車輛引擎與傳動設計參數

*** 本文所有計算式都不含單位換算值, 若運用在比對上請自行確認單位**
[記號與定義]
扭力: 引擎在曲軸處量出的扭力.
馬力: 扭力 x 當時的轉速
V : 燃燒室(汽缸頭)體積
D : 汽缸直徑
L : 活塞行程, 也相當於曲軸旋轉徑
引擎出力 : Fe
尺寸 :
　D1~D6 為各齒輪的節圓徑
　　D1 : 曲軸齒輪
　　D2 : 變速箱引擎傳動端大徑
　　D3 : 變速箱引擎傳動端小徑
　　D4 : 變速箱變速端大徑
　　D5 : 鍊條前齒徑
　　D6 : 鍊條後齒徑
D7 : 輪胎直徑
離合器效率 : C = 80~90 (起因於離合器片滑動, 與用料, 用油, 離合器片壓簧力, 還有引擎出力狀況)
輪胎接地效率 : T = 0~97 (與輪胎, 地面狀況, 溫度, 還有最重要的, 出力狀況有關)
輪胎出力 : Ft
[重要公式]
由上圖可以看出 :
引擎的壓縮比 = (Pi x D^2 / 4)/V ------------ 公式一
- 說明 : 相同排氣量, 壓縮比越高的引擎, 出力越大 (擠得越緊, 爆得越兇), 當然, 也要有高科技的材料與供油管理才能做得到越高的壓縮比.
引擎扭力 = Fe x L
一次減速比 R1 = D2/D1 (凸輪軸減速比)
二次減速比 R2 = D4/D3 (變速比)
最終傳動比 R3 = D6/D5 (鏈條減速比)
所以,
輪胎面出力 Ft = Fe x R1 x (R2 x C) x R3 / D7
= 扭力/L x R1 x R2 x C x R3 /D7
而 輪胎傳到地面的推進力 = 扭力 x (T x C ) x ( R1 x R2 X R3 ) / (L x D7 ) --- 公式二
- 說明 : 改變傳動比中的各個徑可以改變引擎的出力狀況.經過減速後的機車, 假設一檔輪子轉一圈引擎爆炸出力十次, 二檔出力七次, 那當然一檔比二檔有力.
[ 轉速 ]
由公式二可知, 由引擎傳到輪胎是一連串的齒輪與滑輪傳遞, 車要跑快, 轉速要高. 但是引擎轉動的速度有上限, 因為 :
0. 車越快風阻越大, 總會有引擎推不動的時候...(廢話)
1. 轉越快機構磨損越高, 需要限制
2. 轉越快進排氣還有燃燒的速度要趕得上, 設計上有其上限.
3. 氣缸行程越長, 在進排氣動作間會有越多的出力空行程, 好處是相同轉速下出力大, 壞處是轉速相對的不易拉高.
6. 輪胎能承受的出力有其上限, 否則會空轉燒胎, 扭力太大的引擎必需要減速減很多才行, 要減速減多那減速端的齒輪要大, 慣性太高又會影響操控, 而且也太重拖又會降低轉速, 故有其上限.
7. 離合器有其耐磨的上限, 而太重的離合器簧用人力也很難打開. 省力裝置行程必長, 也不利操作.
7. 速克達傳動機件多且重, 且其普利盤與離合器碗公有其直徑上限. 變速範圍受限情況要兼顧低速傳動就必須對高速傳動比有更多的限制.大家應該有經驗, 就是紅燈後速克達一馬當先, 但是跑到60左右檔車慢慢超前, 最後速克達敗北, 為什麼呢? 因為速克達CVT的變速區間小於檔車, 所以在有力與高速之間, 必須有個選擇.
8. 速克達皮帶與檔車鍊條, 都有其耐力之速度上限
[ 扭力與馬力曲線的關係 ]
扭力測驗是在扭力機上測得的. 扭力機基本上是一個轉軸配一個離合器與磨擦輪或帶當負載, 曲軸輸出連動在轉軸上, 轉軸有轉速記錄器與扭力計. 發動引擎後, 離合器掛上負載, 就得到各種轉速下的扭力曲線, 扭力乘以轉速, 就得到馬力曲線.
由於不同扭力計的設計不同, 負載的加入還有機台慣性不同, 所以不同設計的扭力計測出來的馬力值是不可換算的, 這不是單位換算那麼簡單, 所以才有德制馬力與英制馬力的差別. 但是近來有ISO統一, 新車的比對機台與單位就統一了.
