汽車的動力—馬力篇


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汽車的動力來自引擎,用什麼來量度引擎的性能呢?一般多以功率(馬力)、扭力衡量之。


什麼是馬力

說到車的性能,一般人第一個想到的就是馬力。什麼是馬力呢?馬力是功率單位之一,而不是力量的單位。什麼是功率呢?功率的定義是:單位時間內所作的功。換句話說,對車子來講,就是在一定的時間內所產生供給車子運動的能量多寡。再打個比方,同樣的工作量,有人可能很快做完,有人很慢,做得快的人表示他在每一段時間內所完成的工作量,一定比慢的人多,我們稱之為工作效率高。相同的,在同樣時間內,能夠提供越多能量的引擎,它的功率越大,也就是馬力越大。

一般都說「馬力大的車比較夠力」,當然,馬力的確和引擎的出力有關,但是我們可以就一個簡單的物理學公式,認識馬力(功率)、力量與速度間的關係。式子是這樣的:功率=力量*速度。舉例來說,一個很有力的人,能在5分鐘內搬5包白米爬三層樓;而另一個人比較沒力,但腳程很快,同樣的路程雖只能搬一包白米,卻能在1分鐘達成。經計算,有力但走得慢的人,和沒力但走得快的人,其實功率是一樣的。所以同樣是300hp馬力的車,跑車就能有很高的極速,而貨車則有很大的載重量。

引擎測試標準

常見的引擎測試標準有JIS、SAE、EEC、DIN四種;它們分別為日本、美國、歐盟、德國所採行的測試標準;其中DIN已經較少被歐洲車廠所採用了。由於JIS、SAE、EEC三種測試標準的內容相近,使得引擎的測試結果也幾乎相同。汽車製造廠會因為汽車商品的性能需求或是為了符合污染排放標準,去對引擎做不同的周邊安排以及調校,使同一型的引擎在不同的國家或車型上會有不同的馬力值。

在引擎的測試方式還有總馬力和淨馬力二種測試方式。總馬力和淨馬力的不同處在於,總馬力是在引擎沒有附掛任何附加設備時所做的測量值。淨馬力是引擎在附掛發電機、水泵、排氣管....等附加設備後所做的測量值。目前引擎測試幾乎都是淨馬力測試。

德制日制如何換算

由於日本JIS在1994年施行修改後的引擎測試標準,使得JIS與EEC及SAE的測試標準極為相近,使得同一個引擎在JIS、SAE、EEC的測試條件下,會有幾乎相同的輸出數據。而大家最關心的議題,不外是各種標準之間的馬力如何換算,由於德制 (DIN) 標準與其他測試標準的設定不同,不單純是單位之間的換算問題,所以,根本無法換算。
汽車的動力—扭力篇

扭力是什麼

在我們看到汽車的性能資料時,除了會注意到馬力的大小之外,還有一個值得注意的性能就是扭力的大小。扭力為引擎在運轉速時所輸出的扭矩,講白一點,就是引擎的出力。扭矩或扭力是針對旋轉運動的物體說的,因為引擎的驅動力,從飛輪經過變速箱傳遞到車輪,都是在旋轉狀態下。對於駕駛者,能感受到的就是車輛加速的力量,所以我們說一部車很夠力,是因為感受到引擎強大扭力所產生的加速力。

如何判讀扭力數據

通常我們看到扭力數據都是這樣的:14.9kg-m/4400rpm。這表示該具引擎在4400rpm時,會有14.9kg.m的「最大」扭力。一般來說,引擎在不同的轉速下,扭力輸出會不同,但是以上面的數據來看,不是引擎在4400rpm時,就有14.9kg-m的扭力。引擎扭力輸出雖會隨著引擎轉速而不同,但扭力最主要還是跟引擎負荷,也就是油門踩踏深度有關。所以上面數據應這樣解讀:當引擎在全負荷/全油門狀態於4400rpm時,會有14.9kg-m的「最大」扭力。

