活塞引擎 14：啟動

March 30, 2025

有關活塞引擎的系列差不多要告一段落了。當然活塞引擎主題還能有非常多的內容，不過因為我所知有限的緣故，不能再分享更多。那麼作為主題的最後一個內容，我們來看看一個可能有點意思的東西：如何發動一臺汽油活塞發動機。

怠速

在探討如何啟動之前，先來思考另一個問題：一臺活塞發動運轉的最低限度為何？也就是說，以最低的資源消耗 — 也就是燃料 — 維持引擎依然能夠自力持續運轉的最低臨界轉速。一旦發動機轉速低於這個臨界值，則將無法再繼續維持持續的運轉，俗稱熄火；另一方面這也是我們試圖從靜止狀態啟動一臺發動機的時候，所必須超越的最低轉速。

先看特性最為鮮明的單缸發動機。四行程活塞引擎在轉動兩圈的過程中只有其中的半圈能夠出力，而剩下的一圈半則不只不能出力，還得吃力才能夠完成，這部份依賴的是飛輪所儲存的角動能 ^[1]。飛輪的角動能大小與轉速的快慢直接相關，因此當轉速慢到某一個程度以下，飛輪就將無法再繼續提供足夠的動力讓活塞能夠順利的度過一圈半的行程。飛輪必須具有足夠的轉速才能夠供應活塞完整走過四個行程的循環，這項原因也成為在單缸引擎上決定最低轉速限度的主要因素。

當汽缸數量多起來，比方說當有了兩個汽缸的時候，因為兩個汽缸可以在不同的時間點發力，因此需要依賴飛輪動能的部份從單缸時的一圈半，變成只需要一圈就好。在飛輪的負擔變輕之下，雙缸配置下維持運轉的極限最低轉速自然就比單缸情況更低了。以此類推，三缸的最低臨界轉速又會在更低，而當汽缸數量大於四缸以後，轉速便不再受此限制。因為在四缸以上的情況下，曲軸不論轉動到什麼位置，都一定有一個一上的汽缸活塞正在出力做功，不再需要飛輪提供的角動能來維繫運轉。因此在四缸以上的發動機，飛輪的主要功能也從維繫發動機的持續運轉，轉移為更加側重於平滑化各汽缸間歇性出力的作用。

那麼照這麼看，四缸以上的發動機是不是運轉速度就可以無限制的慢了呢？答案是不行的！四缸以上的發動機仍然存在著最低的臨界轉速，原因是因為這不是一臺紙面上的理想發動機，而是一臺實際的發動機。發動機仍然需要俱備足夠的功力輸出，來推動那些維持發動機運轉所必須的設備，例如機油泵和冷卻水泵，以及機械運動的摩擦消耗等。此外燃料泵如果供應不足，這油打不上來的話自然就無法正常供油維持運轉；如果不能夠足夠的供應磁電機運作，那麼火星塞將無法點火，自然也是無法持續運轉。總結來說，四缸以上的發動機確實臨界轉速能比四缸以下的情況低很多，但仍舊有個限度，而相比於後者影響臨界轉速的主要因素來自於飛輪，四缸以上發動機的臨界轉速取決於基礎週邊設備的功率供應要求。

這也就是為什麼每當停等紅綠燈的時候，汽車引擎不能夠像電動馬達那樣直接斷供停止，而是必須脫開離合器，並且繼續維持一個很低的基礎轉速而持續運轉的緣故了；否則當綠燈亮起時，就不是簡簡單單的加油門提高轉速就能夠開車，而是必須的重新啟動一次引擎了！而這個在什麼負載都沒有卻為了持續發動機運轉而必須維持的這個狀態，就被稱為「怠速」狀態，對應的轉速自然就是怠速轉速了。只不過為了保險容錯的緣故，一般設定的怠速轉速都是高出理論臨界轉速許多的。

啟動條件

探討完活塞引擎在什麼樣的情況下會無法繼續自力維持並停止運轉的臨界條件之後，現在把狀況反過來，那就是要將一臺停止狀態的活塞引擎啟動到它能夠自力維持的條件了。總的來說就是我們要從外部輸入能量，使用外力驅動發動機的曲軸旋轉，直到它能夠自食其力為止，也就是說外力的驅動在至少達到下列這些條件之前都必須持續供應：

