活塞引擎 13：化油器與油門

其實化油器的主體結構非常非常簡單，如上圖(Figure 2)所示， 就是一個管子，從外面進來的空氣可以直接通過，就是管子中間有個縮口設計而已。 然後不論是白努利、還是文氏管原理都告訴我們，空氣在經過縮口的時候速度會變快、壓力會變低， 於是就把縮口當中一個小縫管路裡的油給吸出來霧化，和經過的空氣自然混合一起了。 這就和一些噴漆罐如何將油漆打散成小顆粒並和空氣混合噴務而出的原理是一樣的。

了解了化油器的核心原理之後，可能會發現在實現上這種裝置的作用必須仰賴油管的油壓穩定且恆定。 否則油壓太高會導致過多的燃料過多流出，甚至沒等被空氣吸出去就自己先以液體狀態流入氣管， 另一方面若油壓太低則會導致不容易被吸出，甚至可能吸不到油。 這就是為什麼化油器旁邊要有一個小輔助油箱的原因了，先將汽油適量的從油箱抽入這個輔助油箱裡， 藉著控制輔助油箱的液面維持在穩定的位置，從而穩定狹管內的液體壓力。 不過這樣的設計也從根本上給了它一個嚴重的缺陷：它的正常工作往往仰賴穩定的重力狀態。 如果車子準備爬個大陡坡，比如 45 度的那種，或者要衝個大下坡， 或者要上下翻兩圈、或者玩自由落體等等，就容易使化油器供油不穩定，容易過量供油、或者斷油熄火。 當然車子要這麼玩是有點誇張了，可是放到飛機上，特別是戰鬥機上面……， 這就是為什麼二戰時期那些採用化油器的戰機在做垂直俯衝等過激動做的時候容易斷油熄火的原因了！

不論汽車、飛機、還是船舶，都有一個很重要的需求，就是要能夠控制發動機的輸出功率大小， 而不是一啟動就工作在最大功率狀態直到熄火為止。 這就是油門的目的了，是用來即時的、大高低跨度的控制發動機輸出功率的主要設備。

我們都說油門油門，感覺好像就是依靠調整注油量來控制引擎的出力，然而實際上並不是。 其實我在往期的文章也解釋過了，注油的量確實可以高低調整，但是能夠調整的範圍其實非常有限。 油噴太多了浪費，畢竟汽缸裡的空氣就那麼多、氧就那麼多，把氧耗完之後多出來的油都是白白噴掉的； 油噴太少了則會讓點火困難，甚至過於稀薄的油氣無法被點燃。 因此通常來說，噴油的量其實並不太能夠大範圍調整， 只要汽缸裡面的活塞抽氣了，那麼該噴多少油進去就要噴多少油進去， 無論當下油門到底是整個鬆開的還是已經被踩到底的！ 最終每次灌注進入汽缸內的注油量確實是可以調整的，但那都是基於別的目的要調整油氣濃度所產生的行為， 而如果要依賴此注油量的高低來控制引擎出力大小的話，那麼只能說是非常不實用的！

那麼我們基於大範圍調整功率輸出的目的到底該如何進行控制呢？ 主要還是得透過控制曲軸的轉速這個方式來進行。 那麼人們都怎麼控制曲軸轉速呢？ 除了使用變速箱來調整曲軸負載以控制轉速之外， 基本上所有活塞式發動機都是依靠調整進氣管的進氣阻力來達成的， 也就是在上圖(Figure 3)化油器的下游處有一個被標示為 throttle 的閥門在控制的。 這個閥門就是「節氣門」(throttle valve)，它的開關程度會造成不一樣的管路阻力， 全開的時候油氣可以完全順暢的通過， 而接近全關的時候(不會完全關閉的程度，否則沒氣就得熄火了)油氣的流動阻力最大。 藉由控制進氣管不同程度的流動阻力，它影響的其實是汽缸在進氣行程時候的吸氣阻力， 是用刻意增加的吸氣阻力來調整進氣時油氣充填的速度，使活塞因為阻力變大而慢下來。 這其實就和往期文章在探討 進排氣阻力 ^[2] 的原理是一模一樣的， 不同的是從前探討的是發動機在極限轉速之下所遭遇的氣體流動阻力問題， 而現在這個是為了讓發動機能夠不要那麼賣力工作而人工主動加入的氣體流動阻力。

但另一方面，節氣門半開時所造成的人工氣流阻力確實會內耗發動機的動力， 就如同使用電阻來控制燈泡的亮度一樣會導致一部份電能在電阻上被消耗掉。 所以使用節氣門來調降發動機輸出功率的同時， 也會消耗掉發動機的功率(節氣門開的愈小則消耗的比例愈多)，導致燃油效率降低。 但是兩害相權取其輕，當我們需要低功率輸出的時候，比方說在慢速航行、或停車怠速的時候， 雖然這時引擎的效率低，但是因為轉速也同樣受限而降低，因此燃油的消耗速度更慢了； 比起讓它高效運作然後嘩嘩燒油，顯然這時候讓它處在低效狀態但是燃油燒慢一點是更好的。

另外，這也是為什麼發動機的最高效工作轉速位在中間某個位置的原因， 因為在轉速偏高時會遭遇各種「喘不過氣」 ^[3] 的阻礙而導致效率降低， 而某個程度以下的低轉速多半是靠節氣門來控制的，此時節氣門的氣流阻力消耗成為效率降低的主要元兇。 那麼意思是不是說，如果節氣門全開，但是仍然維持低轉速的話， 是不是就是真正燃油效率最高的狀態了呢？ 這還真是這樣沒錯！ 這就要說到除了節氣門之外能夠有效控制發動機轉速的另一個設備：變速箱。 變速箱通過調整曲軸的負荷力道來控制 — 或者更精確的說其實是適配 — 曲軸轉速， 不過有關變速箱以及其相關的內容已經超出了本系列所設定的主題，因此不會多談。

