//Logo Image
作者:徐業良(2010-06-14);推薦:徐業良(2010-06-14)
附註:本文發表於汽車購買指南雜誌,2010年七月號,史丹福專欄。

再談汽車引擎馬力

一切都是從馬力開始的。

199912月號,上個世紀最後一本汽車購買指南,我在史丹福專欄上寫了一篇「世紀末真情懷舊-我和汽車購買指南」的文章,把自己1983年從工讀生開始和汽車購買指南結緣的故事說了一遍。20107月號,也許是本世紀最後一本汽車購買指南,應該是個好時機,告訴大家史丹福專欄誕生的故事。

1992年夏天,我在美國史丹福大學獲得機械工程博士學位,回國進入元智大學(當時叫做元智工學院)機械系當起了大學教授,老闆似乎也覺得十分高興,邀請我繼續在汽車購買指南幫忙。那時還沒週休二日,我每週五、六固定時間到雜誌社上班,但是很快發現用這種兼差模式自己沒有辦法像專業編輯一樣投入,加上事業的重心究竟還是在學校,這樣過了一年,對自己在汽車購買指南工作的角色頗為茫然。

1993年夏天,有一陣子汽車媒體上對於汽車馬力標示DINJISSAE之間的差異、馬力數字之間如何換算等等問題,吵得不可開交,大家各說各話莫衷一是。老闆想到雜誌社裡有個史丹福大學畢業的機械博士,便要我寫一篇關於汽車引擎馬力標示的文章。我也就拿出寫學術論文的本事,找尋資料、彙總整理,把馬力這檔子事元元本本地解說了一番。

看了這篇文章,老闆八成頗為滿意,終於找到可以用我的地方,當下要我在汽車購買指南開個汽車科技的專欄。199310月,汽車購買指南第102期,史丹福專欄開張了,第一篇就是談汽車引擎馬力。

所以您知道,一切真的都是從馬力開始的,也許可以用馬力這個話題為史丹福專欄作個結束。

「馬力」這個詞是18世紀偉大的工程師瓦特(Watt)發明的,沒錯,就是那個改良蒸氣機的瓦特。馬力(horsepower)的由來的確和「一匹馬的能力(power of a horse)」有關係,相關的故事很多,但是我最喜歡的是這一個:十八世紀時煤礦礦場都是用馬把煤從礦坑中吊出來,瓦特先生長期的觀察是,一匹馬在一分鐘之內大約可以把220磅的煤拉高100英呎的高度,用國中物理課本中「功」的概念(功=力×位移)來描述,就是一匹馬在1分鐘之內可以作22,000呎磅(foot-pounds)的功。但是瓦特先生又覺得馬在拉煤時似乎都有些不甘不願,沒有使盡全力,因此他自己把馬力數字又提高了50%,訂定1馬力為「1分鐘作33,000呎磅的功」。

我喜歡這個故事,就是因為聽起來實在有點兒不科學。但是這個不太科學的單位「馬力」,就這樣被全世界的人用了兩個多世紀。

用工程一些的詞彙來敘述,馬力是「功率」的單位,也就是單位時間之內一匹馬或是一個汽車引擎可以作的功,1分鐘作33,000呎磅的功,或者換算成1秒鐘作550呎磅的功,1秒鐘之內可以把550磅的重物拉高1英呎(或者55磅的重物拉高10英呎,您可以自行組合),其功率(作功的效率)就是1馬力。

有趣的是,瓦特發明了馬力這個功率單位,但是現在常用公制的功率單位反而叫做「瓦特(Watt)」(簡稱「瓦(W)」)。在公制單位中力的單位是牛頓、位移的單位是公尺(米),功率1瓦特的意思就是在1秒鐘之內可以作1牛頓米的功,或者說在1秒鐘之內把重量1牛頓(大約102公克重)的物體拉高1公尺的高度。

還是馬力的故事感覺起來生動一些。不過您知道,馬力和瓦特同樣都是功率的單位,可以互相換算的。馬力單位比瓦特大,國中時物理老師說「馬力氣死了瓦特」,1馬力等於746瓦特,到現在還背得746這個單位換算數字。

馬力常用來描述內燃機引擎的功率,電器設備的功率則多半是用瓦特來表示,像是您家中省電燈泡功率20W、您的音響輸出500W之類的。電動馬達也多半用瓦特來描述其輸出功率,像是裕隆公司會告訴您其最新的智慧科技電動車LUXGEN EV+,電動馬達輸出180千瓦(KW),怕您不習慣,再用刮號告訴您大約等於240馬力。

也許隨者內燃機引擎逐漸走入歷史,「馬力」也會逐漸讓位給「瓦特」?

