活塞引擎 4：點火順序與振動
活塞引擎有一個逃不掉的問題就是振動， 不過雖然振動躲不掉，但是我們可以盡可能的讓它小一點、平緩一點。 活塞引擎的振動來源，也就是我們需要研究並對付的問題來源有二： 一是由活塞、連桿、曲軸的運動所造成的引擎位移也就是振動，二是因為汽缸點火順序的不同所帶來的引擎位移。 而本文要探討的便是後者，即點火順序對引擎的振動影響。
汽缸振動原理
Figure 1. 汽缸因受到空氣壓力的推擠力而被推動，上為壓縮行程時的情況，下為膨脹行程時的情況
首先，「點火造成振動」其實是一句口語表達，雖很符合直觀理解，但真正的原理稍微沒那麼單純。 回顧四行程引擎原理，活塞在壓縮空氣的過程裡需要頂著壓力愈來愈高的空氣，硬把它給壓扁。 當然缸內的空氣壓力不會只作用在活塞上，因為氣體的壓力是往四面八方施力的， 只是往缸體側邊(也就是上圖中的汽缸上下兩邊)施的力剛好達到平衡， 而往汽缸頭施加的壓力便會推動整個汽缸移動(以上圖來說就是向右移動)。 跟在壓縮行程後面的動力行程，被加熱的空氣產生更強大的氣壓推動著活塞， 這是發動機之所以產生動力的根源，我們以前解釋過。 而同樣的氣體壓力也會施加在汽缸上，推動汽缸移動， 產生的效果與壓縮行程一模一樣，只是這次的力道更大得多！
氣體壓力推動活塞的同時也會推動汽缸， 而因為汽缸是被結實固定在整個引擎本體上的，因此這個氣體壓力其實是在推動著整個發動機。 因為整個引擎的體量比起一個活塞而言是大得多了，因此引擎本體被推動的位移實際上是非常小的， 但是作為振動的發生來源而言已是非常足夠的了！ 如果說這個力道是一個持續性的力量那倒還好，這樣只要結構強度足夠支撐就都沒什麼問題； 然而壞就壞在這個力道並不是持續的，而是間歇性的，只在壓縮和膨脹行程出現，然後在進氣和排氣行程消失。 這一下有、一下沒有的力量作用在整個引擎本體上，使整個發動機產生週期性的來回移動， 這可不就是振動產生的根本原因了嗎！
點火順序與振動
了解了汽缸產生振動的原理之後，來看看多缸引擎的汽缸點火順序如何影響引擎的振動？
多缸引擎就是有多個汽缸活塞組的引擎， 雖然理論上可以將這些活塞完全同步，齊上齊下，同時進氣、壓縮、膨脹、排氣， 但我想一個腦子正常的設計師應該都不會這麼設計，真的把多缸活生生做成單缸模式了！ 通常引擎設計會將各個汽缸的行程給平均交錯開來，最好是完全平均的行程交錯， 這樣能讓引擎運轉更加平順，這點在 先前的主題已經解說過了 [1] 。
但既然各汽缸的行程錯開了，那又產生一個問題，該如何排列它們的先後順序？ 或者用口語方式來說，該如何決定汽缸們的點火順序？ 最簡單的做法就是讓它們按照排列的順序依序點火，主打一個有條有理、井然有序， 然而這麼做卻會造成一個嚴重的問題：這可能已經不能用振動來形容了，而是整個引擎會晃！ 並且這樣會讓曲軸承受那從連桿傳遞來的力道過於集中在局部，使曲軸承受過大應力， 產生的後果要不就是曲軸容易斷，要不就是為了加固曲軸結構會平白增加許多重量。
Figure 2. 完全按著排列順序點火，產生的是長週期、大幅度的晃動
Figure 3. 亂跳位置平均點火，產生的是短週期、小幅度的振動
解決這些問題的方法也很簡單：不要按照汽缸排列順序來依序點火，而是應該盡可能打亂分散汽缸點火的順序。 一方面為了讓曲軸能夠分散受力，而不要集中在局部地方連續受力， 所以前後一個點火的汽缸在空間上的距離是愈遠愈好； 另一方面則是要避免過於簡單規律的點火順序，好破壞掉因為過於固定規律的週期而可能產生的共振現象。 以上便是每款發動機設計的點火順序為什麼看上去這麼亂的原因。
