引擎強化5大目的--目的二:調整壓縮比

▲所謂引擎壓縮比,指的是汽缸容積+燃燒室容積/燃燒室容積,因此只要改變燃燒室容積,就能改變壓縮比。
 
NA與Turbo做法不同
引擎強化時往往會優先更換鍛造活塞這個零件,目的在於增強活塞的強度與抗高壓的能力,而既然更換的鍛造活塞,許多店家也會依據改裝方向與增壓值的設定高低,同步選擇符合這些改裝條件的正確壓縮比活塞。所謂引擎壓縮比,指的是汽缸容積+燃燒室容積/燃燒室容積,因此只要改變燃燒室容積,就能改變壓縮比。
 

▲凸頂活塞由於會減少燃燒室的容積空間,因此更換後有提高壓縮比的功效,是針對自然進氣引擎強化而設計的鍛造部品。
 
怎麼做呢?從活塞頂部的形狀來改變起,這部分大致上可分成凸頂與凹頂活塞兩大類。凸頂活塞由於會減少燃燒室的容積空間,因此更換後有提高壓縮比的功效,反之凹頂活塞則會增加燃燒室容積,所以可以獲得降低壓縮比的目的。
 
然而為何要去調整壓縮比的高低呢?壓縮比攸關馬力輸出也決定引擎特性,一個原廠引擎壓縮比大都介於9~10:1,由於近期科技的發達、電腦控制系統的搭配,使得壓縮比有逐漸提高的趨向。壓縮比愈高代表預壓愈足夠,當活塞到達上死點時爆炸所產生的壓力也愈大,而熱效率的提昇直接就增加馬力的輸出,所以每提昇一個單位的壓縮比,引擎大約能增加3~5%的馬力,而這也是自然進氣引擎換裝凸頂活塞的主要目的。
 

▲凹頂活塞則會增加燃燒室容積,所以可以獲得降低壓縮比的目的,適合增壓引擎使用,尤其在準備進行1.6bar以上高增壓設定時,必定更換的零件之一。
 
至於增壓引擎使用的活塞則朝更換凹頂活塞,並降低壓縮比的反方向前進,最極限的最法是降低到8.0:1的情況。不過低壓縮比的燃燒室設計,並非如字面所言一直保持在低壓的範圍運作,反而是為了配合增壓後汽缸進入的大量空氣所壓縮下的結果,在全增壓的情況下,燃燒室內的壓縮比就會提高到12:1以上。為了機件的存活及耐久,因此降壓縮是一種預負荷的做法,所以增壓打的愈高、所使用的Turbo愈大,壓縮比勢必要降的更低,但結果是Turbo Lag更加嚴重,如何設定壓縮比的高低則為Tuner的專業所在。

引擎強化5大目的--目的一:加大排氣量

提高引擎出力底蘊
引擎強化過程中,往往會更換很多鍛造的活塞、連桿,甚至是曲軸等,所有不少店家都會在此時訂製直徑更大的活塞、更短的連桿+曲軸等,搭配搪缸技術,來加大引擎排氣量。能這樣做是因為引擎排氣量的大小,乃是由活塞缸徑和衝程來決定,因此只要改變缸徑與衝程,就能加大排氣量,其中加長衝程一項就是取決於曲軸,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。
 

▲引擎的排氣量計算方式,是由活塞缸徑和衝程來決定,因此只要改變缸徑與衝程,就能加大排氣量,這也是強化引擎時可以進行的工程。
 
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,而引擎能夠增加多少行程,則是受制於缸體的高度和活塞移動速度這兩項,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。


 
▲既然活塞、連桿乃至於曲軸都要更換為鍛造部品,因此可以同步選擇規格不同於原廠的零件,來增加引擎排氣量,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。
 
而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。加大排氣量改裝後,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。


 

引擎強化5大目的--目的三:強化耐高增壓條件

▲左邊為原廠活塞、右邊為鍛造活塞,可以發現原廠活塞的活塞環岸已斷裂,活塞裙也有不正常的磨損,會這樣除了供油程式設定不適當外,原廠活塞強度不足也是主因,因此才需要更換鍛造活塞來避免。
 
為壓榨動力打基礎
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,因此如果鎖定引擎強化這個主題的話,其實只要進行下半座的耐用度提昇即可符合。
 

 
為何引擎本身需要強化呢?就如同筆者引言所提的,主要目的在應付接下來的動力改裝與壓榨,尤其打算進行高增壓的設定時,透過引擎內部強化零件的更換,才能讓引擎能承受更大的壓力與更高的爆炸溫度,而不損壞。
 
▲左邊為原廠連桿、右邊為鍛造連趕,可以發現鍛造連桿真的比較粗壯,可以強化承受高壓的能耐,避免發生連桿斷裂的問題。
 
現代的引擎通常都使用鋁合金活塞,取其質輕、重量低的優點,但鋁合金活塞比鑄鐵活塞有膨脹率較大的問題,所以在活塞的製造上就考慮其特性設計成橢圓及上下斜差的型式,以減緩受熱膨脹後所造成的變形。
 
 
而鋁合金活塞的製造大多採用鑄造而成,原廠引擎使用此種鑄造活塞,取其遇熱膨脹率較小的特點,能減少活塞與汽缸的間隙,此緊密的間隙搭配可以降低冷車時的空污排放,減少引擎吃機油的現象,並相對減少活塞環晃動提昇耐久度,冷車時的惱人噪音也能減緩。
 

