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作者:徐業良(2012-05-13);推薦:徐業良(2012-05-13)
附註:本文發表於汽車購買指南雜誌,2012年五月號,史丹福專欄。

關於汽油的「基本常識」

許多人以為教授的小孩考試成績一定也會比較好,我和太太都是大學教授,讀國二的女兒有語文、音樂、美術許多天分,但是在學校的考試成績卻實在不怎麼樣。女兒明顯是個聰明、成熟的小孩,也很認真地準備考試,但對於考試這回事兒始終不「認命」,總是問我這個很難回答的問題,

「學這個,以後到底有甚麼用?」

我從小就是考試天王,沒甚麼別的天分,就是很會考試,把考試當作打電玩,熟練各種技巧、努力打高分就對了,管他有甚麼用呢!

面對女兒的問題,開始的時候我會認真地想一些例子來回答這個問題,甚麼地方會用到這些知識,但是久了以後越來越難回答,我的標準答案變成了,

「這是基本常識,不知道很遜欸!」

這個回答似乎有用,有時候在電視上出現一些看起來有些膚淺的人物、講些沒常識的話,女兒便會喃喃地說,「她一定沒有讀過理化

女兒這次理化段考的主題是「有機化合物」,理化課本上有一段關於「烴類」的內容是這樣的:

「只含有碳和氫兩種元素的有機化合物,稱為碳氫化合物,簡稱烴。」

「碳原子結合成鏈狀者為鏈狀烴,如甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、正己烷(C6H14)。」

「碳原子結合成環狀者為環狀烴,如環己烷(C6H12)。」

「含碳數較少的烴類沸點較低,常溫下呈氣態,如甲烷、乙烷和丙烷。」

「含碳數較多的烴類沸點較高,常溫下以液態存在,如己烷。」

「含碳數更多的烴類常溫下以固態存在,如正二十(C20H42)。」

「烴類難溶於水,在空氣中完全燃燒會生成二氧化碳和水。」

「汽油、煤油、柴油、潤滑油、柏油(瀝青)等,都是含有多種烴類的混合物。」

其實現在國中教科書編得比當年我讀國中時好太多了,陪女兒讀書時常有溫故知新的感覺。汽油是人類經濟的血液,您每天都得要用到汽油,但不曉得這些關於烴類有機化合物的敘述,對您來說是不是常識

汽油是從地底蘊藏的黑色原油中提煉出來,而原油基本上就是前面提到這一大堆烴類碳氫化合物所組成的。最小、最輕的碳氫化合物是甲烷CH4,女兒課本中有這個圖,一個碳原子在正中央,伸出四隻手牽著周圍4個氫原子;碳原子的四隻手也可以放掉一個氫原子,改牽著另一個碳原子,一個牽一個,形成碳原子鏈,就是前面提到的鏈狀烴;甚至碳原子鏈頭尾兩個碳原子再牽起手來,碳原子鏈便成了一個環,形成環狀烴。

這時候女兒的問題是,「原子這麼小又看不到,怎麼知道形狀是怎麼樣?」我就只好顧左右而言他,科學家有辦法就是了。

這些烴類碳氫化合物中文的命名方式也很有趣,含有一個碳原子就叫做甲烷、含有兩個碳原子叫做乙烷、三個叫丙烷、四個叫丁烷,依此類推。如果是環狀烴,就在中文名字前面加一個「環」字,像是6個碳原子的環狀烴叫做環己烷;碳原子數目要是超過10個,戊己庚辛壬癸的名字都用完了,就改用數字命名,像是前面提到有20個碳原子的正二十烷。

這些不同的烴類碳氫化合物,性質也有差異,基本上碳鏈中包含碳原子的個數越多,沸點就越高。原油提煉的過程中,也正是利用各類碳氫化物沸點不同,把不同的油品分餾(distillation)出來。

甲烷、乙烷、丙烷、丁烷在常溫下都是氣體,您家中使用的天然氣主要的成分是甲烷,一般以管線輸送,畜牧業廢水或地下汙水道產生的沼氣,也含有大量的甲烷;您家使用桶裝瓦斯的話,主要成分是丙烷與丁烷,是利用加壓的方式將氣體壓縮為液態裝在鋼瓶裡,正式一點的名稱就叫做「液態石油氣」。

