圖解汽車構造與原理

第1章 引擎的發展背景與歷史

1-1 內燃機的起源
1. 內燃機的問世
活塞式內燃機自19世紀60年代問世以來，經過不斷改進和發展，已發展成較完善的機械了。它熱效率高、功率和轉速範圍寬、配套方便、機動性好，所以獲得了廣泛的應用。在最早期，約於西元1794年，史屈特氏（Robert Street）利用一個倒置汽缸及一個可活動的活塞，滴數滴松節油酒精於汽缸底部使之汽化，再投火焰使其爆炸，其製造雖為粗糙，但卻是內燃機概念的開始。
2. 四行程理論的出現
現在大部分的汽車、工業用途都是使用四行程引擎，也就是我們常聽到的進氣、壓縮、動力、排氣，一個週期由四個行程組成。在最早期，於西元1862年時，洛卻氏（Beau De Roches）提出要獲得最佳效果，宜用洛氏四行程循環原理，這也是四行程理論首創。而這項理論真正的技術實現是由德國的科學家奧圖氏（Nicolaus Otto）於西元1876年提出，又稱奧圖循環。
3. 二行程引擎的出現
二行程循環，一個週期由兩個行程組合，這兩個行程分別為「上行」和「下行」。二行程引擎於西元1880年，由蘇格蘭的工程師克拉克氏（Clerk）發明，旨在兩個行程完成進氣、壓縮、動力、排氣等四個動作，可以理解為較為精簡的四行程循環。由於運作特性之故，二行程主要運用於偏大與偏小的引擎組（如大型輪船或航模引擎），而中型引擎多為四行程引擎。與四行程引擎相比，二行程引擎結構簡單，運動部件少，所以成本較低。由於曲軸每轉一圈都有做功，在相同功率下，二行程引擎尺寸小、重量輕。低速力矩大，扭矩隨曲軸轉角變化均勻。因為不以重力活塞循環，很適合引擎外露和經常作大幅度搖擺的機車，即使有數百毫升的排氣量仍然是較佳的選擇。

1-2 柴油引擎的發展歷史
1. 柴油引擎簡介
柴油引擎，顧名思義就是使用柴油為燃料的引擎，其主要的特徵為使用壓縮產生高壓及高溫點燃汽化燃料，因此不需另外提供點火。
2. 柴油引擎的發展過程
在奧圖發明四行程引擎後，當時許多工程師開始致力於內燃機的研發，但由於當時點火裝置的技術還不成熟，這時德國工程師狄賽爾氏（Rudolf Diesel）就另闢一條新的路，他便以空氣壓縮後能使溫度升高的原理，當作他壓縮點火理論的基礎，也就是先將汽缸內空氣壓縮產生高溫後，再把燃料注入燃燒室，使其燃燒。這也是柴油引擎的一大特色。終於，柴油引擎誕生於西元1895年，狄賽爾氏（Rudolf Diesel）發明了柴油機，但有趣的是，當時他在博覽會展示他的發明時，所使用的燃料是花生油，因為他發明此引擎的初衷是希望可以使用各式不同的燃料。不過，即使這時的柴油引擎有不錯的熱效率跟省油特性，卻有因為高壓空氣供油導致不穩定運轉的問題，在當時很難跟技術成熟的汽油引擎競爭。
沉寂一段時間後，在1924年時，美國康明斯公司（Cummins）將供油噴射幫浦跟原本的柴油引擎做結合，解決了當時因為高壓空氣供油導致不穩定運轉的問題，並第一次把柴油引擎裝於卡車，奠定了車輛使用柴油引擎的基礎。1936年，柴油引擎也搭載於Mercedes-Benz 260D，這也是柴油引擎應用於轎車的開始。
3.柴油引擎的優缺點與問題
柴油引擎在省油上的表現相當出色，又具有低轉速高扭力的特色，因此大客車、貨車等商用車大多以柴油引擎驅動。但也因燃燒後易產生主要以碳粒為主的懸浮微粒（SS）與超細懸浮微粒（PM2.5），再加上高溫高壓下易產生的氮氧化物（NOx），有汙染較高的問題。因此，柴油引擎在未找到替代能源之前，算是一個不錯的過渡方案。

