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耐用穩定至上 引擎下半座蹲馬步強化術

車訊網 車訊網 2015/10/16
© 由 車訊網 提供

文、圖/童國輔

協力/AST亞仕德車業、廣名渦輪、國億車坊

在自然進氣引擎改裝過程中,引擎上半座的改造雖然能立即突顯馬力上的增幅,但要真正延長引擎壽命,並提升引擎極限,就須仰賴引擎下半座的強化,包含:活塞、連桿、曲軸到引擎本體等,全都涵蓋在此範圍內,如果上半座的改造是在練武功招式的話,那下半座的強化就是在練內功,有深厚的內功底子,才能發揮所有武功招式的真正力量,否則很容易走火入魔的,也就是所謂的「爆引擎」!

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下半座改裝首步

鍛造活塞品使用

一具引擎把它拆開可簡單區分為上半座汽缸頭,和下半座引擎本體兩大部分,前者涵蓋了吸排氣與燃燒的效率,而後者則攸關於實際容積、強度、平衡性甚至是輸出反應。要想使引擎可產生更大的動力,大原則便是必須吸入更多的空氣,加上正確的噴油量,在空氣壓縮比提高,燃爆力量增強的情況下,引擎出力自然增加,這部分主要是從上半座氣缸頭內的凸輪軸來著手起,尤其是自然進氣引擎在沒有增壓器的助陣,更是著重在上半座的強化,至於下半座的改裝目的呢?在於追求更高的引擎壓榨極限,與更高轉速的斷油點。

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改裝活塞的要求是在於輕量化和強度,這方面以鍛造製品的特性最為符合,右為鍛造活塞、左為原廠活塞,圖中可以清楚看出鍛造活塞在固定活塞銷的底座面積較原廠大上許多。

說到引擎下半座的改裝,大家第一個可能聯想到的是加大排氣量,其實這個地方觸及的東西很廣,就好比此處的構成組件大致有活塞、連桿、曲軸、波司、缸體五項,每一項零件都是環環相扣,所以並不如大家想像中的單純。首先不斷被往復壓縮並承受高爆炸力的活塞,除了要具備足夠強度、良好導熱性、低膨脹率等特點以外,它的重量也是愈輕愈好,如此才可減少連桿、曲軸的負擔,甚至是和缸壁間的磨擦耗損,使引擎運轉輕快而提高反應與輸出,這當中自然是以鍛造鋼材製品最符合這些要求。

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活塞的頂部形狀直接影響到壓縮比,這顆活塞都是EJ25渦輪引擎專用,因此頂部呈現凹狀,而下端的裙部長短、厚度則和行程、出力大小有關,右邊鍛造活塞黑色刻字部分其實比較內縮,用意即在減少不必要的磨擦。

按活塞的構造來看,其頂部形狀也直接關乎到壓縮比的大小,愈凸壓縮比會愈高、平或凹面則較低,自然這還得避開氣門和凸輪伸程的作動量,在上死點時不能相抵觸到,事實上當進行壓縮比增減的設定時,正確應該是更換對應的活塞才是,而非更換氣缸床墊片或挖大燃燒室。另外,值得大家注意的一點是,改裝用的鍛造活塞多會在刮油環的凹槽鑽上較多較大的小孔,來加強內循環獲得更高的冷卻和潤滑性能,而且活塞最脆弱的側邊,其能耐住25m/s以上的移動速度(鑄造品至多19m/s),所以高轉速的引擎絕對要用到鍛造活塞。

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這顆EJ25原廠活塞在供油點火程式沒有調校好的情況下,導致活塞環岸已破損,重踩油門就噴藍煙,且引擎缸壓也不足,車開起來會變得沒力且怪怪的,至於活塞裙則是因為活塞環無法發揮支撐側推力的情況下,磨擦到缸壁而變色受損。

