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引擎本體強化要點


刊登時間: 2013/12/17

要提昇動力,不管使用任何改裝方法,都是要從引擎下手;而大幅提昇動力之餘,內部機件的強化更是最重要的一環。如何選擇?怎麼施工?該注意哪些?看完這篇引擎的強化與加工,希望讀者能有大略的認知,建立正確的觀念。

引擎內部結構,最上方為凸輪軸與進排汽門系統,此為引擎上半座的架構,至於活塞、連桿與曲軸則位於引擎下半座,想要強化引擎耐用度需從下半座做起。

引擎強化第一步
應從活塞先開始
引擎基本的構成粗分上半部及下半部,以往總是認為汽缸頭所做的改裝效率最為明顯,但是如果無限制的改裝,例加Turbo或NOS,下半部的強化則明顯的凸出它的重要性。引擎下半部改裝的重頭戲,不外乎活塞、連桿、曲軸、汽缸本體與波司這幾項,如果以需求度來定位的話,那「活塞」理當排在第一位。由於資訊的發達、交通的便捷,國內要取得這一類改裝的活塞,並不像十幾年前那樣的困難;但是如果細項的歸類,如何選擇適當需求的活塞和廠牌的因素,都有一定的規則與條件,我們不妨從此下手一一探討。如何選擇改裝所需要的活塞,要注意的項目就很重要;活塞在改裝分類上基礎只有兩類,即是凸頂「Dome」活塞(自然吸氣用)、與凹頂「Dish」活塞(渦輪改裝用),高壓縮比的活塞從10、10.5、11、11.5、12到12.5:1應有盡有,到底如何去選擇就是操刀技師的智慧了,因為其間包含了耐久度、馬力、電腦匹配、駕駛習慣等種種的變因,渦輪改裝用的低壓縮活塞從9.0、8.8、8.5、8.0至7.8:1,如此眾多的規格該何去何從?就在於增壓的大小與耗油量的表現。

此為E92 M3原廠引擎內部的活塞與連桿圖,可以發現原廠活塞頂部呈現微凸設計,可獲得高壓縮比的效果,而連桿則為I斷面的鑄造連桿,粗度則比一般市售車來得粗一些。

至於目前能符合高剛性、輕量化的改裝要求的,則屬鍛造活塞製品,鍛造活塞的製作過程是使用固定的模具在幾萬磅的壓力下沖壓而成,這個過程讓鋁合金的分子能更有效、緊密地排列,讓強度得以大幅提昇,並使材質延展性相對增強,因此具有足夠的強度,來抵擋高溫高壓的挑戰。而鍛造活塞本身的尺寸需配合汽缸的加工來完成,汽缸尺寸的要求及活塞直徑的丈量很容易被一般人忽略,在不正確的組合及搭配下往往造成下半體嚴重的損傷。

這兩張圖都是改裝用的鍛造活塞,一張為自然進氣一拜改裝用的凸頂活塞,可進一部提高引擎壓縮比,另一張則是渦輪改裝用的凹頂活塞,可用來降低壓縮比,讓增壓值設定得更高。

連結傳動的推手
強化連桿的採用
連接活塞和曲軸的零件稱為連桿,連桿負責將活塞上下往復的動作轉化為曲軸的圓旋轉運動,其機件所承受的壓力及拉力超乎想像的劇烈。所以連桿的製造必須本著朝著強度的追求來完成。通常市售連桿都是熱鍛而成,搭配著較厚的軸承蓋,來達到需求的強度。而原廠連桿為了重量和經濟性,通常都計算到夠用的範圍,最多預留25%的強度。一旦改裝增壓系統或NOS,且把引擎轉速拉到超過8000rpm時,這種原廠連桿隨時都有彎曲的可能。所以說以數據來敘述的話,原廠連桿大部能承受0.7~1kg以下的壓力,而NOS的馬力提昇也應該能控制在50匹上下。如果NA引擎上換上一組鍛造連桿,由於重量的增加,可能對引擎的輸出並沒有相對的優點存在。

 

因為動力的增加,連桿改裝的首要條件就是高強度,而因應受力端的產生,就有不同型式的連桿結構,大體上區分為「I斷面」與「H斷面」;I斷面連桿側向強度較弱,所以因應大馬力、大扭力的Turbo引擎,H斷面連桿是首要熱門型式。近來由於科技日新月異,加上材料製造的科技,全新的橫、縱向的加強特殊連桿。鍛造連桿的型式還可區分為H斷面和I斷面。H斷面的設計由於受力面的應力強度增加,較適用於高負荷、高轉速的引擎,且鍛造連桿在製造時,採用極高檔的4340鋼材。此鋼材強度高卻又有相當的延展性,能承受高負荷又能抵擋無謂的扭曲變形。