內燃機引擎的馬力是如何量測的呢?用來量測引擎馬力的設備叫做「動力計(dynamometer)」。前面提到馬力其實是功率的單位,而不是一種「力」,引擎輸出軸驅動輪胎轉動的是扭力,動力計也是在量測引擎在500rpm1000rpm1500rpm等各個轉速時輸出軸能夠驅動多大的扭力負載。動力計在各個轉速扭力測試的結果可以畫出一條引擎輸出的扭力曲線圖,橫座標是轉速,縱座標是扭力。

扭力要如何轉換成馬力呢?問問那些被徐老師填鴨教學過的元智大學機械系學生們一定很清楚:馬力=扭力×轉速。不過這裡有些麻煩的單位轉換問題,英制單位裡換算的魔術數字是5252,扭力數字(單位是呎磅)乘上轉速數字(單位是rpm),再除以5252就得到馬力數字了。

用這個公式把利用動力計量測到的扭力曲線圖作個換算,很容易便可以得到引擎的馬力曲線圖。引擎在每個轉速時輸出的扭力和馬力都不同,所以報告馬力扭力數字一定得帶個轉速,像是“200hp/6000rpm”這種形式才有意義。

汽車引擎最後標示的數字是馬力扭力輸出曲線中的峰值馬力和峰值扭力,只是代表整個引擎性能曲線一個非常大略的指標數字,實在不能作為比較汽車引擎性能的唯一依據。車廠通常根據汽車的重量、尺寸和和不同的使用目的(房車、休旅車、還是小貨卡)來校調其引擎特性,希望得到一條最合適的引擎馬力扭力性能輸出曲線,通常車廠對引擎的校調也不是以追求最大的峰值馬力扭力數字為目的。

當年對於馬力數字的爭議,主要是在於美制、德制、日制,SAEDINJIS之間馬力數字的差異,馬力數字如何換算、可不可以換算等等問題。快二十年了,前兩天在網路上各汽車技術討論區逛了一下,這個爭議居然還有不少人熱熱鬧鬧地繼續討論。

當年討論中馬力數字可能造成差異最大的因素是「毛估(gross output)」和「淨值(net output)」馬力的不同。

每個產業都有其標準制訂與認證機構,汽車產業最有代表性的就是創立於1905年的SAE,汽車工程師協會(The Society of Automotive Engineers)SAE最早的引擎馬力測試標準是在1917年發表的,馬力數字是是毛估值,也就是在動力計上直接由引擎飛輪輸出量測扭力,引擎沒有帶動任何配件,純粹是測量引擎出力。1970年時SAE做了一次重大改變,將引擎馬力測試由毛估改為淨值,也就是量測引擎輸出時裝置了真實駕駛狀況下所有會消耗引擎功率的配件,包括完整的廢氣系統、水幫浦和機油幫浦、發電機、啟動馬達、廢氣排放控制等等。對車主來說淨值馬力當然更有參考價值,所標示的馬力數字是引擎實際可用來推動汽車前進的馬力。JIS測試標準也在1993年改版,明訂毛估和淨值的測試標準。

所以引擎馬力輸出毛估和淨值的爭議,早就已經不存在了。

1970年修改的這個測試標準SAE J1349沿用了三十幾年,但是各式汽車新科技的出現使得原本的測試程序有許多車廠可以自行定義、有利引擎產生高馬力的灰色地帶。經過幾年研究,SAE2005SAE的百年年度世界會議中,宣布將第二次大幅更新汽車引擎馬力與扭力測試標準,像是引擎測試時使用汽油的辛烷值、排氣管的背壓、使用機油的號數和溫度、甚至引擎所帶動發電機的負載等等會影響引擎馬力輸出的參數,都作了更嚴謹的規範,比照實際駕駛之操作狀況。SAE新標準已經在2006年正式實施,還同時設計了一個「第三者認證」程序J2723,經過SAE J2723規定的程序,有合格的獨立第三者見證整個測試,車廠所發表馬力數字就還可以掛上個「SAE認證(SAE Certified)」的標籤,就更有可信度了。

對於咱們車主或車迷來說,您要知道您所讀到的汽車引擎馬力數字,在1971年是一個分水嶺,之前的數字是毛估輸出馬力、之後則是淨值輸出馬力;而在2006年又是一個分水嶺,之前車廠可以營造最有利的引擎測試狀況,之後則必須完全依照嚴謹規範之操作狀況測試。

那麼DINJIS呢?