此外,活塞在缸內運動真正和缸壁接觸到氣密、刮油的部分則是活塞環,一般人會認為活塞的支撐點是活塞裙,而磨擦的部分也是在裙腳的部分,其實不然,多數店家在整理引擎時,發現活塞在缸內左右晃動時,有時並非是汽缸或活塞磨損,大部分是活塞環的磨損,久了活塞環支撐力不足,活塞裙才會左右搖擺而出現刮痕,因此活塞環的厚薄就成為馬力能否耐久的依據,薄的活塞環能有效減少摩擦、密合度高及輕量化的優點,對自然進氣高轉引擎有絕對性的貢獻,但熱傳導不良的缺憾下,使活塞冷卻能大打折扣,故一般房車及Turbo重負荷引擎大都不會採用薄活塞環,而是厚度正常或偏厚的規格。

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鍛造活塞頂部的環岸厚度比原廠活塞更厚,目的在提高活塞頂部搖晃震動時的抵抗強度,尤其在高增壓引擎特別重要,而多數房車活塞環都有三道,上面兩道是防止竄氣的氣環,最下面一道是控制汽缸與活塞間機油量的油環。

連桿重最細斷面

波司需減少磨擦

活塞之下接續的連桿,作用是讓曲軸、活塞能夠連動,它的大致要求和前者一樣,質輕且強韌的鍛造品也是最佳選擇。需要承接下推和扭曲力的連桿,在高轉高壓縮狀態亦有中間最細處彎折、斷裂的危險性,因此大改車很多會更換加粗的H斷面連桿(原廠連桿多為I斷面)。通常高性能的連桿同時會用到全浮式活塞銷,其特性是活塞、插銷、連桿小端三者間都有自由間隙(兩側需加裝C形卡環防止活塞飛出),用手即可輕鬆組裝,這比起原廠件常用到採強力壓入的一體型半浮式活塞銷,在減低磨擦的表現上要高出許多,轉速上升的順暢度與極限當然會有所進步。

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右邊為鍛造H型連桿、左邊為原廠I型連桿,不論是直徑或斷面強度,都是以H型連桿較佳,抵抗直下的力量非常不錯,且H斷連桿的旁邊還會再做凹槽,藉此以減少重量和增加機油的運送。

進行連桿的強化還有一種方式,即是將其上的顆粒和銳角處打磨光滑以降低金屬疲勞,研磨時最好順便把每只的重量誤差抑制在1克以內(以重量最輕的當基準),這樣也會有較佳的配重,其實活塞的改裝亦應該秉持這個原則,但作業時務必要加入插銷並於內側施行。這裡或許有人會發問,下半座機件的改裝有沒有順序?答案是要從活塞依序往下,畢竟活塞身處於整個慣性機構之首,由此著手效果最大且不至於影響到總體平衡性。

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圖上為鍛造H型連桿、下為原廠I型連桿。

若是以延後轉速的方式來提昇馬力時,還有一個要務是在於連桿大端內和曲軸相連的「小波司」,以及固定曲軸頸部於曲軸箱上的「大波司」強化。負責的軸承任務的大、小波司,在此不但要有應付高溫高壓的耐久性,本身也需具備能減少磨擦損失的能力,這兩者基本上乃是相輔相成的,因為減低磨擦力就會降低溫度,像本田性能化的B18C-R、B16B引擎,配置的波司寬度亦比一般的雙凸VTEC窄,而日本Power Enterprise社所發展的F1 Black Metal,更是藉由表面覆蓋鋸齒錐狀物,使波司表面可容納更多機油外,更能減少磨擦面積來達到性能訴求,這些都是實際的例子。

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右邊是鍛造連桿使用的固定螺絲,可以明顯發現出了長度比較短以外,直徑也比左邊的原廠連桿螺絲還要粗,該螺絲為ARP鍛造鋼材,可有效提高螺絲強度,大幅減少引擎重負荷時,連桿被拉開的問題發生。