一台好的車扭力曲線應該是水平不隨轉速增加而改變的, 而馬力曲線則是與轉速成一個有角度的斜線. 也就是說, 不論高轉低轉, 出力相同的車就很好操控, 而且會跑得越來越快, 這就是 "引擎的線性度".
引擎出力不可能不斷維持, 因為在某些轉速以上, 進排氣流快到無法供給, 引擎就會喘不過氣, 扭力就會下降. 扭力下降到一定程度, 無法推進最高速非OD檔處的風阻, 就該斷油, 這就是最高馬力的設定. 當然, 考慮機件壽命, 有些車可能設計提早斷油.
設計比較差的引擎會產生低轉扭力低而高轉扭力高的情況, 甚至在某些轉速時產生最佳進排氣流, 引擎效率突然變很好, 而產生神經質的高扭力區間, 這類的車操控比較困難.
[ 不同引擎影響轉速 ]
車要快引擎也要轉快,由上段可知, 行程短的引擎轉速比較容易拉高, 但是相對的由於行程短, 每次燃燒氣體推一小段路就跑到排氣管了, 所以在低轉時出力就很差, 也就是說要轉速拉高才有持續的扭力疊加起來變成有力.
因此跑車一般是高轉設計的多缸車, 也就有了不正常的扭力曲線與神經質的加速域, 操控上也就很困難, 也更需要技巧來維持引擎隨時在最高扭力區.
相對的, 雙缸或單缸車由於扭力曲線比較水平, 所以操控上就比較容易, 轉速控制稍微偏離一點一樣還是很有力, 可以隨著騎士的個性, 可以玩出不同個性的操控法. 所以在山道上, 很容易就跑贏短行程的多缸車, 但是在直線賽道上, 就比不上高轉多缸車的尾速了.
當然, 隨時都有強大扭力的大排量多缸車在操控上也要特別注意, 不可誤以為轉速低就沒力而隨便操控導致被車甩出去.
[ 尾速推估 ]
以下內容需要回復才能看到
由公式二可知道C x ( R1 x R2 X R3 ) / (L x D7 ) 約略是定值 (除了C會在80~90變動以外), 所以自己的車錶速的尾速多少其實看最高加速檔的出力與斷油的最高轉速就可推算.
假設你車是六檔OD, 五檔就是最高加速.
如果你五檔騎50km/hr時, 轉速是2000轉.
假設你車是12000轉斷油, 那麼在
A. 你的車子車況OK
B. 車廠數據沒有唬人
C. 給你足夠長的直路
D. 沒有逆風或順風
E. 騎姿正常
F. 車重與載重都沒有不正常
G. 車子的碼表是準的
的情況下, 你車子的碼錶的尾速就是 :
50 x 12000 / 2000 = 300km/hr
當然, 公式二的 T 值會隨著車速變快而降低, 尤其是時速計在傳動輪的車種更為嚴重, 所以在高速時, 錶速通常都是低於實際速度很多的.
[ 加速比尾速重要 ]
C x ( R1 x R2 X R3 ) / (L x D7 ) 的值影響轉速與輪速的比, 所以你要尾速嗎? 改齒比就好了.
問題是, 齒比改太高. 車子尾速增加了, 但是上段文章所說的C,D,E,F四個條件, 卻因車輪出力降低而更難克服, 尤其是條件 C...哪來這種路讓你慢慢拖尾速呀?
所以, 在一般道路上, 跑得快的車不是尾速高的車, 而是加速快的車. 在都市中, 大扭力傳動比設定的速克達起步就比檔車猛, 從過程上來說, 它是跑贏的.
加上人類打從在娘胎裏就喜歡盪鞦韆, 所以能急加速把你甩動的車, 爽度就更高了. 所以, 低轉加速(扭力)大的車, 就是跑得快騎得爽的車.
[ 加速尾速擺兩邊, 舒適擺中間 ]
除非你是賽車手, 如果你騎車是為了享受, 那麼振動是你一定要考量的 (咳, 如果你是賽車手, 振動影響更大, 06年的M1振動就很困擾Rossi).
轉速越高震動越大, 這是不論什麼抑振裝置都無法改變的事實. 所以選車要選低轉扭力大的車.