1-3 萬克爾引擎的發明
1. 萬克爾引擎的出現
萬克爾引擎最早由德國的工程師菲利斯‧萬克爾（Felix Wankel）設計開發，據說他17歲時，曾在睡夢中夢到自己開著一台自己打造的車子前往聚會，並告訴大家這是使用他自己發明的引擎，從這裡就可以看見他的熱忱。因此，他從西元1926年著手迴轉活塞式引擎的研究，並創立專門的研究所，直到西元1957年，萬克爾引擎第一台原型機才真正被開發出來，也就是轉子引擎的前身。此引擎最大的特色就是沒有活塞，跟傳統的往復式活塞引擎不同。而真正讓這款引擎發揚光大的功勞要歸功於日本車廠馬自達（Mazda），他們透過改良萬克爾引擎設計出「轉子引擎」，進而推出一系列高性能跑車，一舉打響轉子引擎的名聲。
2. MAZDA轉子引擎的演進
西元1959年正式發表Wankel轉子引擎後，與萬克爾合作的NSU公司就收到了來自世界各地100多家車廠的合作申請，其中包括了德國的Benz、日本的Toyota和Mazda，不過，除了Mazda以外的其他車廠都紛紛打退堂鼓，因為經過實際的試驗過後發現，要實際量產比想像中要困難許多。但Mazda當時的社長松田恒次卻是抱持著轉子引擎存在巨大潛力的想法，於1961年正式與NSU合作，他們在研發的過程首次遇到一個很重要的瓶頸-「chatter mark」，也就是轉子引擎本體與轉子接觸面上所產生的波狀異常磨耗，使引擎耐用度下降。後來研究部門透過改善轉子三端裝置的材質，才初步解決了這個問題。於1967年，第一輛搭載轉子引擎的量產車Cosmo Sport正式問世，此後也陸續推出很多Cosmo車系的車子，目標不只是跑車市場，更打入一般房車市場。
接著，要來介紹真正讓轉子引擎發光發熱的RX車系，從1971年誕生的首輛車RX-3在日本的賽場上創下50連勝的事蹟。到2003年，搭載最新型轉子引擎的RX-8，讓轉子引擎成為汽車工業中的速度之最。但到了現代，轉子引擎由於油耗與現今排放廢氣法規的問題，不得不停產，但Mazda車廠仍保留這項技術，或許未來還有機會能看見轉子引擎的後續車款。

第2章 引擎基本原理
2-1 引擎的基本介紹
何謂「熱機」：將燃料燃燒產生之熱能轉換成機械能，使機械產生往復運動或迴轉運動以做功的裝置稱為「熱機」（Heat Engine），又依燃燒的方法可以分為內燃機和外燃機兩大類。
1. 內燃機
燃料在熱機內部燃燒，而將其燃燒所爆發的力量直接轉變為機械能的機器，稱為「內燃機」，現可再分為往復式（Reciprocating）及迴轉式（Rotary）兩種。汽油引擎、柴油引擎等皆屬於往復活塞式內燃機（圖2-1-1）。
2. 外燃機
燃料在熱機外部燃燒，將水變為蒸氣後，再將蒸氣導入熱機內部，或加熱工作氣體進而利用工作氣體（如氦氣）的熱脹冷縮，以推動熱機而產生機械能的機器，稱為外燃機（圖2-1-2）。

2-3 引擎的種類和工作原理
1. 四行程引擎
何謂「四行程」？最簡單的解釋就是活塞兩上兩下，亦即曲軸旋轉720度即可完成一次動力輸出的引擎就是四行程引擎。而四行程引擎的工作原理依順序可以分為4大部分：
（1） 進氣行程
活塞在汽缸內自上死點向下行移動至下死點時，將新鮮的空氣和汽油的混合氣吸入汽缸之內（圖2-3-1）。
（2） 壓縮行程
進氣門和排氣門都關閉，活塞由下死點上行移動至上死點，將汽缸中的混合氣壓縮，壓縮主要是為了提高混合氣溫度（氣體在壓縮後有溫度上升的特性），從而利於混合氣的燃燒（圖2-3-2）。
（3） 動力行程
此時進氣門和排氣門都關閉，火星塞適時發出高壓電火花，將溫度很高的混合氣點燃，使其燃燒爆炸產生巨大的壓力，將活塞從上死點推至下死點，進而推動曲軸做功產生動力（圖2-3-3）。
（4） 排氣行程
活塞自下死點上行移動至上死點時，此時進氣門關閉，排氣門開啟，汽缸中已燃燒過的廢氣由活塞向上移動時經排氣門排放（圖2-3-4）。
2. 二行程引擎
何謂「二行程」？二行程即是活塞移動兩個行程，也就是曲軸旋轉360°就可以完成進氣、壓縮、動力、排氣4個工作型態，完成一次循環，產生一次引擎動力，即稱為二行程引擎。因為結構的特殊，所以活塞所配合的行程，其運動方向與順序皆會與四行程相異。圖2-3-5至圖2-3-10為二行程引擎的完整動力循環流程圖。

