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耐用、稳定至上!引擎下半座强化术!

发布时间:2020-07-31  浏览量:149  点赞:499

    文/童国辅

    在自然进气引擎改装过程中,引擎上半座的改造虽然能立即突显马力上的增幅,但要真正延长引擎寿命,并延后引擎转速的极限,就须仰赖引擎下半座的强化,包含:活塞、连桿、曲轴到引擎本体等,全都涵盖在此範围内,如果上半座的改造是在练武功招式的话,那下半座的强化就是在练内功,有深厚的内功底子,才能发挥所有武功招式的真正力量,否则很容易走火入魔的,也就是所谓的「爆缸」!

    下半座改装首步

    锻造活塞品使用

    要想使引擎可产生更大的动力,大原则便是必须引入更多的空气,以及有足够的压缩压力燃爆,而NA引擎在这方面没有增压器的助阵,那幺便只能在自体上下工夫,一具引擎把它拆开可以分为汽缸头和本体两大部分,前者涵盖了吸排气与燃烧的效率,而后者则攸关于实际容积、强度、平衡性甚至是输出反应,上半座部分已于上期探讨过,接着我们再从下半座的改造开始谈起。

    耐用、稳定至上!引擎下半座强化术!改装活塞的要求是在于轻量化和强度,这方面以锻造製品的特性最为符合,左为锻造活塞、右为原厂活塞,图中可以清楚看出锻造活塞在固定活塞销的底座面积较原厂大上许多。

    说到引擎腰下的改装,读者第一个可能联想到的是加大排气量,其实这个地方触及的东西很广,就好比此处的构成组件大致有活塞、连桿、曲轴、波司、缸体五项,每一项零件都是环环相扣,所以并不如大家想像中的单纯。首先不断被往复压缩并承受高爆炸力的活塞,除了要具备足够强度、良好导热性、低膨胀率等特点以外,它的重量也是愈轻愈好,如此才可减少连桿、曲轴的负担,甚至是和缸壁间的磨擦耗损,使引擎运转轻快而提高反应与输出,这当中自然是以锻造製品最符合这些要求。

    耐用、稳定至上!引擎下半座强化术!改装活塞的要求是在于轻量化和强度,这方面以锻造製品的特性最为符合,左为锻造活塞、右为原厂活塞,图中可以清楚看出锻造活塞在固定活塞销的底座面积较原厂大上许多。

    按活塞的构造来看,其顶部形状也直接关乎到压缩比的大小,愈凸压缩比会愈高、平或凹面则较低,自然这还得避开气门和凸轮伸程的作动量,在上死点时不能相抵触到,事实上当进行压缩比增减的设定时,正确应该是更换对应的活塞才是。另外,值得大家注意的一点是,改装用的锻造活塞多会在刮油环的凹槽钻上较多较大的小孔,来加强内循环获得更高的冷却和润滑性能,而且活塞最脆弱的侧边,其能耐住25m/s以上的移动速度(铸造品至多19m/s),所以高转速的引擎绝对要用到锻造活塞。

    耐用、稳定至上!引擎下半座强化术!活塞的顶部形状直接影响到压缩比,此颗活塞为涡轮引擎专用,因此顶部呈现凹状,而下端的裙部长短、厚度则和行程、出力大小有关,F1引擎的活塞裙约只有市售车的一半,用意即在减少不必要的磨擦。


    连桿重最细断面

    波司需减少磨擦

    活塞之下接续的连桿,作用是让曲轴、活塞能够连动,它的大致要求和前者一样,质轻且强韧的锻造品也是最佳选择。需要承接下推和扭曲力的连桿,在高转高压缩状态亦有中间最细处弯折、断裂的危险性,因此大改车很多会更换加粗的H断面连桿(一般为I断面)。通常高性能的连桿同时会用到全浮式活塞销,其特性是活塞、插销、连桿小端三者间都有自由间隙(两侧需加装C形卡环防止活塞飞出),用手即可轻鬆组装,这比起原厂件常用到採强力压入的一体型半浮式活塞销,在减低磨擦的表现上要高出许多,转速上升的顺畅度与极限当然会有所进步。

    耐用、稳定至上!引擎下半座强化术!左边为锻造H型连桿、右边为原厂I型连桿,不论是直径或断面强度,都是以H型连桿较佳,抵抗直下的力量非常不错,且H断连桿的旁边还会再做凹槽,藉此以减少重量和增加机油的运送。