一般車輛約在六千轉會有共振區, 到八千轉以上是轉越快振動越大. 所以舒適取向的轎車巡航速度都設定在三千轉到四千轉之間, 五六千轉就紅線了. 機車的話, 我也建議買這一類的.
如何知道車輛是否為這種的呢? 不用試車, 看車子的轉速表與時速表就好. 一般車輛的巡航轉速是表上怠速(一千多轉)與紅線的正中央. 而巡航時速也是設定在0與紅線的正中央. 時速表與轉速表在最高加速檔(就是OD的前一檔, 例如五檔)時一般是平行的. 選定你平常習慣的巡航速度, 看看在此速度下的轉速是否在四千轉以下就知道這車舒不舒適了.
當然, 單缸或雙缸車車低轉時出力間隔長, 會有不舒服的汽缸衝力, 但是通常騎動後轉速拉高就OK了.
不過也看個人, 有人內臟會和單缸車的怠速或低轉共鳴而不舒服, 這種人就要選多缸車. 若你連高轉震動也受不了, 又愛高速巡航, 那多缸大排量的車就是唯一的選擇了. 但是這種車重...(別跟我說你牽不動...@@)
[ 齒比 ]
另外, 如果你是溫和的騎士, 不喜歡猛加速的力道, 而且你不喜歡很重的車, 那麼, 你也可以犧牲加速性, 公式二中, 改大D5或改小D6 (小改鍊條齒), 讓你的巡航速度降到四千轉以下. 不過這樣一來, 你的車起步或加速就會很溫吞, 會變得比較難騎.
有些休旅車或街車, 就是為了解決這個問題, 所以在D3, D4 動手腳. 也就是讓一檔很有力, 五六檔很高速, 各檔位的減速比差異很大, 這就是所謂的 "粗齒比"或是"寬齒比", 粗齒比設定的車通常都很好騎又很舒適.
跑車的話因為能用的轉速域小, 所以在速度與轉速間就很敏感需要微調, 所以一檔與五六檔間的齒比就很接近, 這就是 "密齒比". 密齒比設定的車通常都是引擎比較神經質的跑車.
[ 後語 ]
讀到這邊, 你應該可以完全瞭解為什麼不同用途的車會有不同的排氣量, 行程, 缸數, 變速齒比, 還有鏈齒比了. 也可以聰明地選購適合自己的車輛.
當然, 引擎只是選購的參考, 懸吊是更重要的, 因為安全, 永遠是回家最快的路
轉 SAYCOO二輪機迷坊
[ 本文最後由 23715730 於 2007-10-11 10:13 編輯 ]

火星塞
汽油引擎零件裡面，扮演著心臟電擊器角色的火星塞，雖然在過去總是一談再談，但是這個重要的零件即使在科技發達的今日，都還是需要它。
「小兵立大功」，我想這就是火星塞的寫照吧！
火星塞的熱值
熱值正式一點的名稱應該說「熱度範圍」，是指火星塞將陶瓷絕緣體跳火端的
高熱傳導至火星塞外端，再由外殼傳到引擎冷卻系統能力。引擎怠速
運轉時，火星塞跳火端的溫度可能只有250度，當車輛高速行駛時，跳火
端的溫度便可能升高到600度。車輛油門踩到爬坡時，跳火端溫度更
可能升高到800度以上...。
跳火端溫度太低，油料燃燒後容易積存一些物質在火星塞的電極及絕緣體
上，使火星塞跳火不良甚至不跳火。跳火端溫度升高可將這些積存物燒掉
，使它不會越積越多。但溫度過高又會使電極容易受到燃燒物質的腐蝕，
電極本身跳火的耗損也比較快。更嚴重的情形是燃燒不待火星塞跳火便被絕緣體的高溫引燃，使燃燒溫度大幅升高，將火星塞頂部金屬或火星塞電極熔化。
如何判斷冷、熱值？
一般以「冷」「熱」來描述火星塞熱度範圍，「冷」火星塞的絕緣體導
熱較快，「熱」火星塞的絕緣體導熱較慢，最理想的火星塞是車輛在輕負荷
低速行使時為「熱」火星塞，高負荷油門踩到底行駛時變成「冷」火星塞。但
火星塞的熱度範圍是不能固定，因此只好依經常用車情況來選用適當熱度範
圍。
如果你經常在市區行駛，可選用「熱」一點的火星塞，如果你經常跑高