您看到所謂「德制馬力」的單位標示,可能會有些疑惑,德制馬力單位用的是“ps”,而不是“hp”,兩者的確並不相同。“ps”和是德文“Pferdestärke”的縮寫,翻譯成英文是“horse strength”,再翻成中文還是「馬力」,但是“ps”其實是一個公制單位,定義是「1秒鐘之內將75公斤重物拉高1公尺」。

“ps”這個單位是德國在19世紀提出來的,和瓦特先生的馬力“hp”仔細換算一下:75公斤的重量是735.5牛頓,1 ps是指1秒鐘作了735.5牛頓米的功,所以1ps = 735.5W=0.98632hp

可能是德國車一向給人比較紮實的印象,閱讀網友們對馬力數字的討論。常常認為一匹「德制馬力」比「美制馬力」或「日制馬力」要來得大。但是從單位換算的角度來說,1ps其實比1hp小一些,100ps大約只有98.6hp。不過這件事也不太重要了,1993年歐盟成立之後,歐洲經濟共同體(European Economic Community, EEC)統一改用公制單位瓦特作為正式的功率單位,“ps”只在一些車廠廣告之類的文件上使用。

當然所謂「德制馬力」到底是指什麼,好像也沒有清楚的定義。除了pshp單位上的差異之外,SAEDIN引擎測試條件的不同(主要是溫度、濕度和大氣壓力),也是會造成馬力數字差異的原因。SAE的測試條件是攝氏25度、濕度0%、大氣壓力99KPa1993年以後JIS的測試條件也改得和SAE相同,EEC也採用相同測試條件,只是在動力計機械效率的參數修正等小細節上稍有不同。DIN的測試條件則獨樹一幟,溫度選在是攝氏20度、濕度0%、大氣壓力則選在101.3KPa,是海平面標準的大氣壓力。

溫度、濕度和大氣壓力的測試條件不同,對引擎輸出馬力到底有什麼影響?簡單的說,就是在自然進氣的狀況下,不同的溫度、濕度和大氣壓力下引擎汽缸空氣的進氣量會有些許不同。所有測試標準大氣濕度都是0%,表示吸入空氣都是完全乾燥的,不會摻雜水蒸氣;DIN的測試條件溫度低了5度,大氣壓力也高一些,表示同樣引擎汽缸容積之下能吸入空氣的質量反而多一些,有助於產生較高的馬力數字。

和長久以來「德制馬力比較大」的認知恰恰相反對不對?但是引擎在不同的溫度、濕度和大氣壓力等測試條件下,馬力數字會有什麼不同,實在不是簡單乘上一個魔術數字可以換算的,還是要以實測結果為準,所以才有「測試條件不同,馬力數字無法換算」的說法。

不過現在還討論這種引擎馬力數字的爭議,真有點兒像說書人講古。一方面DIN現在已經很少用了,歐系汽車都是用歐盟的EEC標準來測試,另一方面峰值馬力幾個hp的差異,對咱們車主來說實在意義不大。例如馬力標示通常是“200hp/6000rpm”這種形式,意思是說您汽車引擎中的兩百匹馬,要在油門一路踩到底直達顛峰轉速6000rpm時才用得上。事實上大部分駕駛狀況只用到引擎能力的一小部分,像是在平坦的高速公路定速行駛,一般轎車只需要25匹馬力,在真實世界交通上車主幾乎從來不會使用所有可用的馬力。所以馬力數字其實只是一個汽車形象的代碼,您也許只要試車實際開一趟,對性能的體會可能比任何馬力數字還要真實呢!