飛輪獲得了足夠的轉動慣性力，至少能夠獨自供應兩個汽缸點火之間空窗期的曲軸動力。
曲軸獲得足夠的轉速，至少能夠供應磁電機產生足夠的點火電力，以及供應燃油泵足夠的抽油壓力。
即便以上條件都達成，也必須供應曲軸至少旋轉約兩圈左右的圈數，直到汽缸完成初始的四循環並開始爆燃產生動力。

總結來說其實最重要的就是，要由外部裝置提供足夠的外力來驅動運轉，渡過發動機無法自立更生的時期，待發動機自己能夠運轉以後，這個外力就可以脫離而不再需要被使用了。至於這個「外力」就被稱為引擎的「啟動裝置」或稱啟動器，當然也是有各式各樣。下面就來看看為了發動一顆引擎，人們都想出了什麼樣的花招？

各種啟動方式

手轉(Hand Propping)

啟動一顆引擎，不就是用外力讓它先轉起來嗎？那麼直接用手來轉動就成了最簡單且直接的方式，也是自打活塞汽油引擎發明以來就被使用的主要啟動方式。

其實這種原始的啟動方式直到現代都還能夠被使用，當然只限於沒有過多電腦參與的使用化油器的發動機，並且還要能手動打檔的車款。也許許多前輩老司機都曾經玩過這樣的操作：將變速箱打至高速檔位，然後推著車子從緩斜坡溜下去，就能夠啟動汽車引擎；如果是摩托車的話可能還不需要斜坡，只要推著助跑一段距離就可以讓引擎發動起來了。這些啟動方式雖然並沒有直觀的用「手」來啟動，但在這裡都歸納為手轉啟動原理的範疇。

Figure 1. 一戰時期的飛機基本全都是用手來啟動的 ^[2]

至於這種啟動方式的缺點，除了看起來不夠科技感之外，也是相當具有危險性！因為活塞引擎的特性，當成功點火發動起來的時候，幾乎是一瞬間就會達到快速暴力運轉的程度，從上面的影片中也可以明顯看得出來這現象。這會使得操作者一旦沒有拿捏好節奏，未能即時收手，那麼造成斷手殘廢的結果都是有可能的！即便是用在沒有螺旋槳的汽車上，因為汽車的重量比較大，所以除非有多名好友一起助力，否則很難能在平地上達成足夠啟動的狀態，所以通常會需要一個往下的斜坡。然而這也同樣昭示了它的風險之所在，以及如果萬一沒能夠一次就成功啟動的後路不多。因此手轉啟動的方式除了在古時候可能是為數不多的方案裡面簡單可靠的方法之外，大多只被用來作為啟動器故障時的最後備用方案。

除了風險的成份之外，手轉啟動還有一個可能更大的問題：當引擎汽缸數量愈來愈多，純靠人力啟動的方式愈發費力且困難；甚至於當螺旋槳造的愈來愈大甚至比人還大的時候，此時就算不在乎危險性，手轉啟動的方案也已經不實際了！

電動馬達啟動器

在現代各式車輛上大家最為熟悉的啟動方式，應該就是使用電動馬達的啟動器了。使用兩顆齒輪，一顆在馬達軸上、一顆在曲軸上，當要啟動的時候使用機械結構將它們結合在一起，不需要的時候把它們分開，這樣就可以使用馬達在啟動階段提供曲軸旋轉動力。在曲軸上的那顆齒輪，通常會和飛輪二合一，如同下圖(Figure 2)所示。

Figure 2. 單缸引擎的啟動馬達與飛輪兼曲軸齒輪 ^[3]

使用電動馬達啟動引擎是一個非常好的方案，啟動速度算快，電動馬達體積也算小，可靠性和故障率都在可接受的範圍內，總體可說是非常方便可靠，也因此才讓現代幾乎所有常用的引擎啟動器用的都是它。那麼有什麼缺點呢？最大的缺點其實是在電源的供應上。馬達本身是不大也不算重，但是能夠供應啟動的足夠電量的電池可就重多了，並且愈大型的發動機所需要的啟動電力也愈多，電池就得更大更重。這對於重量斤斤計較的飛機，特別是那些體型又小又非常在乎性能的戰鬥機來說，為了只在發動之後就不需要的設備增加一堆呆重是很不划算的！也因此才讓我們能看見除了電動馬達以外更多不同的啟動方案被使用在飛機上。

