機車引擎構造圖

四行程引擎是大部分道路車輛的動力來源，舉凡卡車、汽車、機車，大部分都是由內燃機：四行程引擎，來提供動力（註）。在這篇說明四行程引擎的主要構造與原理，瞭解這常為我們做牛做馬的夥伴。

現在除了勢力龐大的四行程引擎，當然還有慢慢在拓展市場的電動車馬達，也有被冠上高污染而扼殺退出市場的二行程引擎。這邊簡單對比一下二行程引擎與電動馬達的特性，瞭解他們勢力消長的原因。

註：在路上跑的機械動力車輛，除了電動車外，都是使用內燃機做為動力來源，無論是二行程或四行程、喝柴油或汽油，甚至是使用燃氣渦輪發動機，都是內燃機。大概只剩走懷舊旅遊行程的蒸氣火車，是仍在行駛的外燃機車輛。

MTT Turbine Superbike，又名Y2K，使用燃氣渦輪發動機：由勞斯萊斯生產的 Allison 250 渦輪軸發動機。這種發動機一般都是用在直昇機，還有少數的戰車上（如快要來台灣服役的M1戰車），但瘋狂的老美把它搞到機車上，而且竟然可以掛牌上路行駛。這車有320匹，轉速竟然達到52000rpm，很熱、很吵又很快！

在本網誌只是就大架構介紹一下四行程引擎，提供一個粗淺的認識。

但引擎有點複雜，就算是粗淺介紹，文章還是搞的蠻長的，於是分了幾篇來說明

除了基本架構外，還有針對比較熱門的機件結構進行說明：

四行程引擎的優勢

四行程引擎能拓展這麼大的地盤，主要是很久以前，四行程在以下幾個方面的優勢，狂打了二行程的引擎：

1.燃料燃燒比較完全---廢氣中的污染物比較少，有騎過二行程機車的人就能深刻體會了。
2.機件耐用度較高---耗損低，可以省下許多維護工作與費用。
3.噪音污染也比較少---這邊是指裝置原廠排氣管，改裝管的噪音就跟引擎形式無關了。

當然還有不少大型機械使用二行程柴油引擎，近幾年也有車廠想辦法改善二行程引擎，努力讓它的排廢水準達到現代的標準。但大家的印象已定，加上現在高舉環保大旗，電動車慢慢蠶食市場，連四行程引擎都自身難保了，誰還有空去理二行程引擎。

至於電動馬達，雖然早在十九世紀初就有電動車了，但直到最近幾年，特斯拉這家電動車廠在電池容量與充電的技術有了實用性的進展，扭轉一般人對於電動車的疑慮，才使得電動車慢慢發展起來，但短時間內還沒辦法完全取代四行程引擎。

先瞭解一下：什麼是行程

就像是旅行社的行程，有起點、有終點、中間走過的路、玩過的地方，就叫做行程。
在引擎裡的行程，是指活塞跑的路程、活塞努力工作的軌跡。

活塞是上下移動，從上到下一趟，叫做一個行程、或從下到上一趟，也是一個行程。

二行程與四行程引擎要產生動力，都要完成「吸氣、壓縮、燃燒、排氣」四個步驟的動力循環，兩者的差別就在於活塞要跑幾個行程，才能完成一個動力循環。

四行程引擎，就是活塞要跑四個行程，才能完成一個循環。

從上面的分解動作動畫可以看到，四行程引擎是個好學生，一個行程只專注做一件事情（註），吸氣就吸氣、燃燒就燃燒，非常的規矩，怪不得博得市場的喜愛。

註：為了提升引擎的效能，或者減少氮氧化物的生成，各行程的工作可能會被提前或延後：在排氣行程尾端就提前進氣，壓縮行程尾端就提前點火。

二行程引擎，活塞跑兩個行程就完成一個循環了。

從上圖可以明顯看出二行程引擎是個急性子，四個步驟硬是要趕在兩個行程裡面做完。燃燒夾著排氣、排氣又同時進氣，就像邊吃邊玩的小孩，活潑有力，但容易腸胃消化不良，再加上機油是混在燃料裡，於是排放的廢氣都超標。

四個行程：進氣、壓縮、燃燒、排氣

四行程引擎主要構造

這邊說明的是主要構件，是大家修車、改車、看汽車雜誌可能會看到的名詞，說明順序請參考上圖。

1.曲軸：

Ducati Desmosedici Stradale v4 引擎曲軸。圖片來源：Ducati

是動力輸出軸，引擎的動力就是由曲軸傳遞到變速箱、再傳到輪子上推動車輛。

此外，氣門裝置也是透過正時皮帶（正時鏈條，或稱為內皮帶、內鏈條）連結曲軸來驅動；

其他如發電機、冷氣壓縮機、油壓動力方向機泵浦，甚至是某些車輛的機械增壓器，都是透過皮帶（或稱外皮帶）連結到曲軸上面獲得動力。

在多缸引擎中，曲軸還會決定每個活塞的相對位置，進而影響點火的順序，甚至改變引擎的特性。如最近很夯的十字曲軸，就是透過曲軸的配置，讓直四引擎表現出V4引擎的特性。往後我也會撰寫專文來說明。

