引擎本体改造,之前已有约略的描述和探讨,其中又可区分为大多运用在NA引擎上纯增进机械效能的做法,与增压引擎原则是朝向增加机件强度来承受高压、高热所带来的严苛环境等两种方式。以往要区分为专业或非专业的界线或许在于使用的机件是否为高档货,例如锻造活塞、 H断面连杆、全新锻造的轻量化曲轴等。而对汽车科技的涉猎愈多、机件原理理解愈透彻之后,才能分出专业与半专业的区别,为何不说专业与非专业,在于非专业的话根本无法进入主题来探讨,其结果或许只在知与不知,也不知道结果到底是可或不可,其间又要加上金钱的助力才能有结果产生,所以‘马力’认真来说是建构在钞票的前提下运行。
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提升马力后必备
锻造活塞的好处
在增压引擎日渐增多的改装市场,最多需求、也是最迫切需要的产品就属锻造活塞了,为什么增压车为求耐用度必须使用锻造产品呢?而锻造产品的特点与缺点何在呢?在此笔者仔细地叙述,希望读者能真正了解其中的奥秘。
现代的引擎通常都使用铝合金活塞,取其质轻、重量低的优点,但铝合金活塞比铸铁活塞有膨胀率较大的问题,所以在活塞的制造上就考虑其特性设计成椭圆及上下斜差的型式,以减缓受热膨胀后所造成的变形。
而铝合金活塞的制造大多采用铸造而成,原厂引擎使用此种铸造活塞,取其遇热膨胀率较小的特点,能减少活塞与汽缸的间隙(通常只需预留3~4条即可),此紧密的间隙搭配可以降低冷车时的空污排放,减少引擎吃机油的现象,并相对减少活塞环晃动提升耐久度,冷车时的恼人噪音也能减缓。反观铸造活塞的缺点,就是材料的紧密度低,套一句实际的形容词就是‘脆’,遇到高负荷很容易裂,如果在高压缩比的NA车或Turbo车上,伴随产生的爆震、敲缸现象,铸造品是无法承受此种负荷的,所以提高马力的引擎(包含高压缩、Turbo、NOS等)锻造活塞即成为改装的必需品。
高矽量=高强度?
活塞材质的影响
锻造活塞的制作过程是使用固定的模具在几万磅的压力下冲压而成,这个过程让铝合金的分子能更有效、紧密地排列,让强度得以大幅提升,并使材质延展性相对增强。最近坊间因品牌的竞争,某些品牌以强调其活塞含矽量高来突显其特点,不过究竟含矽量的多寡和锻造活塞有什么关联呢?
先来说矽的成分到底有何功用,如果铝合金活塞中的矽含量高,就能使活塞在遇热时减少它的膨胀系数。而锻造活塞密度高、膨胀率高的特性可以藉由使用高含矽量的材质减少其膨胀,预防活塞在高负荷时因过度膨胀而在缸内咬死的现象。而高含矽量锻造活塞与汽缸的间隙也可以预留得比含矽量较低的活塞小,进而因间隙小取得活塞环和缸壁间的耐久度,让运行的噪音也得以减少,所以道路型的重改车辆或中度改装的耐力赛引擎,这可是最佳的选择。
虽然矽的含量高有减少活塞膨胀的优点,但其背后却隐藏着一个强度降低的缺点,矽含量愈高,活塞相形会变得比较脆也就容易发生碎裂,所以单就强度而言,低矽量的锻造活塞强度才是最强的,由于合金锻造下的成品具有延展性可以让活塞在极恶劣的环境下工作(例如高增压、Turbo引擎、零四加速用引擎等),但材质含矽量低的活塞膨胀率高,活塞与缸壁的间隙都比较大,包括活塞环间隙也必须加大,不然负荷一大,活塞和缸壁绝对熔在一起,使用此种活塞最明显的就是引擎噪音非常明显、长时间下机件的磨耗度相当严重,所以此种活塞大多只使用在零四或非长时持续性的赛事。
降低摩擦增加输出
薄活塞环的好处
探讨完材质后,紧接着来谈一下活塞制作的型式及选用的注意事项。以增压车为例(包括Turbo、 Super charge、NOS),活塞平面到第一环的距离通常必须超过6mm,此种设计能让第一活塞环远离爆炸的热量来减低膨胀率,而活塞环岸也能有足够强度去承受高标准的工作环境。而活塞环的厚度尺寸则影响其耐久度与密合度,为求低摩擦系数、增加引擎输出及减少上下贯性的要求,新一代的引擎都使用厚度较薄的活塞环,虽然薄的活塞环有低摩擦、高输出、气密性佳的种种优点,但其唯一缺点就是耐久度不若厚的好。