烴類碳氫化合物的碳鏈長一些,到了C5C6C7的範圍,常溫之下雖然是液體,但是很容易揮發,統稱叫做揮發油(naphthas),常用來做乾洗衣物用的溶劑;汽車用的汽油是從C7C11的混合物,常溫時雖然是液態,但是沸點都比水低,揮發也非常快。煤油(kerosene)的碳鏈在C12C15的範圍,再接下來是柴油(diesel),沸點越來越高,到了機油之類的潤滑油,沸點已經高達一百多度,沒有揮發性了,甚至是以半固態的油脂的形式存在(如凡士林),也不容易燃燒。碳鏈長度在C20以上的烴類碳氫化合物,常溫下以固態存在,如正二十(C20H42),就是拿來鋪馬路的瀝青或柏油了。

OK,汽油就是這些烴類有機化合物組成的,並且含有微量硫及氮。所以在汽車引擎中燃燒後生成物除了二氧化碳和水(不完全燃燒會產生一氧化碳)之外,汽車廢氣中還會有一些硫化物(SOx)和氮化物(NOx),其比例視汽油成分及燃燒情況而定。

汽油和這一大堆烴類燃料對人類經濟如此重要,主要的原因是其「能量密度(energy density)」非常高,燃燒後能產生大量的能量,遠遠超過所有其他能源。能量密度的意思就是一固定體積或重量的能源中,包含了多少可以利用的能量,能源的能量密度越高、利用起來自然越方便。能量的單位是焦耳,給您幾個數據做參考,汽油的能量密度是每公升34百萬焦耳,也就是每公升汽油中有34個百萬焦耳的能量可以利用,柴油的能量密度更高,每公升有36.4百萬焦耳。

每公升汽油包含34百萬焦耳是多少能量呢?這兩個月全台灣都在談油電價格雙漲的問題,您家中使用1度電換算一下是3.6百萬焦耳,也就是1公升汽油大約包含9.4度電的能量,您也可以把兩種能源價格自己換算一下。電動車電池的能量密度低得多,如果以每公斤能源包含的能量來看,汽油的能量密度大約是鋰電池的三十幾倍,這也是電動汽車最需要突破的地方。當然內燃機引擎的能量效率比較低,通常只有百分之二三十,也就是說汽油裡包含的能量只有百分之三十左右轉化成為汽車的動能,而電動馬達的能量效率可以高達百分之八九十,汽車使用這兩種能源之間算盤還得好好打一打。

另一個有趣的說法是,如果人體能夠消化汽油,把汽油的能量轉換為人體所需熱能的話,一加侖汽油所含的熱量,相等於110個麥當勞大麥克所含的卡路里。也就是說,如果可能,每天喝幾口汽油就足夠一天的熱能了。

理想上來說,如果汽油在引擎中完全燃燒產生能量,最終產物應該只會有二氧化碳和水。不過內燃機引擎常常無法完全燃燒,也會同時產生一氧化碳、氮氧化物、碳氫化物等等,排氣管上的觸媒轉換器雖然可以處理掉大部分廢氣,但是汽車仍然是城市中空氣汙染的最大來源。

您知道,二氧化碳是溫室效應氣體,是汽油引擎也是溫室效應氣體最大的來源。理論上來說,汽油完全燃燒產生的二氧化碳,重量會是燃燒掉汽油重量的兩倍多,一公升的汽油大約是720公克重,您每消耗1公升汽油,就會從排氣管向外丟1.5公斤以上的二氧化碳。

實在挺驚人的,想像您開車時一路往外丟垃圾,只是二氧化碳是氣體,大家感覺不出來。

另外一個您也許想知道關於汽油的基本常識是,您每次在加油時,929598是甚麼意思?95比較貴欸,我能不能加92就好?

929598指的是汽油的「辛烷值」。OK,這樣完全沒有解釋,辛烷值是甚麼意思?