曲軸平衡性為重點

加長行程由此下手

下半座最後一個零件也是將爆炸動能轉換成扭矩的曲軸,要求的重點主要是平衡性和強度,一般都是拿原車的製品下去加工較多,由於現今汽車的馬力愈來愈大,原廠曲軸已鮮少見到舊式的半平衡型(一邊軸葉面積只達一半),取而代之的是各組軸葉對稱的全平衡式樣,如此對於再平衡的工作非常有利,唯一缺點便是重量較高。改造曲軸時的步驟,大約是先做鏡面處理來分散應力,然後再將軸葉刃端稍微磨得尖利些,以取得破油降低阻力、輕量化和減低軸頸負擔的功效,最後就是上動態平衡機進行精密配重(最好連同飛輪一起),這亦是高轉速的一切基礎;如果是應付動力大幅提昇的引擎,那麼還需把整支成品送去表面硬化處理,才可以全然提高堅韌的程度。

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現今多數新世代引擎的原廠連桿在製造時,都會先整支製作完成後,再採用冷凍切斷法來分離上下端,特徵為結合面為不平整表面,用意在提高上下端的密合度,進而提高該處的強度。

至於曲軸的改造幅度上,街車並不能像賽車一樣,把軸葉部削得既薄且尖銳,雖然此法最能突破機油的阻力,以及可達成徹底輕量化,但這樣還有軸葉剛性不足、甩油量較少易傷到活塞裙的問題(注意賽車曲軸為鍛造品且配置乾式油底殼),此外我們的活塞、連桿也無法做到那麼輕,想想看要是引擎內部機件的下方比例輕過上方,無法有效吸收穩定引擎內部運轉時的震動,在活塞上下擺動瞬間,便有可能會讓活塞發生劇烈晃動而發生損壞。

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進行引擎下半座的改造,除了能提高引擎強度外,若想要一併提高動力輸出,可以從提高排氣量著手起,然而排氣量的大小乃是由活塞的缸徑和衝程來決定,其中加長行程一項就是取決於曲軸,因此許多國外加大排氣量的鍛造腹內套件中,都會包含可加長行程的鍛造曲軸,這是相當極限的改法,可一舉提高引擎動力基本水平,相對費用也比單更換鍛造活塞與連桿來得貴上許多。

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鍛造活塞與連桿可提高引擎承受高溫與高壓環境下的能力,尤其是想要作高增壓設定的引擎,更是需要先強化引擎腹內零件,才能避免發生像圖中一樣活塞環岸熔塌,甚至是連桿斷裂、穿破引擎的問題。

加大缸徑留意間隙

各缸距離關係強度

加長曲軸行程即等於增加了活塞往復移動的距離,因此還必須要改變到活塞、連桿的長度,以避免發生凸出汽缸本體的問題,這方面常見的有縮短連桿距離(小端至大端中心點)、降低活塞高度等手法,但正統還是要降低活塞位置(例:曲軸增加2.0mm,活塞銷中心應上移1.5mm,如此活塞就只超過平面0.5mm為正常範圍),單純縮減連桿的缺點是易使活塞銷偏心,同時活塞裙的側推力亦會增大。

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引擎能夠加長行程的限度,是受制於缸體的高度和活塞移動速度兩項,在相同轉速下長行程的活塞移動速度會比短行程快,此刻活塞的強度若不足以應付,當超過界限引發油膜破裂就會「爆引擎」了,所以以「拉行程」的方法來增加排氣量,最好是適度就好。

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增加排氣量的另外一個作法-「加大缸徑」部分,目前由於多數車用引擎的本體較小,相對原廠缸套亦變的較薄,可擴增的缸徑限度是越來越小,能增加個1至2mm已屬很大的範圍,而加大缸徑最好能與加長行程同時進行,如此才能取得活塞運轉時的協調性,而且較大的活塞面在壓縮時也能增進瞬間爆發力,所以連那0.5mm都是要爭取的。

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即使是EVO所搭載、號稱最強直四引擎的的4G63,想要從原廠的280hp提高到400hp以上的馬力輸出,也是需先強化引擎下半座,透過鍛造零件的輔助,才能承受1.5bar以上的增壓值,以達到預設的最大馬力。

想要加大缸徑就需施行搪缸工作,其著重要點,第一個就是測量出正確的活塞直徑,一般是量最寬的地方約為裙部上方一點點,再來則是設定適當的汽缸間隙,這便要視活塞的材質和設計而定,像密度高、膨脹係數高的鍛造製品,其間隙就必須比鑄造活塞大一些(鑄造0.02~0.03mm/鍛造0.05~0.07mm),通常按規定的最小範圍實施最為保險。