    进行连桿的强化还有一种方式,即是将其上的颗粒和锐角处打磨光滑以降低金属疲劳,研磨时最好顺便把每只的重量误差抑制在1克以内(以重量最轻的当基準),这样也会有较佳的配重,其实活塞的改装亦应该秉持这个原则,但作业时务必要加入插销并于内侧施行。这里或许有人会发问,下半座机件的改装有没有顺序?答案是要从活塞依序往下,毕竟活塞身处于整个惯性机构之首,由此着手效果最大且不至于影响到总体平衡性。

    耐用、稳定至上!引擎下半座强化术!这张图是E92 M3的活塞连桿图,现今多数新世代引擎的连桿製造时,都会先整支製作完成后,再採用冷冻切断法来分离上下端,特徵为结合面为不平整表面,用意在提高上下端的密合度,进而提高该处的强度。

    NA引擎在以延后转速来提昇马力时,还有一个要务是在于连桿大端内和曲轴相连的「小波司」,以及曲轴轴颈部「大波司」的强化。负责的是轴承任务的大、小波司,在此不但要有应付高温高压的耐久性,本身也需具备能减少磨擦损失的能力,这两者基本上乃是相辅相成的,因为减低磨擦力就会降低温度,像本田性能化的B18C-R、B16B引擎,配置的波司宽度亦比一般的双凸VTEC窄,而日本Power Enterprise社所发展的F1 Black Metal,更是藉由表面覆盖锯齿锥状物来达到性能诉求,这些都是实际的例子。

    耐用、稳定至上!引擎下半座强化术!重视性能的大、小波司组,不外乎要具备降低磨擦、工作温度的能力,像图中的日本Power製F1 Black Metal,除了是採三层合金的组合以外,表面更加上了锯齿锥状的覆盖层。耐用、稳定至上!引擎下半座强化术!重视性能的大、小波司组,不外乎要具备降低磨擦、工作温度的能力,像图中的日本Power製F1 Black Metal,除了是採三层合金的组合以外,表面更加上了锯齿锥状的覆盖层。

    曲轴平衡性为重点

    加长行程由此下手

    下半座最后一个零件也是将爆炸动能转换成扭矩的曲轴,要求的重点主要是平衡性和强度,一般都是拿原车的製品下去加工较多,由于现今汽车的马力愈来愈大,原厂曲轴已鲜少见到旧式的半平衡型(一边轴叶面积只达一半),取而代之的是各组轴叶对称的全平衡式样,如此对于再平衡的工作非常有利,唯一缺点便是重量较高。改造曲轴时的步骤,大约是先做镜面处理来分散应力,然后再将轴叶刃端稍微磨得尖利些,以取得破油降低阻力、轻量化和减低轴颈负担的功效,最后就是上动态平衡机进行精密配重(最好连同飞轮一起),这亦是高转速的一切基础;如果是应付动力大幅提昇的引擎,那幺还需把整支成品送去表面硬化处理,才可以全然提高坚韧的程度。

    耐用、稳定至上!引擎下半座强化术!曲轴轴叶上的钻孔是用于配重,而轴颈部的凹穴是保存机油来润滑波司,此零件的平衡性可说是高转速的一切基础(图为E92 M3原厂曲轴)。

    至于曲轴的改造幅度上,街车并不能像赛车一样,把轴叶部削得既薄且尖锐,虽然此法最能突破机油的阻力,以及可达成彻底轻量化,但这样还有轴叶刚性不足、甩油量较少易伤到活塞裙的问题(注意赛车曲轴为锻造品且配置乾式油底壳),此外我们的活塞、连桿也无法做到那幺轻,想想看要是往复机件的下方比例轻过上方,上下摆动瞬间必然会让活塞发生剧烈晃动而损坏的情形。

    耐用、稳定至上!引擎下半座强化术!曲轴负有上下动能转为旋转动能的大任,不只须承受直向的挤压力,还需兼顾旋转时的动态平衡,想要突破原厂所设定的转速限制,曲轴强化是不可缺少的项目。

    进行引擎下半座的改造,最能展现Power的即是增加排气量,汽缸容积的大小乃是由内径和行程决定,其中加长行程一项就是取决于曲轴,当然,加长行程用的曲轴势必得採整支钢料削出的套件,或者是有通用零件可更换。

    耐用、稳定至上!引擎下半座强化术!行程的加长是取决于曲轴主轴颈至连桿大端的距离,此处增长之后相对也要缩短连桿的长度,或者是上移活塞销的位置降低高度,其中后者亦属于最正统的方式。