您一定瞭解汽油引擎有進氣、壓縮、動力、排氣四個衝程,在壓縮衝程中,引擎活塞把一整個汽缸油氣混合氣的體積壓縮到原來的八分之一或更小(這個比例叫作「壓縮比」),然後才由火星塞點火燃燒。壓縮過程中油氣混合氣可能還等不及火星塞點火,就自行燃燒起來,引擎因而產生爆震(knocking),不但性能受到影響,更可能傷害到引擎,當然不是您想看到的事。

辛烷值便是汽油抗爆震能力的指標,您的愛車應該加辛烷值多少的汽油,和原廠引擎壓縮比的設計有關,高性能的汽車引擎設計上壓縮比較高,必須要採用辛烷值越高的汽油才不會產生爆震,這個油錢是省不得的。

最近有讀友email問我關於引擎積碳的問題,這個問題也和汽油有關。

「原廠手冊中沒有看到引擎積碳的說明,也沒提到說引擎需要清積碳;但似乎又有不少資料表示噴油嘴、進氣門、燃燒室、甚至排氣管路都會積碳,而積碳不清,對引擎則會有負面影響。」「在如此狀況下,實令在下感到困惑:到底有無需要進行清積碳的動作?久仰教授專業,還望您不吝撥冗扼要解惑。」

我通常不直接email回覆讀友的問題,一方面許多問題(特別是像清積碳這種比較實務面的問題)我實在不是專家,另一方面即使我對這個問題略知一二,下筆之前總還是需要找許多資料多方確認,花了許多時間,不如就在史丹福專欄和所有毒友們分享了。

關於積碳的問題、成因,網路上可以找到一大堆資料,基本上積碳就是因為汽油燃燒不完全,殘留、聚積在引擎內部的進排汽門、進氣道、燃燒室、噴油嘴的碳與黑膠狀物質。許多汽車保養廠會提供清除積碳的服務,另一個簡單的方式是在汽油中加入有清潔積碳效果的添加劑。

汽油添加劑我就真的沒有研究了,但是中油公司的網站告訴大家,

「中油公司汽油中已添加適量添加劑,車主除原汽車製造商特別推薦外,可不必再添加具有相同功能之添加劑。」

我平常在原廠保養,清除積碳常被列為標準保養項目,所以我平常並不太擔心積碳問題,每次加油加油站工讀生問我要不要加一罐油精,我都一概說NO

談了這麼多關於汽油的基本常識,抄一題女兒的理化段考題目給大家測驗一下;

(1)高級汽油加入四乙基鉛的成分,主要是防止引擎爆震;(2)95無鉛汽油的抗爆震程度比92無鉛汽油大;(3)汽油是純物質,石油是混合物;(4)汽油燃燒是化學變化;(5)碳數較少的碳氫化合物沸點較低;(6)天然氣主要成分是C3H6(7)天然氣以管路方式運送;(8)分餾是化學變化;(9)乾餾是物理變化。上列有關有機化合物的敘述正確的有___項。

這一題在女兒段考中只值3分,標準答案在下個月史丹福專欄中揭曉。

其實女兒頗為滿意我對烴類有機化合物的解釋,這次理化段考的範圍,酸鹼鹽、反應速率和平衡、有機化合物,我在家自力救濟做了好幾個她學校理化老師從來不做的實驗給她看,女兒寫了一大堆自修、測驗卷的題目,我也感覺女兒整體概念挺清晰,也頗有興趣的樣子的。

段考回來,還是一隻鬥敗小母雞的模樣。根據媽媽的轉述,女兒一進門就趕緊打預防針,告訴媽媽理化段考大概只有二三十分。女兒靠著媽媽,流著默默的眼淚問媽媽,

「我到底怎麼做考試才可以考好一些?」

乖孩子,聽考試天王的話,這個世界需要妳的許多天分,而考試是最沒有用的能力,老爸一點兒也不在意。不要屈服,不要管考試的分數,繼續問妳的大問題,

「學這個,以後到底有甚麼用?」