這張圖的左邊為Honda B20B引擎的原廠連桿與鍛造連桿,右邊則為B18C黑頭的比較圖,可以發現原廠連桿相較於鍛造連桿真的比較細,也因此鍛造連桿才能承受較高的增壓值與轉速。

最後值得一提的是固定連桿大端的螺絲磅數與材質強度,大部分美製連桿幾乎都是使用ARP2000的特殊螺絲,此ARP品牌在改裝螺絲界排名數一數二,它亦會提供完整的磅數讓使用者操作,而技師們亦需參照此規格塗上特殊的潤滑劑,確實的鎖定磅數,不然連桿大端的真圓度將因此而失真。。

在製作技術不斷突破下,鍛造連桿已不侷限於H斷面設計,有些引擎使用I斷面的話,強度會更好。

引擎中的龍骨
曲軸概略說
曲軸亦即引擎中的龍骨,其功能是將活塞上、下直線性運動轉換為圓旋轉功能,由於曲軸時常在高速的運轉之下,其剛性、材質及精密度,都接受最嚴苛的考驗,所以曲軸本身乃整體鑄造或鍛造而成,改裝曲軸則非鍛造不可。一般而言,曲軸的升級改裝不外乎輕量化與平衡,原廠曲軸平衡度也有一定的水準,只是一般設定轉速比較低一點,大約在斷油轉速以上500轉(市售車極少超過8000轉),一旦超過平衡設定轉速,震動率相對加大、引擎摩擦力增大、波司容易異常磨損,馬力當然下降了!

愈是追求高轉化的引擎,對於引擎強度的要求愈高,即使是自然進氣引擎依然如此,甚至在組裝精密度上的要求,還比渦輪引擎更高,這也是為何NA一拜的改法總是能吸引著車迷。

當引擎做了內部機件等等的升級後,一定希望能加快其加速性,也期望能再多增加斷油的轉速,才能做出更多的馬力,因而做更高轉的平衡才是當務之急,但是平衡並非全程性的,它有其慣性範圍。譬如原廠平衡至7500rpm,其最佳狀態可能維持在4000至7000轉,平衡速度愈往上走、其範圍也越離開低轉速,所以應該先設定本身引擎所需的額定轉速,才來要求平衡的轉速。那為什麼曲軸需要輕量化呢?第一是為了克服慣性作用,使其運轉速率增加,第二乃是重量的減輕,減少了旋轉所產生多餘的不平衡,這樣一來震動自然減少,以利平衡效果。

此為E92 M3的原廠曲軸,可以發現曲軸柄的長度並不長,且整支曲軸上有著許多動態平衡後的鑽孔,目地都是為了追求高轉速時所需的設計。

最後告訴讀者,引擎是由各個機件一一組立而成,包括各缸之間的獨自運作,所以改裝引擎首重平衡的調整,機件的重量平衡包括活塞、連桿、活塞銷,各自都應調整到一致的重量,而運轉的平衡則包括曲軸、皮帶盤、飛輪等旋轉的物件,動力平衡又關係到各缸的進氣量、噴油嘴的噴油量、火星塞點火大小的一致,諸如種種都是平衡。所以專家說改引擎要改什麼、注重什麼?回答只有兩個字「平衡」。把平衡做好,各缸間的動力一致,自然會有高輸出及耐久的表現。

此同樣為E92 M3原廠曲軸箱的設計,可以發現這顆引擎的下半座採用兩層式設計,用來固定曲軸的軸承座乃是採用整體性設計,可提昇曲軸頸的固定強化,能在高轉速時提供穩定不晃動的固定效果。

至於氣缸周圍的水道則採用封閉式設計,目地同樣在減少活塞高轉速上下運轉時的震動情況,使引擎擁有比開放式水道引擎更均衡的運轉細緻度。

 

雖然已屆改朝換代的時間,但忠於原味的E92 M3,與自然進氣設定的V8引擎高轉速聲浪依舊令人難以忘懷。

除了引擎腹內機件更換強化部品外,有甚者更會透過搪缸技術,並塞入缸套方式,將引擎下半座的強化進一步提昇,以打好1.5bar Up設定的基礎。

 

 

再好的零件,沒有經過正確且精密的組裝也無法發揮效果,慎選店家會比砸大錢來得更需要重視。