速公路，最好選用「冷」一點的火星塞。
一般火星塞熱值是以火星塞型號中的數字來代表，火星塞大致上型號數字大
的較冷，數字小的較熱，例如NGK BP8ES比NGK BP6ES來得〝冷〞。
引擎與火星塞號數的三大關係
1.引擎壓縮比
壓縮比越高的引擎應使用越冷的火星塞，反之則使用較熱的火星塞。因
為壓縮比高的引擎，在燃料點火後會產生極高溫度，為避免高溫引擎「提前
點燃」，所以必須使用較冷火星塞，而引擎壓縮比較低若使用較冷火星塞，
燃燒溫度較低，便無法將積碳燒去，產生「自動清潔」的作用，所以要使用
較熱型火星塞。
2.引擎轉速
火星塞的熱值與引擎轉速也有密切關係，當引擎轉速高時，單位時間內
的爆發次數較多，所以溫度較高，必須使用較冷的火塞，而轉數低時溫度
較低所以必須使用較熱火星塞，來維持它的電極溫度。
3.引擎負荷
所謂引擎負荷，就是指車子經常爬坡或載重時，雖然引擎的轉速並不高
，但是油門大開進入汽缸內的混合氣甚多，所以溫度亦非常的高，必須使用
冷式的火星塞。
火星塞間隙的調整
火星塞間隙調整是否適當對火星塞的效能影響很大，然而一般人卻很
少留意它，甚至機車行的師父也不會在換裝新火星塞時，留意它的間隙。那
是因為火星塞在製造時已將間隙調整到一般情況可以適用的大小，所以不調
整間隙使用也不會發生問題。但要使火星塞發揮最佳效能，就應該依照維修
手冊的規定來調整間隙。
火星塞間隙越大，跳火的火花越強，火花越強則汽缸內的燃料不但越容
易點燃，並且能燃燒得更好，於是引擎發動容易，用油也能節省。但是間隙
越大越需要高電壓才能跳火，此外汽缸的壓縮比越大，也要越高的電壓才
能跳火，因此車輛製造廠必須依照點火系統能供給的電壓，以及汽缸的壓力狀
況來設定最適當的火星塞間隙。如果不依照原廠的規定而將間隙調得太高，
可能會使火星塞跳火不易而引擎難發動，或車子不能跑快，加速無力。
這是因為高速行駛或加速時引擎的節氣門大開，空氣大量進入汽缸，壓
縮壓力增大，跳火需要的電壓大幅增高，而點火系統供給的電壓有一定限度
，火星塞間隙過大便發生間歇不發火的情形；火星塞間隙太小，火花就不夠強
，燃料不易點燃，或是點燃後不易完全燃燒，於是引擎不易發動而且耗油太
多。
如果因為間隙調整不當而致火星塞有百分之一或百分之二的次數不發火
，騎士不會察覺車子不正常，但如果有2%的次數不發火，排氣中的碳氫
化合物就會增多一倍，不但污染空氣，也浪廢燃料。
火星塞的燃燒狀況
火星塞使用過後，絕緣體上及鐵殼上一定會蒙上一層東西，稱為積污。
積污過多會導致漏電，使火星塞發火不良甚至不發火。很多人換火星塞
不久之後，發現引擎不易發動或引擎無力，就懷疑火星塞有問題，結果
拆下火星塞查看，果然骯髒不已。換新火星塞後，引擎便恢復正常，肯定火星塞不好。
其實火星塞污髒的原因可能是引擎本身有問題，有可能是選用火星塞型
號不對，也可能時常遇到堵車，或是汽油、機油中的添加物所引
起，但很少是火星塞本身有問題。新的火星塞沒有絲毫積污，容易
點火，所以換新火星塞後常常能立即改善引擎情況，但是如果積污的
根本原因沒有找出，火星塞還是會很快變污髒的。
1.正常的狀態
（圖2）
汽油及機油燃燒後多少會產生一些固體微粒，此外剛發動的冷引擎燃燒
情況不佳，會產生些微黑煙，也就是碳粒，這些固體微粒會附著在火星塞的
絕緣體及鐵殼上。但是車輛行駛時引擎溫度會升高，附著的微粒會被燒掉，
因此雖然經過長時間使用，絕緣體表面也只會附上一層薄薄的淡褐色或淡灰
褐色的積沉物，不致影響火星塞的正常功能。