另外美国大厂Total Seal有生产改装用的无开口活塞环(Gapless ring),其第二环运用双重组合而找不到缺口,如此一来即可克服高膨胀系数活塞必须预留大尺寸间隙的困扰,进而达到气密的功效。至于在JE或Wiseco活塞上,可以发现在第一环和第二环之间多了一道沟槽,其目的是阻隔爆炸时的火焰压力,让通过第一环的气体不再漏过第二环,此设计可以让活塞环在引擎高转时维持良好的气密性。至于选择上,可藉由凸顶活塞(Dome)与凹顶活塞(Dish)不同的构造来达成所需的压缩比,所以活塞顶部的设计不仅能改变压缩比,更关系到爆炸后整个火焰的传播和热传导的问题。
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方向不同做法相异压缩比攸关马力输出也决定引擎特性,压缩比B=(汽缸容积+燃烧室容积)/燃烧室容积,一个原厂引擎压缩比大都介于9~10:1,由于近期科技的发达、电脑控制系统的搭配,使得压缩比有逐渐提高的趋向。简单来讲,轻改装的NA引擎没有可程式电脑的搭配只要使用辛宛值95~98的汽油,即使压缩比做到10应该都没问题。如果使用更高压缩的活塞使压缩比达到11~11.5的话,由于高压缩带来的供油、点火爆震的问题,所以可程式电脑就变成不可或缺的配备。而零四专用NA引擎如果搭配辛烷值更高的赛车汽油且不在街道上使用,其压缩比可以达到13~15:1,这样的设定其实已相等于增压引擎打1 kg上下。
压缩愈高代表预压愈足够,当活塞到达上死点时爆炸所产生的压力也愈大,而热效率的提升直接就增加马力的输出,所以每提升一个单位的压缩比,引擎大约能增加3~5%的马力。当压缩比提升到14:1 以上时,马力的线性输出曲线随即开始下降,因为过高的压缩已造成运转贯性的阻碍,再加上高压缩的爆震因素,需要克服的问题颇多,所以过高的压缩也是造成马力再次下降的导因。
以应用来讲,使用高压缩凸顶活塞,最常遇见的损坏大多出现在最凸的边缘或气门沟的周边锐角较大、较薄的地方,原因在于爆炸的热传导被活塞上凸出或凹陷的地方所影响,造成热量无法平均的扩散,温度容易集中在较薄材质的部分,成为日后活塞毁损最大的主因。因此理想中的活塞顶设计应该愈平整愈好,凸顶的设计也应该拉缓凸起角度的弧线,减少锐角的产生,才能达到平均传递爆炸火焰的需求。
增压引擎使用的活塞则朝低压缩方向前进。低压缩的设计,并非如字面所言一直保持在低的范围运作,反而是为了配合增压后汽缸进入的大量空气所压缩下的结果,压缩比依然维持在12:1以上。为了机件的存活及耐久,降压缩是一种预负荷的做法。所以增压打的愈高、所使用的Turbo愈大,压缩比势必要降的更低,结果Turbo Lag更加严重。
因此市售增压车款(如Saab、Volvo)则使用较高压缩、中增压的做法,来得到市区行驶的较好效率、空污排放低及减少Turbo Lag,成为好开自排Turbo车,当然原厂此种设计,是给全世界90%的正常人使用,绝对不会对仅有少数的疯子情有独钟。
小东西大功用
活塞销的用途
当各位对活塞深入了解之后,来探讨连接活塞和连杆的介面:活塞销。乍看之下,小小的一支活塞销,无法令人觉得有任何高科技的联想,但事实上活塞销要求其材质的应用、制造尺寸、公差的匹配。活塞销使用的材质都是高抗磨损的钢材,其材料硬度几乎接近车刀刀头的H11钢材,如此高强度的材料才能减低活塞销的重量,而重量在往复运动的机件上所产生的相对G力对连接物件的动力冲击影响相当严重,重量低的物件能使物件活动力增加,也能减低物件本身的摩耗。所以搭配在锻造活塞上的活塞销,几乎都制造成连杆受力部分最粗,往两端逐渐变薄的型式,让连杆小端的面积受力和活塞两端大面积的受力能均等,藉此减低活塞销本身的重量,又能达到预期的强度。
光讲活塞销的材质,是厂家制造上的特别设计,但谈到减低摩擦阻力的应用时,就必须了解活塞销的固定型式,原厂引擎设计的型式大都使用‘3/4浮式’设计,也就是活塞销固定在连杆小端,活动的部分被允许在活塞两侧的销孔。如此设计转动的部分受力在活塞本身,少了连杆的部分,所以并非整只销体都能转动。而搭配锻造活塞、连杆的制品,几乎全部采用‘全浮式’的设计,连杆小端注入一个油铜波司,其间隙调整在1~2条,如此一来连杆小端及活塞本身都能自由转动,在高速运转时能有效的分担机件的摩擦力,对引擎内部的输出及耐久度都有相当的帮助。