    加大缸径留意间隙

    各缸距离关係强度

    加长曲轴行程即等于增加了活塞往复移动的距离,因此还必须要改变到活塞、连桿的长度,以避免发生凸出汽缸本体的问题,这方面常见的有缩短连桿距离(小端至大端中心点)、降低活塞高度等手法,但正统还是要降低活塞位置(例:曲轴增加2.0mm,活塞销中心应上移1.5mm,如此活塞就只超过平面0.5mm为正常範围),单纯缩减连桿的缺点是易使活塞销偏心,同时活塞裙的侧压亦会增大。引擎能够加长行程的限度,是受制于缸体的高度和活塞移动速度两项,在相同转速下长行程的活塞移动速度会比短行程快,此刻活塞的强度若不足以应付,当超过界限引发油膜破裂就会「爆引擎」了。

    耐用、稳定至上!引擎下半座强化术!透过直入缸套的方式来强化引擎下半座,不只可拉长缸径加大排气量外,汽缸的整体强度也会好上许多,是最终极的下半座强化术。

    和排气量有关的另一个汽缸内径,目前由于多数车用引擎的本体较小,相对缸壁亦变的较薄,可扩增的缸径限度是越来越小,能增加个1至2mm已属很大的範围,可是这最好要随之扩大,以和加长行程间取得运转的协调性,而且较大的活塞面在压缩时也能增进瞬间爆发力,所以连那0.5mm都是要争取的。施行搪缸的工作时,第一个就是测量出正确的活塞直径,一般是量最宽的地方约为裙部上方一点点,再来则是设定适当的汽缸间隙,这便要视活塞的材质和设计而定,像膨胀係数低的锻造製品,其间隙就必须比铸造活塞大一些(铸造0.02~0.03mm/锻造0.05~0.07mm),通常按规定的最小範围实施最为保险。

    耐用、稳定至上!引擎下半座强化术!透过直入缸套的方式来强化引擎下半座,不只可拉长缸径加大排气量外,汽缸的整体强度也会好上许多,是最终极的下半座强化术。

    当确定好扩大缸径的数据之后(活塞径+间隙),正规的搪缸是要在缸体顶端锁上和汽缸头高度相同的铝块和垫片进行(假汽缸头),来达到模拟实际环境的加工要求,现在专业级的都是使用高精度的电脑搪床施工,以确保真圆度并将误差範围减少到2μ(0.002mm)以下。

    耐用、稳定至上!引擎下半座强化术!新世代引擎为减少占用乘坐空间的问题,体积愈做愈小,各缸间的排列也愈来愈紧密,如此也使得后续搪缸的难度提高不少(因为已无肉身),面临加大排气量的场合时,只能从拉长冲程来取得。耐用、稳定至上!引擎下半座强化术!NA改造可说是吃力不讨好的动力强化术,不过完成后的线性出力模式与平衡感,对于车辆操控是绝佳的伙伴,这也是为何BMW M-Power坚持NA引擎的原因之一。

    容积加大升压缩比

    本体补强不可忘却

    在加大汽缸容积的改法中,另一种方式是流用原厂同系列大排气量引擎的下半座,好比B16+B20的双拼组合,这种方法要克服的就是下大上小搭配,所形成稜形顶燃烧室的过高压缩问题(Gasket需使用大的一方),事实上增大排气量本来就会连带提高压缩比,这从公式(燃烧室容积+垫片厚度之容积+活塞顶凹部容积+排气量-活塞顶凸部容积)÷燃烧室容积便可以验证。前面讲过增减压缩比应由活塞下手,有的时候也可以研磨其顶部和燃烧室,末了以垫片厚度做最终结果的调整,採切削汽缸头平面来增加压缩比是很消极的。

    耐用、稳定至上!引擎下半座强化术!有些採用开放式水道设计的引擎本体,在高转速高压缩的场合时,最好是要在水道内逼入铝条或整片的「紧箍圈」,以防止缸套和本体顶端受到震动,这亦是Block本身强化的主流方式。

    最后,下半座的强化还包括本体的部分,此处的补强是在水道塞入整片「铝环氩焊」,或是于各缸支点逼入「铝条」,藉由封闭式的顶部来防止高转高压缩的震动,而连接汽缸头与缸体的螺丝,亦有必要更换特殊的加强材质,这些都是提高马力前的基础。

    耐用、稳定至上!引擎下半座强化术!所有的引擎本体改装手续,都须仰赖精密的组装与事后的供油程式调校,才能发挥全部效果,否则装再多的强化品,最后的下场还是如同图中的活塞般整个熔化。

    引擎腰下的增大排气量改装,最明显的是反应在扭力提昇上,接着才是累积的带出马力,不过所有的引擎本体改装手续,都须仰赖精密的组装与事后的供油程式调校,才能发挥全部效果,否则只会沦为「安装」技术而非「改装」技术!

    耐用、稳定至上!引擎下半座强化术!加大排气量相对也会使压缩比增加,减低的方式可由活塞顶部、研磨燃烧室下手,最后以增减Gasket厚度做结果的调整。