2.活塞：

Ducati Multistrada V4 引擎活塞與連桿。圖片來源：Ducati

油氣燃燒產生的壓力，會把活塞往下推，活塞就擔任承接能量的角色，將能量傳遞到與其連結的曲軸。

另一方面，活塞往上跑的時候，也要負責壓縮油氣，讓之後的燃燒能產生更大的動力。

要注意的是，活塞並沒有跟汽缸接觸，而是透過活塞環保持跟汽缸的接觸，並承擔封住燃燒壓力與刮除機油的任務。

活塞環是有彈性的東西，能透過燃燒的高壓氣體來變形與位移，把這氣體封住。如果活塞環失效讓活塞直接接觸汽缸壁，那就要準備搪缸哩！

3.燃燒室：

YAMAHA YZF R1引擎汽缸剖面圖。這照片中的活塞是位於下死點，可以看到汽缸有點粗糙的表面！汽缸表面並不是光滑的，而是有些特地加工的交叉細紋，讓機油可以附著。圖片來源：YAMAHA

油氣被壓縮後點火燃燒的密室，一般是指活塞跑到最上面時，所剩下的那個小小的空間。而活塞上下跑動的空間稱為汽缸，燃燒室空間與汽缸空間加裡來，就是排氣量。（也有一說燃燒室包含汽缸空間。）

4.氣門

Ducati Ducati Multistrada V4 引擎氣門。圖片來源：Ducati

故名思義，就是一個管控空氣進出的閥門，分為進氣門與排氣門。常見的氣門數有每缸兩氣門（一進一排）、四氣門（兩進兩排），還有比較少見的三氣門（兩進一排）、五氣門（三進兩排）。

上圖是每缸四氣門，一般進氣門的面積都會比排氣門大（上圖的進氣門是在開啟的狀態），為了讓空氣流量達到最大，氣門通常會將汽缸頂盡量塞到滿，甚至還因此搞出五氣門的設計。

至於每缸兩氣門，氣門的面積就沒辦法像四氣門那麼大，更糟的是火星塞的位置沒辦法放在正中央，使得點火燃燒的狀況變差。

不過兩氣門也不是一無是處啦，低轉速時空氣量本來就不需要那麼多，用一個進氣門就夠了，還可以維持進氣壓力，甚至製造進氣的渦流來加速油氣混和。有些比較先進的每缸四氣門引擎，在低轉數時也會只開一個進氣門，就是為了這些效果。

氣門也是引擎中溫度最高的零件，畢竟它直接面對最高溫的燃燒氣，但氣門接觸引擎的面積很小、又只有一小部分會接觸到機油，散熱不易，因而偶而會聽聞到賽車氣門燒毀的情形。

為了避免氣門燒毀，通常高性能引擎會使用鈦合金來製作氣門，甚至把氣門做成空心的，在其中灌入「鈉」，透過鈉把熱量傳到頂端有碰觸到機油的部位，藉此加強散熱！

5.火星塞（汽油引擎）

NGK Iridium IX火星塞。圖片來源：NGK 日本特殊陶業株式會社

火星塞負責點火來引燃油氣。一般也可以從火星塞的狀況，來判斷引擎的燃燒狀況，並判別出某些故障原因。

柴油引擎是靠高壓使油氣溫度升高，讓油氣達到燃點而自燃，所以沒有火星塞的配置，不過有些柴油引擎有預熱塞這個裝置，在冷車時先提高汽缸溫度，讓引擎容易啟動。

火星塞的規格型號：但每一家廠商的型號標示規則都不一樣，挑選之前要先上網查一下型號是否正確。

火星塞的冷熱值：指的就是火星塞的溫度高或低， 大家可以比對上面的火星塞狀況表，如果你的火星塞呈現「過熱」的現象，就可以換用冷一點的火星塞，反之亦然，一般都是以原廠建議的火星塞型號，更換上或下一級的冷熱值火星塞，如果換用後狀況依舊，那就要進廠檢查哩！