值得注意的是在装配全浮式活塞销时,一定要仔细丈量连杆小端的尺寸和活塞销孔的公差。如果小端的间隙比活塞孔间隙大时,受负荷后,活塞部分因紧度的不同迫使转动停滞,唯一能转动的部分只剩下连杆小端,接着就会发生活塞销和连杆小端异常的摩损,甚至会有咬死的现象产生,对引擎将造成致命性的损害。
强度重于一切
连杆与曲轴
连接活塞和曲轴的零件称为连杆,连杆负责将活塞上下往复的动作转化为曲轴的圆旋转运动,其机件所承受的压力及拉力超乎想像的剧烈。所以连杆的制造必须本着朝着强度的追求来完成。通常市售连杆都是热锻而成,搭配着较厚的轴承盖,来达到需求的强度。而原厂连杆为了重量和经济性,通常都计算到够用的范围,最多预留25%的强度。一旦改装增压系统或NOS,且把引擎转速拉到超过8000rpm时,这种原厂连杆随时都有弯曲的可能。所以说以数据来叙述的话,原厂连杆大部能承受0.7~1kg以下的压力,而NOS的马力提升也应该能控制在50匹上下。如果NA引擎上换上一组锻造连杆,由于重量的增加,可能对引擎的输出并没有相对的优点存在。
锻造连杆的型式还可区分为H断面和I断面。H断面的设计由于受力面的应力强度增加,较适用于高负荷、高转速的引擎,且锻造连杆在制造时,采用极高档的4340钢材。此钢材强度高却又有相当的延展性,能承受高负荷又能抵挡无谓的扭曲变形。
不仅材质选择的高档,锻造连杆的制造通常都是从钢胚上直接切割而成,且经过抛光平整处理,尽量去除制造时表面的尖锐点或制造模线,此举都可以去除表面不均匀的应力。连杆轴承盖也搭配ARP螺栓(此连杆螺栓有着抗拉扯力超过200000psi的强度)的锁紧磅数,来做连杆大端的真圆加工。全新的连杆未松开螺栓时丈量,呈现的真圆度几乎是百分之百,所以装配连杆时务必要依照规格表上的锁紧磅数确实锁紧,不然连杆大端的真圆度将因此而失真。
曲轴的改良无不朝着高转平衡和轻量化着手。曲轴轻量化必须藉着切削钢材来达成,但切削钢材之后整支曲轴的平衡就荡然无存,所以曲轴平衡是必须的一道手续。至于曲轴平衡的转速和范围有一定的关联性,以一部八气门的引擎而言,真正运转的转速顶多在6~7千转,因此平衡顶多做到7千转即可,因为平衡的校正愈往高转域,其平衡区域的范围相对愈少,也就是说高转区域平衡度为零时,其低速域的平衡值就可能愈差。所以曲轴平衡的区域希望能尽可能保持在引擎最常使用的范围,所以以往所谓的万转平衡曲轴,如果使用者并未使用9千至1万的转速,所做的平衡点也徒然无功。且曲轴平衡点如未因应在转速范围,其他速域的转速将导致曲轴的震动,相对的影响波司的寿命,也抑制了引擎输出的能力。
改装要求平衡
装配选择注意事项
当操刀者准备好这些高档的机件时,装配的细节及注意的项目也是值得讲究的细节。以装配原厂引擎的方法来操作或许不见得适用,因为大多数的人都会在加工时就犯了错误。使用锻造机件,也因为膨胀系数大的原因,汽缸壁与活塞的间隙都比原铸造件来的大,连活塞环的间隙也会因为受热的大小,使得第一环和第二环的间隙都不尽相同。
而曲轴大小端的波司间隙也是值得注意的事项,以理论而言,较小的波司间隙能减低油压的丧失,但较小的波司间隙使用必须建构在曲轴颈和连杆大端的真圆度上,如果没有良好的真圆度,较小间隙的应用可能会导致波司不规则的损伤,因此运用在高转速的赛车引擎上,由于油压随时都保持高标准,所以波司间隙可以设定在标准的较大值,来期许减低摩擦和防止咬死。
最后告诉读者,引擎是由各个机件一一组立而成,包括各缸之间的独自运作,所以改装引擎首重平衡的调整,机件的重量平衡包括活塞、连杆、活塞销,各自都应调整到一致的重量,而运转的平衡则包括曲轴、皮带盘、飞轮等旋转的物件,动力平衡又关系到各缸的进气量、喷油嘴的喷油量、火星塞点火大小的一致,诸如种种都是平衡。所以专家说改引擎要改什么、注重什么?回答只有两个字‘平衡’。把平衡做好,各缸间的动力一致,自然会有高输出及耐久的表现。
文章关键词: 引擎本体改造术 肚内强化面 责任编辑 : root