如果要最大化發動機的燃油效率， 那麼曲軸的轉速就要愈低愈好，能夠最大程度減小「喘不過氣」所造成的消耗。 並且節氣門也要在全開的狀態，以完全消除節氣門本身的消耗，並且同時還要維持低轉速。 因此最後還需要給發動機掛上一個很大的後端負載，用通俗白話文來說就是變速箱要掛在最高檔位上， 才能完全符合前面所設定的所有條件，而此時也將是發動機理論上能夠達到最高燃油效率的時候。 當然這是一個過度理想並且完全忽略了實用性需求的結果， 它排除了在此運轉狀態下馬力低，導致加速性不佳，可能隨便一個小坡都能讓車爬不上去的實用性問題， 也同樣不考慮發動機的結構承受能力、以及是否容易造成損壞的耐用性等等問題。

在上面的化油器原理示意圖中(Figure 3)，我們可以看到長的像節氣門那樣的閥門有兩個。 其實這兩個閥門是一模一樣的，只不過名字不一樣，一個在上游、一個在下游， 下游那個就是剛剛介紹過的節氣門，而上游的則叫作「阻風門」(choke valve)。 阻風門的動作原理與節氣門一模一樣，都是人工增加氣流阻力的裝置， 不過在噴油管上游的這個閥門有一個很重要的作用：控制油氣混合的濃度。

當後面的活塞和汽缸在工作狀態的時候，它們是不斷在從進氣管大量抽氣的， 也就是說化油器這邊管路內的空氣是受到後面一股力量在抽取。 而當位於上游的阻風門半開的時候，會導致後方噴油管那裡的空氣壓力降低且密度降低。 也就是說假設同樣份量的汽油被吸出油管並霧化到空氣中，但是這時通過的空氣份量少了， 於是油的佔比(濃度)就提高了。

油氣濃度控制，對於大部份的汽車駕駛來說可能比較陌生， 因為一般來說只有在可能比較注重性能的車款，才可能會在比較隱密的某個角落， 出現有可被駕駛員控制的油氣濃度控制器。 可是在飛機上，油氣濃度控制可是一個經常會需要被調節的東西， 以至於和油門擺在一起成為駕駛員伸手最容易控制的位置(雖然比起油門，它的位階還是明顯低一些)。 為什麼呢？除了有時候可能因為需要長距離飛行而刻意調低油氣濃度以提高燃油效率之外， 最主要的原因還是因為飛機的飛行高度變動範圍太大的緣故。 當飛機的飛行高度愈來愈高，吸入的空氣壓力和密度也會愈來愈低 (即便可能有增壓器的幫忙，進氣的壓力與密度仍然是隨高度逐漸降低的，只是趨勢比較平緩些)， 那麼汽缸內氧氣的含量也是逐漸降低。 這時候對於地面上正巧足夠的油氣濃度在高空中就會顯得過濃， 造成很大一部份並不能夠參與燃燒而被浪費掉， 因此通常來說就會需要隨著飛行高度的變化而不斷調整供油濃度。

下圖(Figure 4)就是 P-51 戰鬥機駕駛艙， 圖中標記的就是操作頻率最高的三個控制器的位置： 油門(飛機上可能更喜歡叫「節流閥」)、螺距、與油氣濃度控制器。 通常在正常飛行的姿勢下，駕駛員的右手握著雙腿中間的操縱桿，而左手就放在節流閥上面。 上面的照片可能對一般並不熟悉飛機駕駛艙的人來說顯得不容易看清楚， 那麼下圖(Figure 5)就是三個主要控制器的模型， 雖不完全是與上圖同一個零件，但是對於初次認識飛機上的控制器的人來說已是足夠理解了。 這控制器上有三個把手可以往前推或往後拉， 最左邊那個把手最大的那根桿就是節流閥，也就是通俗所稱的油門，往前推則油門加大； 最右邊紅色把手的桿就是油氣濃度控制桿，往前推則油氣濃度高； 中間的桿是用來控制螺旋槳螺距與轉速，可以理解為與汽車上的排檔桿作用相同， 往前推則螺旋槳轉速高、即檔位低。

解釋完化油器的基本原理與相關的操作邏輯，其實在實務產品上還有一些其它的細節就不深入探討了。 比如說突然猛加油門的時候，汽油因為慣性的緣故還來不及被增量吸入，而導致瞬間油氣過稀的問題等； 或者在倒飛的時候如何使附掛小油箱能夠正常工作的問題等等。 為了這些問題，其實在實用的化油器上面可能還打了許多相關的補丁 (當然廉價或早期產品可能就沒有了，所以老車突然大油門的操作可能會導致熄火)， 但是也仍有許多東西它只能一定程度的改善而無法完全處理好，例如如果要精確控制每次吸入的燃油量的話。 而這些方方面面的問題與補丁都在昭示著化油器最大的根本性問題：穩定性不足，不容易精細控制。

化油器本身的簡單和使用門檻低的特性， 使得在人類技術積累還不足的時代可以立刻承擔使活塞發動機能夠工作的關鍵角色， 但是當人類不斷在性能、燃油經濟性等方面吹毛求疵的時候，它的瓶頸限制就逐漸顯露出來了。 這就是為什麼後來噴霧注射會逐漸取代化油器的原因了。 雖然成本和技術難度都提高，但是它靈活且精準，在電腦和感測器的作用下， 每次噴多少油或甚至不噴油等就都是精確可控的。