大約只有數十個 RPM 的範圍)； 但是放在車上、和放在飛機上的用途來說，顯然就不能這麼造了！ 另一方面如同前面解釋過的內容，活塞行程的長度會影響曲軸的極限轉速， 因此過大的汽缸除了導致體積重量直線飆升外，同樣會帶來極限轉速降低的不利影響。 此外汽缸容量增加超過一個幅度，也會導致油氣不容易均勻混合，以及大容積之下的燃燒不容易控制等問題； 當然這些問題並非無解，只要給它更多的時間去完成這些事情就行…… 於是曲軸的轉速就得更慢了！ 這樣多方面影響下來，過度增加汽缸容量除了一次可以吸入比較多空氣之外，剩下全是不利因素， 對於看重功率重量(或體積)比的用途來說是得不償失的！
綜合全部因素下來，通常在特定的應用用途上其實會存在所謂的最佳汽缸容積， 這個數值在各廠家的不同設計之下或有起伏，但大體上大家都大差不差的。 以汽車來說單缸容積大約在 0.5 L 左右，而在飛機上單缸約在 2.5 L ~ 3 L 上下是最適合的容量大小。
Figure 9. 有數層樓高的船用大型柴油機 [11]
Figure 10. 大型柴油機的內部構造 [12]
增加進氣壓力
增加進氣壓力同樣也能增加單缸的做功輸出，並且對曲軸轉速沒有不利的影響，現實上其實是很常被使用的方案。
一般來說進氣時的空氣條件就是一般室外的大氣條件， 這樣如果要提高進氣壓力的話，我們只能找個氣壓比較大的地區來開車； 當然實務上我們採用的是人工製造高壓進氣的方案， 也就是在汽缸進氣之前，先使用額外的壓縮機來對吸入的空氣進行壓縮，然後再送進汽缸去做剩下的事情。 這種方案其實就是現在常說的「渦輪增壓」、「Supercharger」等方案， 對於功率的提升那可不是一星半點，而是能夠帶來階段性的功率大幅躍升！
其實在簡化的原理上，增壓器與汽缸同樣是在做壓縮空氣的事情， 也就是說增加器的作用等效於使用了一個容積更大的汽缸、和更大的壓縮比， 卻沒有真正使用大汽缸帶來的體積重量飆升缺點； 但是為了簡單理解核心原理概念，這裡就把增壓器的存在當作是給發動機換上了一個虛擬的大汽缸來解說。 那麼使用增壓器的方案在效果上就如同前面描述過的採用更大汽缸的方案， 更高的壓縮率本來就能提升能量轉換效率，這點我從前 [1] 有說明過； 此外更大的汽缸容積等同於有更多的空氣被吸入汽缸，氧氣含量也就更大了， 這樣又能夠噴入更多的燃料參與燃燒。
不過若再繼續探究下去， 對於增壓器這種活塞發動機上面的「作弊外掛裝置」並不只是簡簡單單的提高進氣壓力這樣而已， 其對發動機的影響實際上複雜多了，值得以獨立的一篇文章來進行探討， 因此在本篇不會過度深入解釋。
增加汽缸數量
探討完在曲軸轉速與單缸做功方面下手的方案之後，現在來看看這個發動機功率公式裡的最後一項：汽缸數量。
增加汽缸數量其實是個相當實際有用的方案。 回顧前面提過的各種方案會發現，絕大多數方案都存在調整幅度的限制， 過度增加單一技術的效果往往會在另一個方面帶來不利局面，例如許多方案的副作用是導致曲軸轉速降低！ 對此，給發動機增加汽缸數量的效果等同於增加了空氣容積，卻沒有給單一汽缸增加容積所帶來的各種缺點， 如曲軸轉速降低、油氣混合與燃燒控制不易等。 因此就造成了一個現象，那些追求功率的發動機，不論是在車上還是在飛機上，無不卯足了勁在堆疊汽缸數量！ 航空用的大馬力活塞發動機幾乎都是星型佈局，主因就是汽缸數量夠多； 地上跑的布加迪威龍之所以採用 W 佈局，也是因為能在合理的幾何尺寸之下塞進更多的汽缸。 這些我從前也解釋過 [13] 。 我之前還教過大家去數汽缸數量就能夠粗略猜測發動機的馬力， 也是因為在差不多同時代的技術水準之下，對於單一汽缸、以及影響曲軸轉速的運氣通暢度等， 能夠下手改善的幅度是差不多的，因此汽缸數量就成為影響整體功率的最主要因素； 實際表現結果也許各廠牌各型號稍有好有壞，但功率基本會正比於汽缸數量。