後記

日子一天一天的過去,每天反反覆覆作同樣的事情,時間久了彷彿以為生活就這樣一成不變地永遠過下去了。今年夏天,我的生活將會有些改變,女兒要上國中了,我們會離開住了13年半桃園的家搬到台北,汽車購買指南要停刊了。

每個月都會在固定時間接到雜誌社催稿email,這個月接到的卻是一封老闆寫來的信,告知汽車購買指南停刊的決定。接到訊息當下心裡是十分驚訝的,跑台北一趟拜訪許久不見的老闆和老闆娘談了一下午,卻也很能體諒他們急流勇退的決定。

199310月汽車購買指南第102期,到20107月汽車購買指南第303期,17年接近200篇的史丹福專欄,在這裡要劃下句點。

一定要附帶說明的是,「史丹福」專欄這個名字是老闆取的,意思可能在凸顯這個專欄在科技方面的專業性。史丹福大學的學長、同學們,真是對不住,希望過去十幾年史丹福專欄的表現,沒有侮蔑這個名字的地方。

在史丹福專欄中出現最多次的人物,就是我的女兒。常常不知道專欄裡要寫什麼,就向女兒求助找靈感。寫這篇告別文章,也去找女兒討論,問她有沒有要說什麼,她想了一會兒,很鄭重地告訴我,「我沒有要說什麼,就寫你要寫的好了。」

十幾年來儘管每個月都得為了專欄寫什麼掙扎好幾天,但是始終認為這是自己在學校忙碌生活之外一扇很棒的窗戶,強迫自己隨時注意最新的汽車科技發展,有個園地把自己的心得感想發表出來。寫這個專欄其實和我的教書本業有點兒像,自己每個月在嘗試的,就是如何用最淺顯、有趣、生動的方式,把一些枯燥無聊的汽車科技敘述出來。Well,至少我希望如此,不知道真正做到幾分。

每個月掙扎寫出來的東西,當然也希望能夠長久保存下來。網路世代當然是用網路的方式,我從19999月的史丹福專欄開始,便把所有文章放在實驗室網站上,總共存了114篇,再早的文章就沒留下來了,現在想來頗可惜的。我們實驗室網站的網址是http://designer.mech.yzu.edu.tw/,再點選下方的史丹福專欄進入網頁,或者更簡單一些直接Google「史丹福專欄」,便可以直接找到這個網頁。往後史丹福專欄的文章還是會繼續放在網站供讀友閱讀上,只是只有文字、沒有汽購編輯們精心搭配的精彩圖片了。

網路影響力是很大的。我不常接到讀友的來函,十幾年來可能不到十封,寫專欄常常像在寫部落格一樣,從來不知道到底有沒有人在看,只是跟著自己想像的讀友們對話。不過有時候在網路上找汽車科技資料,常會看到自己的文章被轉載在其他網站,被讀友們認真引用、討論。大家似乎對史丹福專欄的專業性都有正面肯定,也覺得頗為安慰。

十幾年來史丹福專欄要感謝許多人。感謝老闆和老闆娘幫我開了這扇窗戶,感謝雜誌社所有同仁,每個月都把一篇乾乾地文字包裝得圖文並茂。最後特別要感謝所有不知道在哪裡的讀友們這麼長期的支持。

職業的關係,我一直保持著一份個人履歷隨時更新。我的履歷中「現職」一欄很重要的一項是「汽車購買指南專欄作者」,我真的對於自己專欄作者身份挺驕傲的,特別是能在像汽車購買指南這樣高水準的專業雜誌寫專欄。

下個月開始,這個項目要從「現職」移到「經歷」:汽車購買指南雜誌史丹福專欄作者,1993/10~2010/07

這個月,我的人生畫下一個重要的逗點。再會啦史丹福專欄,再會啦汽車購買指南,大家再會啦…

後記:

寫完這篇告別文章沒多久,事情發生劇烈變化,老闆找到一個可以託付的對象,汽車購滿指南將會繼續經營下去,老闆娘也立刻打電話來勸我繼續寫史丹福專欄。

七月份出書,史丹福專欄的告別文章被修改成「再出發宣言」,新老闆也打電話來很誠意地邀請我繼續寫這個專欄,還加了稿費。雖然心情早就準備好告別史丹福專欄,但我是個好說話的人,所以也就,「再出發」了。

不過還是決定把告別文章原本的版本放在網路上,記錄汽車購買指南和史丹福專欄的這段經過。