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當確定好擴大缸徑的數據之後(活塞徑+間隙),正規的搪缸是要在缸體頂端鎖上和汽缸頭高度相同的鋁塊和墊片進行(假汽缸頭),來達到模擬實際環境的加工要求,現在專業級的都是使用高精度的電腦搪床施工,以確保真圓度並將誤差範圍減少到2μ(0.002mm)以下。

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重視性能的大、小波司組,不外乎要具備降低磨擦、工作溫度的能力,像圖中的日本Power製F1 Black Metal,除了是採三層合金的組合以外,表面更加上了鋸齒錐狀的覆蓋層。

容積加大升壓縮比

本體補強不可忘卻

在加大汽缸容積的改法中,另一種方式是流用原廠同系列大排氣量引擎的下半座,好比K20+K24的雙拼組合,這種方法要克服的就是下大上小搭配,所形成稜形頂燃燒室的過高壓縮問題(氣缸床墊片需使用大的一方),事實上增大排氣量本來就會連帶提高壓縮比,這從公式(燃燒室容積+墊片厚度之容積+活塞頂凹部容積+排氣量-活塞頂凸部容積)÷燃燒室容積便可以驗證。前面講過增減壓縮比應由活塞下手,有的時候也可以研磨其頂部和燃燒室,最後再以墊片厚度做最終結果的調整,而採切薄汽缸頭平面來增加壓縮比,筆者看來是比較消極的作法,且如果是採用正時鏈條的引擎,是無法這樣做的。

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曲軸軸葉上的鑽孔是用於配重,而軸頸部的凹穴是保存機油來潤滑波司,此零件的平衡性可說是高轉速的一切基礎(圖為E92 M3原廠曲軸)。

最後,下半座的強化還包括本體的部分,此處的補強是在水道塞入整片「鋁環氬焊」,或是於各缸支點逼入「鋁條」,藉由封閉式的頂部來防止高轉高壓縮的震動,而連接汽缸頭與缸體的螺絲,亦有必要更換特殊的加強材質,這些都是提高馬力前的基礎。

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曲軸肩負起上下動能轉為旋轉動能的大任,不只須承受直向的擠壓力,還需兼顧旋轉時的動態平衡,想要突破原廠所設定的轉速限制,曲軸強化是不可缺少的項目。

引擎腰下的增大排氣量改裝,最明顯的是反應在扭力提昇上,接著才是累積後所產出的最大馬力,不過所有的引擎本體改裝手續,都須仰賴精密的組裝與事後的供油程式調校,才能發揮全部效果,這也是為何高明的引擎組裝技師,始終在於少數的緣故。

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行程的加長是取決於曲軸主軸頸至連桿大端的距離,此處增長之後相對也要縮短連桿的長度,或者是上移活塞銷的位置降低高度,其中後者亦屬於最正統的方式。

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透過植入缸套的方式來強化引擎下半座,不只可拉長缸徑加大排氣量外,汽缸的整體強度也會好上許多,是最終極的下半座強化術,且原本的開放式水道,也可一併強化為封閉式水道。

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透過引擎腰下鍛造零件的更換,除了可強化壓榨極限外,排氣量也可一併提高,像GT-R R35所搭載的VR38DETT引擎,其排氣量就可從原本的3.8L提高到4.2L,使引擎動力基本水平進一步提高。

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研磨燃燒室下手或增加Gasket汽缸床墊片的厚度,也是增加排氣量的方法,彈相對會使壓縮比降低,且提高的幅度不大,耐用度也欠缺持久性,是比較經濟的做法。

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所有的引擎本體改裝手續,都須仰賴精密的組裝與事後的供油程式調校,才能發揮全部效果,就像講究的店家在組裝波司前都會先壓「米粉條」,測量曲軸與波司間隙,確認沒問題後才組裝。

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在激烈賽事中想要脫穎而出,仰賴的是引擎的強大動力與持久性,這些都來自於引擎本體的強化,蹲好馬步、才能練成神功。

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