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     四行程引擎

機車是台灣最常見的交通工具之一,因為它具有便宜,體積小等優勢,在台灣頗受歡迎。但是,大家是否想過,自己家裡的機車引擎是如何運作的呢?

 

實驗演示


演示影片一

 

實驗原理


引擎依照動力產生方式的不同,有不同的名稱。但不外乎是將燃料轉換成動能的裝置。目前台灣機車的引擎,以50cc來說,絕大多數還是二行程的引擎,也就是內燃機的一個循環是由兩個獨立的步驟所完成的。而50cc以上的機車,則多採用四行程的引擎。四行程的引擎因為每四個行程才有一次的動力輸出,而二行程的引擎則每兩個行程就完成一次動力輸出,所以早期的時候,為了避免動力不足,50cc的機車多採用二行程的引擎。但二行程的引擎由於將排出廢氣和進氣再同一個行程,容易造成未燃燒完全的氣油排出,造成空氣的汙染,自從台灣民眾越來越注意機車排放的廢氣後,政府對於排放的標準也逐漸提升,以至於現在市面上的機車,絕大多數都已經產用了四行程的引擎。

相信講到這邊,讀者們應該還是充滿了疑問吧。到底二行程和四行程是什麼呢?又為什麼二行程的引擎會造成空氣的污染呢? 我們就要從這兩種引擎最基本的循環方式說起。

首先,我們來談談四行程的引擎吧。四行程的引擎的循環如下,見下圖Figure.1:

1. 進氣行程:此時活塞從最高點(又稱”上死點”)開始往下,排氣閥關閉,而進氣閥是開啟的狀態,汽油和空氣同時進入到汽缸當中。

2. 壓縮行程:當第一行程的進氣完程之後,活塞到達最低點(又稱為”下死點”)。接著,進氣閥與排氣閥皆關閉。開始進行壓縮,活塞由最低點開始向上移動,使汽缸內的燃料和空氣被壓縮在汽缸的上端。

3. 動力行程:當活塞再次移動到最上端時,進氣閥與排氣閥依然是關閉的。接著,火星塞點火,於是高壓的汽油與空氣產生爆炸,這股爆炸的力量推動活塞,使其能夠進行下一次的循環,這就是我們稱它為’’動力行程”的原因。

4. 排氣行程:爆炸過後,排氣閥開啟,活塞由最低點往上移動,將廢氣排出,完成一次的循環。

Figure 1 四行程引擎的循環模式。
引用自http://content.edu.tw/senior/life_tech/tc_t2/enerage/p_engin1.htm

 

相對於四行程的引擎,二行程的引擎只有兩個行程,便完成一次循環了。見下圖Figure2.

1. 第一行程:進氣與壓縮行程。活塞向上,壓縮空氣與燃料的混合氣體,並且同時開放進氣孔,使下一次要使用的空氣與燃料進入到汽缸下方的空間中。

2. 第二行程:動力行程。活塞向下,使得排氣孔露出,廢氣得以排出。同時,由於活塞向下,進氣孔關閉,在第一行程中進入汽缸下方的燃料與空氣被擠壓。

Figure 2二行程引擎的循環模式。
引用自http://content.edu.tw/senior/life_tech/tc_t2/enerage/p_engin1.htm

 

問題討論


1.文中提到的四行程引擎,進行的其實是一種物理上稱為厄圖循環(Otto cycle),請試著找找你的普通物理或是熱力學課本,算算看厄圖循環中,每一個行程裡空氣和燃料混和物的壓力,溫度,哪些是絕熱過程,哪些是等溫過程呢?

2.延續上一題,經由知道這四個行程分別的熱力學描述之後,你能不能算出每完成一次厄圖循環,引擎輸出的功有多少呢?

 

相關連結


1. 我們在這邊只講了許許多多引擎當中的兩種,你想知道噴射機的引擎又是如何設計的嗎?請見噴射引擎的站外延伸資料:
閱讀:噴射發動機
影片:飛機噴射渦輪引擎如何運作

2. 在思考問題中,我們提出了一個稱為厄圖循環的循環模式。但是,這並不是所有引擎輸出動力的唯一方式,根據循環中,汽缸內壓力,體積,溫度的條件不同,還有諸如卡諾循環(Carnot Cycle),米勒循環(Miller Cycle) 等等。如果有興趣的讀者,可至維基百科Thermodynamic cycle發現更多有趣的資料。