扭力輸出特性

引擎扭力大小既是指出力大小,當然扭力就與車輛的加速性有關,並且與爬坡、載重能力 (載重能力還牽涉底盤設定) 相關。不同的引擎設計,就會有不同的扭力輸出特性,有些引擎是低轉速扭力較大,有些高轉速扭力較大,有些渦輪增壓有全速域大扭力的高原式扭力輸出特性。在一般使用狀態下,汽車多在市區以低速行駛,或是在高速公路上以高檔位做高速行駛,此時引擎多在中低轉速下運轉,所以低轉速高扭力的引擎,最適合一般日常使用。然而,對於常使用高轉速的競技用車,多採用強調高轉速大扭力的引擎。


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圖為Mercedes-Benz E400CDI的引擎扭力曲線圖,由扭力曲線分佈可看出,該引擎具有低轉速高扭力,及高原式扭力曲線之雙重特性。


扭力與馬力

   
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引擎馬力曲線是根據測試時所量測到之扭力值繪製而成。圖中藍色者為扭力曲線,紅色為馬力曲線。

扭力和馬力的關係是什麼呢?在引擎測試時,所能測到的是扭力值,馬力是由扭力與引擎轉速算出來的,所以扭力與馬力是在同一個測試中得到的。在「馬力」篇已經介紹過,馬力其實是功率的單位,而不是力;並且「功率=力量*速度」,馬力是功率,在旋轉運動中,扭力是力量,而轉速是速度,所以馬力是扭力與引擎轉速的乘積。但其中牽涉單位及旋轉與直線運動間的轉換,所以詳細算式就不在此列出。

常見的單位

常見的扭力標示單位有kg-m、lb-ft、Nm三種。在臺灣一般多使用kg-m為扭力單位,歐洲常以Nm標註,北美則多採用lb-ft為扭力單位。

 

汽車的動力—行駛性能篇

極速

動力系統所提供的動力使汽車能夠達到的最高行駛速度。汽車製造廠會因應政府的要求或銷售市場的慣例,在車輛上面藉由電子系統限制汽車的最高行駛速度。例如在歐洲銷售的高性能房車都會將極速限制在250km/h以下;而在日本則是將汽車的極速限制在180km/h以下。

要提高車輛的極速除了增加引擎的動力輸出之外,還要降低汽車行駛的阻力。所有的行駛阻力當中就以空氣阻力為最大,也是汽車在高速行駛時主要的行駛阻力來源。為了降低汽車在高速行駛時的空氣阻力,汽車製造廠都投入大量的資源在空氣力氣方面的研究,使車身的造型設計合乎空氣動力學,藉以製造出具有高穩定性及經濟性的汽車。



在車身空氣力學上下工夫,可以有效降低風阻,進而改善高速行駛的省油性。


加速性能

引擎輸出的馬力及扭力在呈一定狀態下,因各檔位減速比設定的不同,使汽車的加速性能有所差異,除此之外車身重量的大小對於汽車的加速性能就產生更大的影響。在起步時速度從零開始加速的過程中,引擎的動力輸出和各檔位減速比始終影響著汽車的加速性能。藉由多種的加速性能測試,可以了解汽車在各種狀況下的行駛性能。一般常見的汽車加速性能測試有0~100km/h和0-1/4mile二種,由於1/4mile等於402.3m,因此有些測試則改為0-400m。

耗油性能

地球資源日漸減少,空氣污染日益嚴重,汽車在消耗資源的同時也製造空氣污染。要如何使汽車在消耗資源時,還能夠兼顧環保問題呢?提升汽車的耗油性能就成為汽車製造廠的重要課題了。雖說「又要馬兒跑,又要馬兒不吃草」是不大可能的事,但是經由各車廠工程師的研究下,已經研發出許多技術,讓車輛能在性能提升的同時,也能擁有不錯的省油性。

例如Hybrid混合動力,使Toyota Prius擁有每公升汽油行駛35.5公里的省油性能。而可變進器歧管、可變汽門正時等系統,也可以有效的提升引擎的進氣效率,而達到省油的效果。
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