不過汽缸數量也並不是因此可以無限增加。 除了沒有增加單缸容積會導致極限轉速降低的不利因素外，增加汽缸數量同樣會導致重量等比增加的結果； 增加汽缸數量同樣也會導致發動機體積上升，只不過相比於為單缸增加容積而言， 汽缸數量的增加可以依靠比較合理的空間排佈來避免單一方向幾何尺寸過大的問題。 此外增加汽缸的數量也會使得各種機械結構零件更加複雜化， 更多的曲柄和凸輪、更多的火星塞、更複雜的進排氣管路等等， 設計製造和維護的成本同樣直線上升，也同樣會導致較高的故障率。 因此在綜合了體積重量、生產製造成本、維護成本、故障率、和可靠性等各項條件之後， 一款實用的活塞發動機同樣存在一個模糊的汽缸數量限制，並不能夠無限的增加上去。 歷史上在航空領域曾經出現過在這項屬性上最登峰造極的產品，莫過於就是 P&W 的 R-4360 (Figure 11)， 採用星型四列總共 28 缸的發動機，總重 1.7 頓，排氣量 71.5 L，總功率達 4300 hp， 可謂是在那個活塞發動機主宰天空的時代裡，最令人嘆為觀止的存在了！
Figure 11. P&W R-4360 發動機，採四列星型佈局，總共有 28 個汽缸 [14]
結論
本篇介紹了那些在汽油發動機上用來追求極致功率的手段； 當然實際上可能還有更多的可用技術沒有被介紹到，那不是別的原因，單純就是筆者我所學有限而已！ 在這許多被人類應用的技術裡面探討完一圈之後，會發現每一項技術的效果都是很有限的， 雖確實能有程度高低不等的幫助，卻也同樣具有效用天花板，並且許多的改善方案往往是與轉速發生衝突的！ 當然們竭盡可能最大程度的採用各種補丁措施，發動機轉速仍受到兩項因素根本性的制約： 進氣排氣順暢度和阻力、以及活塞汽缸摩擦潤滑問題。 甚至於當轉速過高的時候還會發生一些億想不到的問題，例如進排氣閥門因為慣性的關係來不及關上而敲到活塞等。 但是繼續探究到底便不難發現，往復式活塞引擎最根本性的問題其實就出在「往復」這兩個字上。 活塞引擎的基本運作特性，決定了它的各項工作不是連續穩定進行的，而是間斷性、週期性循環的。 因為這樣基於根本性結構的特性，使得一旦要它賣力運作起來， 就會導致留給每一個週期裡的每一項工作被壓縮的只有極其短暫的時間， 此即成為了後續所延伸大量問題的根本源頭。
於是在做盡大量努力之後，增加汽缸數量竟成了除了增壓機之外最後有效提升功率的方案； 然而這個方案的成本代價也並不小，在增加馬力的同時必須要等比例的增加發動機尺寸和重量 (通常人們真正追求的改善方案是能夠大幅增加功率輸出，卻只需要小幅重量體積的代價， 因此即便是等比例的負擔增加其實已經不是很划算了，特別是對於體積和重量敏感的航空器而言)。 當然這種方案在有效增加功率之餘也同樣有效的增加各種複雜度和故障率，加上同比例增加的尺寸與重量， 使得飛機設計師們在得到更大的推力之餘，還得惦量一下優劣利弊是否划算？！
曾經作為開啟航空新世界的魔法水晶而存在的汽油引擎， 在那個仍是活塞發動機主宰的航空時代裡就這麼走進了挖掘潛力逐漸枯竭的地步， 在沒有其它替代方案的情況下誕生過一些奇葩方案和工程巨獸。 當然我們後世人可以偷看歷史進程，知道在後來出現了一種完全不同於以往的全新想法思路， 使得突然之間在航空領域裡為活塞發動機壓榨馬力的一切努力都失去了價值， 並且讓喜新厭舊的人們立刻琵琶別抱；不過，這是另一個故事了……。 在航空的世界裡，以活塞汽油為主的發動機在大約二次大戰的末期來到最高峰， 實用發動機的最大馬力最終也被定格在大約 4000 匹上下； 若排除掉像是 R-4360 這種不尋常的例子而只考量最為普遍廣泛的情況的話， 則甚至最大功率只有 2000 匹馬力左右(這個「甚至只有」當然是以現代的標準來看的)。
不過，汽油發動機的功率潛能有限這事還是看場合的，在其它許多領域裡汽油發動機顯然仍是游刃有餘。 比如在陸地上，甚至於有些時候其實是動力過剩了，使人們不得不想辦法減少發動機功率以追求更高的經濟效益！
那麼下一篇，就讓我們繼續追逐活塞發動機動力高峰的話題，來談一談本篇所留下的那個空白。
這個外掛的小東西可不僅僅只是大幅提升發動機功效而已，也是航空動力史上作為承先啟後繼往開來的中間重要轉折；
還讓在民用領域大部份難以成為飛機駕駛員的我們一般人，能夠在地上體驗一把航空渦輪引擎的脾氣！ (_)
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