第3章 各式引擎的安裝

3-1 各式引擎的介紹
1. 直列式引擎
直列式就代表引擎的所有汽缸均排列在同一平面上，引擎代號大多以L或I呈現。直列式引擎最大的特點在於直列式引擎的曲軸和車輛傳動軸平行，可以減少一次的傳動方向轉換，不僅可以降低動力的損耗，同時也可以降低成本。不過，直列式引擎也不是完全沒有缺點，在汽缸保持在同一直線的情形下，受限於車體引擎室大小，可以對應的汽缸數不如V型及水平對臥等引擎來得多，而且引擎本身的功率較低，且引擎震動也會較大。
以市面上普遍的直列式引擎來說，通常只有4個汽缸，引擎上下半部會用到的大小零件數大約有124個，其中最大宗以活塞占48個、閥門占30個，大概有10個安裝流程。
2. V型引擎
V型引擎是指活塞引擎的汽缸分列在曲軸的兩側，在該方向上呈現出V字形。這種排列方式相較於水平直線排列的設計，可以減少引擎的長度、高度和重量。V型引擎的汽缸排列並非垂直於曲軸，而是有一個角度，兩排汽缸之間的角度取決於汽缸的數量以及運作順暢的考量而有不同，比較常見的角度包括60度與90度。
以市面上普遍的V型引擎來說，例如6缸引擎零件一般會在195個上下，畢竟因為汽缸被區分為左右兩邊，無論凸輪軸、凸輪軸齒輪、鏈條、進排氣歧管等也都會隨之增加，大概有18個安裝流程。
3. 水平對臥引擎
水平對臥引擎乃是根據複數的汽缸分成兩等分，以曲軸為中心呈現180度夾角而分列左右的形狀，因而得名水平對臥。水平對臥引擎最大的缺點是打造費時，製造成本相對較高。而且周邊配件和引擎腳的安裝孔位不一樣，這些零件無法開發單模成對生產，非得花費更多開模成本來製造兩側不同的引擎組件才行。同時，為了確保引擎工作效率和耐用度，進排氣角度、燃燒室氣流形狀、汽門結構等都必須經過精密的計算，增加了設計的困難度。
一般水平對臥引擎以6缸來計算，汽缸本體內尚有曲軸箱此類構建的新增，加上汽缸也是被分為兩邊，零件會比Ｖ型引擎再多一些，約有220個左右，大概有20個安裝流程。

3-2 直列式引擎的安裝（一）
1. 安裝曲軸
引擎安裝的第一步，就是要將曲軸放置進汽缸本體內，並利用軸承與螺絲固定，如此才方便後續汽缸與凸輪軸的安裝。
我們首先會把汽缸本體180度倒置，並裝上曲軸的下軸承，特別要注意的是，汽缸本體裝置下軸承的位置有個凹槽，是用來配合下軸承的突起處，當突起處卡進凹槽，下軸承就不會轉動。而後，就可再裝上曲軸。待曲軸裝置完成後，再依序裝置上軸承及上軸承蓋，上軸承的側面也是會有凹槽，與曲軸軸頸上的突起部分做卡合使其不轉動。最後裝軸承套，其中得用螺栓鎖緊至標準緊度，共需10根螺栓。
2. 活塞安裝
首先，安裝活塞銷和連桿組件需先潤滑活塞和銷孔連桿，並將活塞銷壓入活塞銷孔並連接，使用活塞銷安裝套裝。再者，若要將活塞環安裝到活塞上時，請使用環形擴鉗工具，並小心地將活塞環擴展得比活塞的外徑大一些，將油控環墊圈安裝在凹槽中。安裝下部控油環，控油環沒有方向標記，可以安裝在任何一個方向。使用活塞環鉗安裝下壓環，下壓縮環有一個方向標記，這個標記必面向頂部活塞。上壓縮環一樣有一個方向標記，這個標記必面向頂部活塞。活塞組好之後，接著就要將活塞安裝至汽缸本體內。首先，我們得將活塞組件安裝到汽缸孔中，並使用活塞環壓縮器和連桿螺栓導向套件固定之，並用木錘柄輕輕敲擊頂部活塞。如此一來，活塞環壓縮器會緊緊靠在引擎缸體上，直至完全鎖定活塞環進入汽缸孔。
最後，是將活塞與曲軸固定，並將螺母均勻擰緊至45 lb-ft。安裝完所有連桿軸承後，輕敲每個連桿組件直至曲柄銷平行，以確保它們保有間隙。