2.不正常的狀態
不正常的積污又分下面幾種：
一、積碳：火星塞表面有一層乾的黑碳微粒。這表示燃燒不完全，而且燃燒不完全的原因可能是混合氣中燃料過濃，點火不夠強，點火時間過遲，
或是氣門漏氣。如果火花不強，可能是火星塞間隙太小、高壓線漏電。
二、油積（圖三）：火星塞表面積油及黑碳。最主要的原因是機油進入燃燒室過多，四行程主要是汽缸及活塞環磨耗，或氣門導管磨耗所導致。二行程則多半
是機油混合比不正確。
三、灰積（圖四）：火星塞電極及絕緣體上附著一層相當厚但卻容易刮除的淡褐色物質，這是汽油中的添加物所引起。這種積沉物並不導電，除非將電極蓋住，
不致影響跳火。
四、濺污（圖五）：引擎很久沒有適當保養，燃燒室壁上會有相當厚的沉積物，只要將引擎保養調整妥當並換新火星塞後，燃燒恢復正常，這些積沉物會融化而濺附到火星塞上。
五、過熱（圖一）：絕緣體表面成為白色狀態，積碳以斑點狀附著於鐵殼上，並且呈現灰白色，這種情況要趕快把火星塞換冷一號。
點火提前及爆震
點火提前是火星塞還沒有點燃混合氣，便被燃燒室內的高溫所引燃。爆震是
火星塞點火之後火焰還沒有接觸到燃料因高壓及高溫而自行燃著。兩者都會
導致燃燒太早或太快而使溫度及壓力劇然升高，嚴重時會震破火星塞絕緣體
端部，燒融火星塞電極並炸穿火星塞的頂部。
引擎在高負荷高轉速狀況下運轉，或引擎點火時間過份提前時，燃燒室
的溫度相當高，這時燃燒室四周任何過熱的部位都會引起提前點火。過熱部
位可能是燒紅了的積碳或其他附著物，燒紅汽缸墊片邊緣，或是過熱的火星塞
爆震發生的原因包括點火時間過份提前、汽油的辛烷值過低、混合氣過稀或
混合不均勻，或是引擎過熱。
提前點火及爆震是相互輝映的，些微提前點火或爆震還不致於傷害引擎，但嚴
重時，在極短的時間內就會損壞火星塞、活塞、甚至汽缸壁。
提前點火一定是因為火星塞過熱引起，但是不能不在選用火星塞時留意它的
熱值，以免火星塞過熱。為避免損害引擎，寧可使用稍冷的火星塞，不可誤
用了太熱的火星塞喔！
如何使用、保養火星塞
火星塞裝配：
切忌將火星塞旋得太緊。太緊就會傷害汽缸蓋上的螺紋，
現代機車幾乎全部使用鋁製汽缸蓋，鎖太緊了要換火星塞時也不易拆下。安
裝時先用手握火星塞套筒將火星塞旋緊後，再用套筒扳手旋緊1/4到3/8圈就夠
了。如果火星塞沒有裝墊圈而是有錐形的安裝座那種型式，手扭緊後只能用
扳手再旋進1/16圈。
如果你有扭力扳手，可依下列扭力旋緊火星塞： 2.5～3公斤．公尺
注意螺牙的長度：火星塞的螺牙部份有長有短，選用火星塞時螺牙長度
必須與汽缸蓋上火星塞孔的螺紋長度相符。如果螺牙太長，火星塞可能會碰到
活塞。即使碰不到活塞，突出的部份也會積上污物，日後火星塞便無法取出。如果螺牙太短，缸蓋上的螺孔內端會積附污物，日後要換裝正確長度的火
星塞時會裝不到位。
清潔及調整：火星塞積污後需要用特製噴砂機才能將積污噴磨乾淨，因此很多人都將過髒的火星塞丟棄。其實只要將積污的原因消除，並且將火星
塞用汽油或溶劑洗去油污吹乾，火星塞多半仍可使用。使用時先發動車輛以中等
以上的速度行駛十多分鐘後，大半積污便可燒掉。
火星塞使用久了後會因電極損耗而增大了間隙，間隙過大可以用間隙
規上的扳口來調小間隙。這時要注意中心電極頂部周圍的直角是否燒成圓弧
形了，如果已經燒圓，要將地極切開，用小挫刀將電極的頂部錘平，使周圍恢
復成直角，再調整間隙，這樣火星塞才容易跳火，因為電弧比較容易從尖角部位發生。
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