還有些時候人們會另尋思路，既然這個啟動行為只在起飛前需要而已，反正直到降落回來之前發動機都不會再關閉了，那麼我這電池乾脆就不放在飛機上了行嗎？這方案還真可行，而且使用的還挺廣泛，許多老式飛機就是這樣靠著外部的電池或發電機來啟動發動機的；甚至於一直到了現在，很多輕型的噴射戰鬥機仍然需要透過外部輸入的電源(或高壓空氣)來進行啟動。這種藉由外部電源啟動的方式，不只得到了馬達啟動的好處，還省掉了電池的重量，只不過如果不慎在空中熄火的話，要重新發動起來就不是那麼容易的事了！

Figure 3. 一臺連接了外部電源，正準備發動的噴火式戰鬥機 ^[4]

發條啟動器(Spring Starter)

使用一個被壓緊蓄能的彈簧來提供發動機的啟動動力，這就是發條啟動，或也可叫彈簧啟動。這種啟動方式常見於小型和中型的柴油發動機，但在航空器上面基本見不到。發條啟動的好處是結構簡單可靠，體積和重量也都不大，缺點就是在發動之前得先人力上發條，並且隨著彈簧的不斷壓縮，上發條也會愈吃力，這點在下面的影片中可以觀察到。

手搖慣性啟動(Inertia Starter)

慣性啟動器的核心就是一個高速旋轉中的飛輪 (這個飛輪不是我們所認知的活塞引擎裡面的那個曲軸飛輪，而是啟動器自己的飛輪)。當啟動器旋轉的足夠快速以後，用一個離合器將啟動器的飛輪和發動機曲軸連結上，就可以利用啟動器飛輪所蓄積的轉動慣性來驅動發動機啟動。

這種啟動方式乍看之下與前面的發條啟動有點相像，都是在發動之前需要以人力轉動手搖柄來給啟動器蓄能，但是細節有所不同。發條啟動器需要壓縮蓄能彈簧，因此在上發條時需要施加的力氣會愈來愈大，也因此限制了它所能夠應用的發動機尺寸。慣性啟動器的蓄能方式則是質量的旋轉動能，因此即便外部輸入的力量較小，也足以給它持續加速直到所需要的轉速為止，可能因此使得航空飛機更加傾向使用慣性啟動器作為航空活塞發動機的啟動方案吧。如果在現場要分辨兩者的話，那麼發條啟動器在上發條的時候通常可以明顯聽見棘輪發出的卡達聲，並且可以看出操作者轉動搖把是愈轉愈吃力；而慣性啟動器則在一開始的時候比較顯得吃力，愈轉愈快之後看起來操作者的動作會愈來愈順暢，並且啟動器會在高速旋轉狀態下發出嗡嗡聲響。

使用慣性啟動器的好處有簡單可靠、啟動器小巧、不需要電池、並且可以以純人力完成啟動等，缺點則是在每次啟動之前都需要人在飛機外面手搖給啟動器蓄能，如果現場沒有其他幫手，而只有飛行員一個人要自己完成這一切工作的話，會顯得有些麻煩不順利。

此外還有另外一種衍生的啟動方式，使用電動馬達取代手搖，例如在下面影片中所使用的就是這種啟動方案。這種啟動方案和純粹的電動馬達啟動很像，如果要分辨的話，那麼當你聽見明明已經傳出馬達通電轉動的聲音，然後又聽見啟動器飛輪旋轉所發出的並且逐漸變大的嗡嗡聲，但是螺旋槳卻紋絲不動，直到最後離合器卡上之後嗡嗡聲明顯受到影響而快速消減，伴隨螺旋槳在短時間內快速加速並完成發動，那麼這就是使用了電動慣性啟動的情況了！

因為啟動馬達不需要直接帶動曲軸，而使能給啟動器飛輪加速蓄能就好，因此對啟動馬達的功率需求較低，也沒有了需要有人在外面手搖的缺點，可以由駕駛員一人獨立完成操作。缺點就是疊床架屋，本來可以用一個馬達就完成啟動的，它非要中間再加一個啟動器飛輪插手，還多出了增速齒輪和離合器等零件。此外雖然對馬達的功率需求放低了，但啟動所需的總能量卻可能更多或至少理論持平，因此對於電池的需求那是一樣少不了，所以這種啟動方式其實並不多見。