 
反觀鑄造活塞的缺點,就是材料的緊密度低,套一句實際的形容詞就是「脆」,遇到高負荷很容易裂,如果在高壓縮比的NA車或Turbo車上,伴隨產生的爆震、敲缸現象,鑄造品是無法承受此種負荷的,所以提高馬力的引擎(包含高壓縮、Turbo、NOS等)鍛造活塞,即成為改裝的必需品。
 
至於活塞之下的連桿,其作用是讓曲軸、活塞能夠連動,在高轉或高壓縮狀態會有中間最細處彎折、斷裂的危險性,因此大改車很多會更換加粗的H斷面的鍛造連桿(原廠連桿多為I斷面),目的同樣在強化引擎的耐性。

引擎強化5大目的--目的四:提高斷油轉速

▲引擎強化還有一個常被忽略的目的,那就是斷油轉速的延後,只要改裝得宜,斷油轉速逼近萬轉都沒問題。
 
萬轉設定是神作
引擎強化還有一個常被忽略的目的,那就是斷油轉速的延後。相信對改裝觀念稍具基礎的讀者應該都知道,引擎下半座機件主要功能在於將活塞移動的上下動能,轉換為曲軸旋轉的扭力,加上引擎內部活塞不只一個,因此若要曲軸轉的順暢,各活塞連桿間的重量差異便不能太大,甚至達到等重便是最好的條件,就像鋁圈平衡一樣,一旦平衡失去,轉速愈快鋁圈的震動就愈大,因此要將引擎作到破萬轉的境界,下半座機件的平衡性便成必備條件之一,而所謂的平衡性要求,簡單說指的就是各相同機件間等重量的取得,這也是引擎強化時,可以一併進行的工程。
 

▲任何的引擎強化過程,最基本的功夫就是精密組裝,沒有遵循這道原則,再好的強化部品都無法發揮功能。
 
至於如何取得?不一定要使用鍛造零件,最常見的方法是將所有的活塞或連桿一一分開秤重,並將多餘的重量採研磨方式減輕,來達到彼此間的等重水準,如此只要所有活塞及連桿都等重,組合起來的重量也會相同,引擎運轉起來自然平衡順暢。至於配種與研磨什麼地方就要看店家的經驗與技術了,若此步驟沒有處理好,組裝起來的水準有時反而會較原廠來的差,就像輪胎平衡般,鉛塊亂貼平衡反而更糟的道理是一樣的,由此可知高轉化改裝確實有其一定難度,而這也是許多店家在打造高轉引擎時所信奉的必要技術過程。
 
 
事實上,高轉化引擎在調校上所需注意的地方,除上述提到的硬體面外,液體潤滑與軟體調校是否跟的上,也是不可忽略的要項,前者所指的是機油潤滑度好壞與油壓穩定性的掌握,這可透過使用號數較高及更換強化機油泵浦來達成,至於後者則牽涉到供油電腦的使用與調校,畢竟轉速達到9000轉以上時,每秒點火時間與供油量變化,都非一般市售引擎可比擬,若沒有一套計算快速、設定完善的軟體匹配,引擎什麼時候要「中風」都不知道。

引擎強化5大目的--目的五:強化引擎高轉出力

▲引擎想要擁有一氣呵成的高轉速表現,不能只依賴下半作的精密組裝與重量平衡而已,還需上半座的高角度凸輪軸的改裝搭配才行。
 
更換高角度凸輪軸
延續引擎高轉化的改造目的來論述,其實引擎想要擁有一氣呵成的高轉速表現,不能只依賴下半作的精密組裝與重量平衡而已,還需上半座的高角度凸輪軸的改裝搭配才行,否則高轉速的馬力無法延續下去,轉速拉不上去也無用武之處。凸輪軸性能表現取決於開啟角度及揚程,大角度凸輪軸能增加「吸氣時間」,也能增加「氣門伸程」,讓氣門能「開得久+開得深」,自然讓能活塞吸入更多的空氣、提高容積效率。
 

▲所謂的高角度凸輪軸,都是氣門開啟角度超過280度以上的產品才能稱之,一般市售車所配置的凸輪軸大致在240度上下,屬於角度較小的Cam,道路版的改裝Cam,則大約在250度至270度左右。
 
而所謂的高角度凸輪軸,都是氣門開啟角度超過280度以上的產品才能稱之,一般市售車所配置的凸輪軸大致在240度上下,屬於角度較小的Cam,道路版的改裝Cam,則大約在250度至270度左右,而凸輪軸角度的計算方法,是指曲軸在720度的過程中,氣門真正開啟的相對角度。
 
▲高角度凸輪軸還需搭配強化汽門彈簧與汽門帽,才能發揮真正的效果。
 
以NA引擎而言,透過高角度凸輪軸的改裝,對於引擎馬力及扭力的提升有很大的影響,也是NA引擎想要獲得馬力明顯增幅的重要來源,。然而一般人認為Turbo車換Hi-Cam,似乎沒有那麼的重要?其實原廠Turbo車在設定Cam的時候,為了儘量減低Lag現象,大致使用小角度且低Lift的Cam,如果單純的增加渦輪Bar數,而沒有修正引擎汽缸內部的吞吐量,灌入汽缸的壓縮空氣依然會受到限制,排氣端未能適時增加效率的話,Turbine也得不到更強的驅動能力。所以Turbo車若想要獲得爆炸性的馬力輸出,依然得藉助Hi-Cam的助力,才能使馬力很輕鬆的提升,連帶也使得再加速力有明顯的變化。