那麼具體而言，發動機的設計是如何讓每個活塞以不同的相位運動的呢？ 以直列發動機為例，每個活塞桿都會與曲軸上獨立的曲柄連結， 那麼只要將這些曲柄依據精心設計的角度錯開，就能讓各個活塞之間的行程錯開固定的行程位置 (凸輪軸的處理方式亦同)。 這就是為什麼我們看到的曲軸總不是程對稱漂亮螺旋狀的彎曲，而是乍看有點的不規則彎曲的原因， 也是曲軸為什麼會叫作「曲」軸的原因。
Figure 4. 彎彎曲曲的曲軸 [2]
直列發動機
Figure 5. 常見的直列 4 缸發動機，雖然在順序上可供變化的空間不多，但已經具有基本良好的動態平衡 [3]
Figure 6. 直列 6 缸是直列佈局中有名的一個型態，各方面的穩定性都相當傑出；以點火順序來看，汽缸數量是提供足夠點火亂度的保障 [4]
Figure 7. 直列 8 缸，暫且不論汽缸太多會導致引擎長度過長的問題，愈多的汽缸數量當然在亂度上能夠提供更加寬廣的調配設計空間 [5]
Figure 8. 3 缸以下已經沒有任何順序調動上的操作空間，喪失了亂度的可能，這也是 3 缸發動機之所以振動問題比較大的原因之一 [6]
Figure 9. 比 3 缸在行程安排上更加捉襟見肘的就是雙缸了，顧了點火平均性則機件振動表現極差，顧了機件運動則點火分佈極不平均，因此產生了多種折衷協調方案，也是雙缸發動機聲浪之所以特別獨特的關鍵原因 [7]
上圖是各種不同缸數的直列發動機點火順序示意，展示了那些最常見的點火順序。 不過注意這些圖示也只是示意那些最常見的點火順序， 並不是所有發動機都得按照這個順序點火，也不是不存在其它點火順序的實際產品， 不過這些細節上的差異並不妨礙我們在大方向上對點火順序和振動關係之間的觀察理解。
透過觀察，我們可以歸納幾個簡單的結論： 點火順序的亂度和汽缸數量成正比，汽缸愈多則愈能夠將順序散亂； 相反的，汽缸數量愈少則愈缺乏可操作空間，3 缸以下則根本沒有亂序可言。 此外，雙缸是個特別的情況，出現了多種點火間隔不平均一致的設計， 反應的其實是與機件運動平衡之間的衝突折衷關係。 但是有關機件運動的平衡問題不是本篇的主題內容，因此暫略過不談。 簡單而言就是在雙缸情況下，若設計讓點火間隔完全平均的話， 那麼剛好會讓機件運動產生的振動落在極為不利的位置， 因此上面的多種設計其實就是在尋求點火間隔與機件振動之間的折衷平衡。
水平對臥發動機、及其它變體
Figure 10. 水平對臥 4 缸發動機點火順序 [8]
直列發動機的規則和特性也同樣可以套用到 V 型和水平對臥發動機上， 畢竟這些發動機其實就是把兩排直列給左右並列在一起， 兩排汽缸各自都按照直列的順序在點火，然後兩排氣剛之間再彼此交替穿插。 因為 V 型點火順序就是這麼簡單，W 型也是同樣的道理， 總之絕對不是因為我找不到 V 型發動機的點火順序動畫圖， 所以這邊就不再進一步示例它們的點火順序了。
星型發動機
Figure 11. 星型 7 缸發動機點火順序
星型發動機是一個特別的例子，因為星型發動機不像直列發動機是一個活塞配一個曲柄， 星型發動機的一整圈汽缸就只共用一個曲柄，一整圈的活塞都是跟著同一個曲柄一起走的， 因此一個圈上面的前後活塞彼此之間具有高度協調相近的行程關係。 那麼星型發動機就只能夠照著圓周順序一個一個點火一圈了嗎？這倒也不至於！ 剛好四行程的汽缸活塞是每轉兩圈才完成一次完整的行程週期， 因此我們可以將一個圈上的汽缸分成兩組來點火， 曲軸繞第一圈時只點火單數缸、第二圈只點火雙數缸， 如此就能形成一個還能算得上是足夠亂且平均的點火順序。