6.氣門彈簧

Ducati Ducati Multistrada V4 引擎氣門彈簧。圖片來源：Ducati

負責把氣門關閉的裝置，絕大部分的四行程引擎都是採用彈簧來擔任這艱鉅的任務。
這彈簧會吃掉部分引擎動力，因此也有不使用氣門彈簧，而使用其他構造來啟閉氣門的設計，如Ducati的Desmodromic構造， 還有曾經在賽車上出現的氣動式氣門等。

Ducati 的 Desmodromic構造。

彈簧還有一個問題，就是超高轉速下很難控制，或是為了在極短時間內關閉氣門而用上了高硬度的彈簧，增加了動力的耗損。前面說到的氣動式氣門就是要解決這些問題而率先應用到高轉速的賽車引擎上，不過現在F1跟MotoGP都禁用氣動式氣門就是了，免得引擎動力一直提高。

7.凸輪軸

Ducati Ducati Multistrada V4 引擎凸輪軸。圖片來源：Ducati

負責開關氣門的裝置，凸輪軸的形狀決定了氣門打開與關閉的時間（術語叫正時），與打開的幅度（術語叫揚程）。

有些引擎在凸輪軸與氣門之間，還有一個氣門搖臂裝置（上圖沒有），來傳遞開關的力量，或是增加揚程，甚至是改變揚程。

現在很多車廠會在凸輪軸上面動手腳，藉此調整氣門的正時或揚程，來提高引擎出力或減少排氣污染。如常聽到的VTEC、VVTi、VANOS、VarioCam Plus、MIVEC 等（每家車廠都喜歡用縮寫名稱來宣傳，看起來比較威，一般人看不懂只會覺得有點厲害，但指的都是改變正時與揚程的構造。）

凸輪軸的數量位置也會影響性能，主要有分為OHV（Over Head Valve）底置凸輪軸（註1）、SOHC頂置式單凸輪軸（Single Over Head Cam）、DOHC（Double Over Head Cam）頂置式雙凸輪軸。目前大多數引擎都是DOHC的設計。

上圖是Ducati V4引擎的氣門相關構造圖，此引擎是DOHC設計，因此每排氣缸有兩支凸輪軸，V4引擎有兩排氣缸，所以有四支凸輪軸。

凸輪軸與曲軸，透過正時皮帶/鍊條（或稱內皮帶/鍊條）相連。曲軸轉兩圈會帶動凸輪軸轉一圈。

除了內皮帶/鍊條外，汽車引擎還會有外皮帶的設計，外皮帶是帶動發電機、冷氣壓縮機、動力方向機、冷卻水泵等設備（註2）。

機車引擎就沒有外皮帶的設計，畢竟機車沒有冷氣壓縮機、方向機，發電機不是裝在曲軸上，就是用齒盤帶動，水泵也是齒盤直接帶動。

此外，哈雷改裝引擎上也有一條寬寬的皮帶。那是因為哈雷的引擎跟變速箱是分開的，距離也有點遠，那條皮帶是連接引擎跟變速箱，跟一般外皮帶的用途不一樣。

也有引擎是不用凸輪軸的。瑞典車廠Koenigsegg的FreeValve系統，就是使用電磁閥來取代凸輪軸的工作，不僅大幅減少引擎動力的耗損，同時也精簡了汽缸頭的重量與體積，並有控制更精準的優點，進而把節流閥、溫輪洩壓閥等零件也取代掉了！

Koenigsegg的FreeValve系統剖面圖，凸輪軸被開除了，由電磁閥負責氣門的啟動工作，值得注意的是此系統還是使用氣門彈簧來進行氣門的復位工作。

註1：OHV現在一般是指凸輪軸在引擎本體內，用頂桿來驅動位於汽缸頭的氣門，例如哈雷的招牌引擎就是OHV設計。至於OHV這個詞的英文原文是指「在（汽缸）頭上的氣門」，那是因為一些早期的四行程引擎，氣門不在汽缸頭上，而是在側邊，如福特有名的平頭引擎（Flathead）。

哈雷（Harley-Davidson）著名的OHV引擎，汽缸旁那閃耀著鍍鉻光芒的管狀物，管子裡面就是氣門頂桿。

哈雷這些引擎還有一個特點，就是引擎跟變速箱是分開的，上圖就只有引擎，並沒有變速箱，因此引擎看起來頭大腳小。大部分的打檔車，引擎跟變速箱都是一體式設計。

除了哈雷外，以前路上常看到的光陽金勇、豪爽與勁，哈特佛雲豹，也是使用OHV引擎，這引擎源自一代名機Honda CG引擎，國內零件多、大陸改裝套件也多，是一顆很適合DIY初學者下手練習的引擎。

註2：外皮帶不一定都會帶動這些設備，例如有些車子的方向機是用電動的、就不需要外皮帶來帶動了。