第1章 引擎的發展背景與歷史

1-1 內燃機的起源
1. 內燃機的問世
活塞式內燃機自19世紀60年代問世以來，經過不斷改進和發展，已發展成較完善的機械了。它熱效率高、功率和轉速範圍寬、配套方便、機動性好，所以獲得了廣泛的應用。在最早期，約於西元1794年，史屈特氏（Robert Street）利用一個倒置汽缸及一個可活動的活塞，滴數滴松節油酒精於汽缸底部使之汽化，再投火焰使其爆炸，其製造雖為粗糙，但卻是內燃機概念的開始。
2. 四行程理論的出現
現在大部分的汽車、工業用途都是使用四行程引擎，也就是我們常聽到的進氣、壓縮、...

大約在十年前，雖然如願在中山大學機械系升上教授，但好像也失去了生活重心。為了重新找到對生活的熱情與活力，決定投入古董車的世界，於是買下了我人生第一台保時捷 911（1992年的964）。之後便陸續經歷了：剛買車的喜悅、隨之而來車子出問題的煩惱、找到正確的原因及零件（通常都需要好幾次的車友討論）、上網搜尋資料並向保養廠技師請教、最後耐心地等待問題解決後的成就感。
隨著收藏／割愛 964、993、930循環次數的增加，也不斷地累積我對車子的基本知識。許多大學生也來找我進行車子相關的專題研究，我於是成立了部落格及臉書粉絲團，部落格名為「曾教授與古董保時捷」（eatontseng.pixnet.net），把一些比較實用的成果放在網路上與大家分享；而臉書粉絲團則名為「曾教授的汽車世界」，除了轉載部分部落格文章外，也會不定期分享各類型汽車資訊及知識。近年來，我也開始在學校裡開授「汽車學」（針對機械系學生的專業課程）及「汽車發展史」（針對一般學生的通識課程）等課。
完成了我的第1本科普書《保時捷911傳奇》後，我對車的興趣也延伸到了義大利車。隨著我購買維修法拉利的355以及愛快羅密歐的145，期間也非常感謝汯瑨保養廠鄂鴻逸老闆與我交流許多車輛基本原理。我的第2本科普書《義大利超跑傳奇》則介紹了義大利的5大車廠：包山包海及以小車聞名的飛雅特、執著於跑車精神的愛快羅密歐、超級豪華跑車始祖瑪莎拉蒂、超跑代表法拉利及絶美的藍寶堅尼。

大約在十年前，雖然如願在中山大學機械系升上教授，但好像也失去了生活重心。為了重新找到對生活的熱情與活力，決定投入古董車的世界，於是買下了我人生第一台保時捷 911（1992年的964）。之後便陸續經歷了：剛買車的喜悅、隨之而來車子出問題的煩惱、找到正確的原因及零件（通常都需要好幾次的車友討論）、上網搜尋資料並向保養廠技師請教、最後耐心地等待問題解決後的成就感。
隨著收藏／割愛 964、993、930循環次數的增加，也不斷地累積我對車子的基本知識。許多大學生也來找我進行車子相關的專題研究，我於是成立了部落格及臉書粉絲團...

自序

第1章 引擎的發展背景與歷史
1-1 內燃機的起源
1-2 柴油引擎的發展歷史
1-3 萬克爾引擎的發明
1-4 化油器到燃油噴射的歷史
1-5 馬力與瓦特故事的由來
1-6 半導體王國於汽車工業的貢獻

第2章 引擎基本原理
2-1 引擎的基本介紹
2-2 引擎相關名詞介紹
2-3 引擎的種類和工作原理
2-4 引擎整體構造
2-5 引擎重要元件簡介
2-6 引擎重要元件介紹-活塞
2-7 引擎重要元件介紹-汽門
2-8 引擎重要元件介紹-火星塞、飛輪
2-9 引擎剖面圖
2-10 引擎的排列

第3章 各式引擎的安裝
3-1 各式引擎的介紹
3-2 直列式引擎的安裝（一）
3-3 直列式引擎的安裝（二）
3-4 直列式引擎的安裝（三）
3-5 V型引擎的安裝（一）
3-6 V型引擎的安裝（二）
3-7 V型引擎的安裝（三）
3-8 水平對臥引擎的安裝（一）
3-9 水平對臥引擎的安裝（二）
3-10 水平對臥引擎的安裝（三）