拉繩啟動(Pull Starter)

操作員用手將一條繩索快速抽出就能啟動一臺小型汽油引擎，這種被稱為拉繩啟動的啟動方式也許更為大眾所熟悉，因為許多的小型機械用的就是這種啟動方案，如割草機、鏈鋸等。

拉繩啟動在原理上其實屬於慣性啟動的衍生近親，只不過當發動機體型小到某種程度以後，也就不需要相對複雜的飛輪、增速齒輪、離合器等這些設備了，因為人的手臂已經具有足夠的力量可以直接驅動曲軸快速旋轉起來。因此只需要一條纏繞的繩索輔助，讓人可以像是打陀螺那樣的原理直接去抽動它，就足以完成啟動了。

壓縮空氣啟動(Compressed-Air Starter)

使用壓縮空氣的啟動方式在邏輯上與電動馬達啟動方案非常相像，只不過將電動馬達換成氣動馬達，電池換成壓縮空氣罐而已。氣動馬達的原理如下面影片所示，就是讓高壓空氣吹過渦輪並驅動軸心旋轉而已。

使用壓縮空氣啟動方案的好處與電動馬達相似，操作快捷方便，可以單人完成；雖然需要攜帶壓縮器瓶，但肯定比相應的電池重量輕多了！最大的缺點就是需要額外裝備一臺空氣壓縮機，好在發動機正常運作的時候透過分走引擎曲軸的動力來壓縮空氣補充氣瓶，並且給壓縮氣瓶充氣所需要消耗的能量並不比充電少，也更加不方便。什麼你說採用電動馬達方案也是一樣要給電池充電嗎？是這麼說沒錯，但其實發動機本來就都有裝備小型發電機的，畢竟飛機上一大堆的機上設備本來也都是靠這臺發電機來供電，因此並不需要「額外」增加一個發電機；但是給氣瓶充氣卻需要額外裝載空氣壓縮機，並且壓縮機的重量可比發電機重多了！

不過如果在設計上就沒有想要讓飛機可以憑自身能力補充壓縮空氣的話，如果在規劃上就認為只要飛回基地後使用基地的壓縮機來補充壓縮氣就好的話，那麼倒是也就可以省掉這個壓縮機的裝載需求。甚至於壓縮氣瓶也可以不放在飛機上，反正也只是發動的時候需要使用而已，只要能夠接受每次啟動的時候都依賴地面的氣源設備的話，那麼就連壓縮氣瓶的體積和重量都可以省掉了！

考夫曼啟動器(Coffman Starter)

最後來看一種挺特別的，又被暱稱叫作霰彈槍啟動器的考夫曼啟動器。

這種啟動方案從原理上來看其實也算是壓縮空氣啟動的衍生。使用壓縮空氣來啟動發動機，哪哪都好，就是壓縮空氣的儲存與製備挺讓人頭疼。那麼有沒有什麼東西可以在短時間之內快速產生大量的壓縮氣體，但是在此之前卻能夠方便保存運送的呢？東西當然是有的，於是人們將目光看向了火藥！而這其實就是考夫曼啟動器的核心原理：將火藥引燃後，利用產生的大量高壓氣體去推動氣動馬達旋轉。

考夫曼啟動方案的優點就是設備輕量、小巧、緊緻、操作便捷、啟動速度還賊快！不需要電池，不需要壓縮氣瓶，不需要壓縮機，更不用人在外面搖轉手柄，只是每次啟動都需要消耗掉一個像子彈的火藥罐，並且飛在天上的時候無法補充。雖然說這火藥罐每次啟動就需要消耗一個，但是它又小又容易保存和運送，在基地裡面可以一箱一箱的量大管夠，好像也不是什麼太大的問題。因此考夫曼啟動器曾被大量應用在各種軍用航空器上面，反倒是在民用用途上因為火藥的管制問題而不多見。

作為這個盛裝火藥的藥罐，雖然乍看挺向霰彈子彈的，啟動的時候也是真的像開槍一樣會發出「砰」的聲音，因此被暱稱為霰彈槍啟動器。但是這東西和真正的霰彈又是完全不同的東西，更不可能混用！啟動器的火藥罐體型上就比一般的霰彈大了一倍以上，並且裡面沒有彈頭，只有純發射藥；至於點火的方式，有的採用底火擊發，而有的採用電子擊發。