上面說的「第一圈點火單數缸、第二圈點火雙數缸」只是一個簡單好理解的說法， 實際上其實就是每次都跳過一個汽缸來點火，就像青蛙跳一樣。 因此我們很容易就能發現一些事： 只有當汽缸的數量是奇數的時候，才能夠用這種跳缸點火的順序在兩圈內自然的點過全部的汽缸， 而沒有產生斷點或其它不連續的問題，而這就是為什麼星型發動機的單環汽缸數量總會是奇數的原因！ 另外當汽缸的數量(單環)愈來愈多，點火順序會變得愈來愈循序規律，愈不亂、也愈不平均。 比方如果有一個單列 15 缸的星型發動機(如圖 Figure 12)，那麼即便使用上述的跳缸的方式來點火， 看起和依序畫一圈其實也沒什麼兩樣。 不過擺在點火順序前面會先遇到的更大問題，可能是這麼多汽缸堆起來的圈太大了，已經不實用！
Figure 12. 假想中的星型 15 缸發動機點火順序(圖片因為比例尺的關係而顯得不夠大，但實際上這幾張星型的示意圖都是同樣的汽缸大小，足見此發動機的正面面積龐大！)
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Note
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因為在網路上找不到合適的星型發動機解說圖，因此決定自己畫， 結果就是標準的「想法很單純，實操做廢手」， 這麼兩張動圖(單列和複列星型)整整花了我一個月的時間去完成！ 因此其它的圖就畫的比較陽春了，畢竟重在示意嘛，看得懂就好，相信讀者不會太介意的！ |
綜合前面分析的各種星型發動機特性，會發現若從點火順序的角度來看的話， 5 個汽缸就是最平均的最完美狀態(如圖 Figure 13)。 然後隨著汽缸數量的增加，點火順序分佈表現愈來愈差的同時，引擎正面面積也在不斷加大， 直到令這款發動機不再具有實用效益為止。 總結而言，汽缸數量太多則振動表現不佳且引擎體積過大， 汽缸數量太少則失去採用星型佈局的效益，還不如採用直列或水平對臥來得簡單經濟， 又汽缸數量必須為單數， 因此最終造成了星型發動機的單列汽缸數量總是只有 5 缸、7 缸、和 9 缸這三種選擇的結果。
Figure 13. 星型 5 缸發動機點火順序
不過星型發動機不是只有單列的型態，還有複列星型的型式，也就是一個發動機擺了兩圈汽缸的型態。 複列星型就是兩個單列星型一前一後疊在一起，在個別單環上的特性、表現、和限制等等與單列星型完全相同， 然而這兩列活塞汽缸加起來之後，卻表現出了一些更加迷人的特性。
Figure 14. 複列星型 14 缸發動機點火順序
複列星型因為多了一個曲柄，因此讓總體點火分散程度表現更加平均(如圖 Figure 14)， 只多一個曲柄就解決了點火的均勻性問題(此外還同時解決了機件運動平衡性的問題)。 星型發動機本來就具有一些獨特的優點，例如汽缸多而馬力大、維護簡便、耐受性高等， 複列星型的型式在使馬力增一倍的同時，還平衡了單列星型在振動表現上的缺陷。 因此在那個活塞引擎主宰天空的時代裡，複列星型發動機又主宰了星型發動機的份額， 成為與 V 型 12 缸分庭抗禮各擁一片江山的世界。
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