第4章 供油系統
4-1 供油系統
4-2 供油系統的分類
4-3 化油器（一）歷史
4-4 化油器（二）原理
4-5 化油器（三）種類
4-6 機械噴射系統（一）歷史
4-7 機械噴射系統（二）原理（1）
4-8 機械噴射系統（三）原理（2）
4-9 電腦噴射系統（一）歷史
4-10 電腦噴射系統（二）原理

第5章 點火系統
5-1 點火系統
5-2 點火系統（一）歷史
5-3 點火系統（二）分類
5-4 白金接點式點火（一）原理與工作流程
5-5 白金接點式點火（二）重要元件
5-6 電晶體的基本介紹
5-7 半晶體點火系統
5-8 全晶體（一）電容放電式點火系統
5-9 全晶體（二）感應放電式點火系統
5-10 微電腦式點火系統

第6章 電子引擎
6-1 電子引擎的由來
6-2 廢氣循環系統（EGR）
6-3 含氧感知器（一）原理
6-4 含氧感知器（二）運作模式
6-5 觸媒轉換器
6-6 電子引擎的輔助元件
6-7 進氣系統
6-8 渦輪增壓的種類

第7章 電腦
7-1 車用電腦的歷史
7-2 各國車用電子零件供應商
7-3 訊號種類
7-4 ECU內部結構
7-5 ECU與感測器
7-6 第一代車用電腦
7-7 第二代車用電腦
7-8 網路功能與總機系統
7-9 車上診斷系統（On-Board Diagnostics）
7-10 先進駕駛輔助系統（ADAS）
7-11 ECU改裝
7-12 車用感測器（一）位置
7-13 車用感測器（二）溫度
7-14 車用感測器（三）壓力
7-15 車用感測器（四）其他

第8章 傳動系統
8-1 傳動系統
8-2 離合器的介紹與種類
8-3 差速器和萬象軸
8-4 變速箱與汽車傳動布局
8-5 手排變速箱的介紹與原理
8-6 手排變速箱的發展與種類（一）
8-7 手排變速箱的發展與種類（二）
8-8 手排變速箱的基本構成
8-9 手排變速箱的各種檔位
8-10 自排變速箱的介紹與原理
8-11 自排變速系統的發展與種類（一）
8-12 自排變速系統的發展與種類（二）
8-13 自排變速箱的基本構成
8-14 自排變速箱（AT）的各種檔位（一）
8-15 自排變速箱（AT）的各種檔位（二）

第9章 電動車
9-1 電動車的歷史
9-2 電動車的動力系統
9-3 電動車的能源系統
9-4 混合動力車
9-5 電化學電池
9-6 燃料電池（一）特性
9-7 燃料電池（二）應用
9-8 燃料電池（三）氫動力汽車

第10章 直流馬達
10-1 直流馬達的介紹
10-2 直流馬達的分類與比較
10-3 有刷直流馬達的構造與原理
10-4 有刷直流馬達的實作
10-5 無刷直流馬達的構造與原理
10-6 無刷直流馬達的實作（一）
10-7 無刷直流馬達的實作（二）

第11章 交流馬達
11-1 交流馬達的介紹
11-2 同步馬達的構造與原理
11-3 同步馬達的應用
11-4 感應馬達的轉動原理（一）
11-5 感應馬達的轉動原理（二）
11-6 感應馬達的應用
11-7 交流馬達的實作（一）
11-8 交流馬達的實作（二）

自序

第1章 引擎的發展背景與歷史
1-1 內燃機的起源
1-2 柴油引擎的發展歷史
1-3 萬克爾引擎的發明
1-4 化油器到燃油噴射的歷史
1-5 馬力與瓦特故事的由來
1-6 半導體王國於汽車工業的貢獻

第2章 引擎基本原理
2-1 引擎的基本介紹
2-2 引擎相關名詞介紹
2-3 引擎的種類和工作原理
2-4 引擎整體構造
2-5 引擎重要元件簡介
2-6 引擎重要元件介紹-活塞
2-7 引擎重要元件介紹-汽門
2-8 引擎重要元件介紹-火星塞、飛輪
2-9 引擎剖面圖
2-10 引擎的排列

第3章 各式引擎的安裝
3-1 各式引擎的介紹
3-2 直列式引擎...