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【百問】引擎內部強化問與答
鍛造活塞有何作用?(上)

2024.10.07  作者:OPTION   圖片來源:OPTION編輯部

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在渦輪引擎普及的當下,想要提升動力輸出是相當簡單的事情,但如果想要追求超越原廠引擎極限的動力,勢必要進行引擎內部零件的強化,那這些強化是否有分等級呢?或者是不同零件的強化目的又是如何呢?這些都是本單元要跟大家分享的內容。

問題一:最基礎的引擎強化–進排氣道為何要拋光?

汽門道必須有耐衝擊、散熱好、耐磨、高溫不易氧化的特性,並主宰著進排氣量的多寡,尤其對自然進氣引擎來說更是直接影響動力的表現,因為靠著汽缸產生的負壓,將新鮮的油氣吸入,經過爆炸產生爆發力後,將廢氣擠出汽缸外,這樣不斷的循環運作,就像我們呼吸一樣的重要。但原廠為了降低製造成本,上半座的汽缸頭都採用鋁合金砂模鑄造,缺點是表面相當粗糙,造成進出汽缸的阻力變大,如果將汽門道加工變得光滑,阻力自然就相對減少,動力也得到一定的提升。

多數原廠為了降低製造成本,上半座都採用鋁合金砂模鑄造,表面相當粗糙,造成進出汽缸的阻力變大。
利用拋光刀將汽門道加工後,光滑的表面能減少附著力,讓進排氣相對順暢許多,油門反應也跟著提升。

因為粗糙表面會使氣流有亂流的現象,尤其對NA引擎來說會造成每缸的吸氣容積量不一樣,所以通常上半座最基礎的強化就是為汽門道拋光,讓表面的附著力降低,比較不容易積碳,提高了油氣和廢氣的流速,讓燃燒室的填充量小幅度增加,油門反應也相對提升。至於孔道要拋多大,構造需不需要作調整,得仰賴流體測試儀才知道。當然如果也將燃燒室一起拋光的話,拋光完後一定要作氣密的測試,避免缸壓的不足而造成反效果。不過也有燃燒室保持顆粒面的一派說法,主要原因是顆粒面能讓油氣附著於表面,讓油氣混合得更完全,通常都用CNC車銑來達到相同的容積量。

早在10年前,M3 E92的原廠市售引擎就對汽門道、汽門、汽門座進行拋光,而燃燒室以CNC車銑來加工,工藝水準非常極致。
進排氣門有點像是心臟的瓣膜一樣,掌管著氣缸內的換氣效率,因此若能適度提高氣流的流動速度,就能提高引擎的換氣速度,相對引擎就能發揮更好的性能輸出。

問題二:腹內強化–鍛造活塞到底強在哪裡?

為何引擎本身需要強化呢?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。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。

且同樣是鋁合金活塞,也有區分鑄造與鍛造兩種,原廠引擎多半使用鑄造活塞,它的缺點就是材料密度低,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,所以想要大幅提高引擎馬力,可承受更大燃爆力道的鍛造活塞,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。

左邊為原廠活塞+連桿、右邊為鍛造活塞+連桿,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,這也很多渦輪引擎想要提高耐用度時,必定強化的項目。

問題三:擴大引擎肺活量–為何需要引擎加大排氣量?

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。要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。

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愈來愈小,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。而加大排氣量改裝後,最明顯的是反應在扭力提升上,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,始終屬於少數的緣故。

問題四:提高引擎爆炸力量–為何要調整引擎壓縮比,做法有哪些?

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。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。

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。

然而為何要去調整壓縮比的高低呢?壓縮比愈高代表預壓愈足夠,所產生的爆炸壓力也愈大,每提升一個單位的壓縮比,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。至於渦輪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,以設定出更高的增壓值,最極限的最法是降低到8.0:1的情況,這是為了配合增壓後汽缸進入的大量空氣所壓縮下的結果,在高增壓的條件下,高負載時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。

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。
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。

【百問】引擎內部強化問與答 鍛造活塞有何作用?(下)

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