汽车动力改装之发动机改装的知识储备
2014-07-02 09:47 艾森ECU升级(北京运营中心)
可能连小孩子都知道，没有燃油的车子是开不动的，因此开车的人都会在油箱的燃油耗尽前到加油站加油。车子的耗油量在大部分的情况下都是与产生多少马力成正比，因为一台发动机在同一时间内(例如1分钟)能燃烧越多的汽油，它便能发出越大的马力。但和所有的燃烧现象一样，被注入发动机汽缸内的汽油是需要有氧气才能燃点的，因此发动机必须同时吸入大量的空气才能有效地发挥功能。事实上发动机在产生动力的过程中燃烧的每一份汽油，在不同工况下都需要约12-15份空气来助燃，而这些空气在大部分情形下都是被汽缸内的多个活塞在上下运动时所产生的负压吸进汽缸，由于整个进程并没有外力帮助，因此这种形式的进气方式称为“自然进气——Normally Aspirated”，简称为NA。到这里大家很容易便想到，如果要燃烧更多的汽油(来产生更多的马力)，那发动机便要(能)吸入更多的空气，当自然力量(进气)不能满足人们的需要时，聪明的工程师便发明以增压进气方式——亦即是涡轮增压(Turbo Charge)或机械增压(Super Charge)等装置来增加进入汽缸的空气量(在以后我们将会详谈增压进气的问题)。有了更多的空气便可以有效地燃烧更多的燃油——亦等于有更多的马力。另一方面，相对进气量在很大程度上受制于发动机的大小(排量)这一情况来说，供油部分是较为简单和容易的，因为一是“油”的需求量只是空气的十多份之一，二是“供油系统”的控制权在我们手里——在怎样的工况下要多少油量都可在弹指间改变ECU的供油指令达成，如果原装的供油系统负荷不来时，也可以换上大号或加装额外的喷油咀和转用强力的汽油泵来解决问题。因此针对发动机的动力性能更高深的改装如加大缸径与冲程，更换高角度凸轮轴、大口径节气门甚至是加装Turbo等增压装置的目的和作用，都是要令更多的空气进入汽缸内帮助燃烧更多的燃油——从而产生更大的动力。
自然吸气发动机改装
上期我们了解到要提升车子的动力性能，首先是要提升发动机的进气量。其实改用高流量型空滤和集气箱等，作用也是一样。但在大部分情形下，这些简单的改装只有2至3个百分点的动力增益，如果要认真地把动力提升超过10%以上，便需要做深度的改装来提升发动机的心肺机能了。由于可以大幅增加发动机的进气量，加装增压进气(Forced Induction)系统是提升发动机功率最快和最有效的方法，成功的改装可以提升发动机功率达50%甚至是100%！而维持发动机的自然吸气模式，只提升空气进入汽缸前的多个环节和部件的工作效率则是最“自然”的方法，因为整个进气的过程和各部件的工作原理都没有被改变，但这种改装方法在大多数情况下只有约20%-25%的增益(除非像国际级房车赛的赛车般改装，功率能提升100%，但一台发动机的价钱约等于5台整车的售价)。
改装自然吸气发动机
NA(自然吸气)车动力改装的大原则是增加更多的进气量，并配合足够的压缩压力来供给发动机进行燃爆，籍以提升动力。因为没有涡轮或是机械增压等附加部件的鼓吹，NA发动机要改善进气量便只能由自体完成。简单来说，NA改装主要是在发动机的缸盖和缸体两个部分进行，前者与进气量和燃烧效率息息相关，后者则关乎容积和强度，两者都是发动机动力之源，分别施予相应并匹配的改装自然是最完美和平衡的。如因成本或其它问题只能改装其中一项，虽然效果稍差，但只要小心配搭，设定时尽量接近原厂数据，也是可行的。而二者中以改装缸盖部份较为简单，出现严重问题的可能性也较小，性价比较高。
缸盖部分的改装
发动机的原装设计和素质是非常重要的，在同一条件下8V发动机的进气量怎样改都比不上16V的。言归正传，在缸盖内的改装最容易让人想到的便是换上高性能凸轮轴。凸轮轴的作用是控制发动机进气阀(和排气阀)的开合时间，简单地说就是高性能凸轮轴有能让进气阀早开排气阀晚关的特性，并增加了气阀开启的时间和深度。凸轮轴上凸轮的作用是控制进气阀开合时间的长短(duration)，这凸轮以它的圆周作标准，度数越高代表进气阀开启时间越长。但要注意的是国际上并没有一套统一的duration度量标准，因此A品牌的270度凸轮轴并不一定比B品牌的260度凸轮有更长的开合时间。另一方面凸轮轴的选择也并不是角度越大越好，最重要的是它最大峰值的出现时间，因为一根最大峰值出现在4000rpm的凸轮轴在日常驾驶时提速会比另一根最大峰值在6000rpm后才出现的凸轮轴好(除非你每次都在6000rpm以上才换挡)，而且太大角度的凸轮轴会使怠速不稳，启动乏力，容易发生熄火和排放超标等问题，不适合民用车的日常行车之用。除凸轮轴外，缸盖的进排气道和气门也可以进行打磨和抛光，作用是增加气密性和减少气流通过的阻力，有助提升整体的气流量。
缸体部分的改装
这部分可以改装的部件包括活塞、连杆、曲轴等。活塞是其中的灵瑰，它的形状尤其是顶部的凹凸大小对发动机的压缩比有决定性的影响(高压缩比=大功率)，因此换上高压缩比活塞对动力绝对有帮助。在这里值得一提的是，如果把缸盖与缸体间的垫片换上特制的薄/厚型号也能有提升/降低压缩比的效果。此外，改装缸体其它部件并不能增加发动机的功率(除非是用于改变发动机的排量)，但如果把它们强化和轻量化，会使发动机运转更轻快，提升反应效率之余亦可增强耐用性。另一方面，如果其它条件配合，换上短一点的连杆再配以相应的曲轴即可增长发动机的冲程，亦即增加了排量。在相同条件下，大排量发动机的功率一定比小排量的大，因此利用改装连杆和曲轴的方法来增加的排气量是一个成本低而功效大的方法。当然大家也可以用扩大汽缸口径再配以大号活塞的方法来加大排量，但这工序涉及熟练的手工和精密的器材，在国内的大环境下我不建议采用。
增压进气发动机改装
我们已经认识到了进气量的多少对发动机的功率输出有直接关系，而增压式进气系统能直接地大幅增加输入发动机的进气量，因此一些追求大马力的车迷们都对此趋之若鹜，莫不想在自己的爱车上加个增压装置。但正如对财富的追求一样，车迷们对车的动力要求是不容易得到满足的，一些已拥有原装增压车的车主也会不甘现状，千方百计地要在原来已不错的性能基础上再上一层楼。现在便让我们分别探讨一下怎样去满足两者不同的要求。
增压式进气工作原理和种类
增压式进气系统的工作原理是用不同的方法去增大发动机进气歧管内的空气压力，令同一时间单位内有更多的空气被吸入汽缸。现时最流行的增压装置是涡轮增压器(Turbo Charger)和机械增压器(Super Charger)，两者分别有优胜的地方和不足之处。涡轮增压器连在排气歧管后，利用发动机在排气冲程动作时所排放的废气来转动其排气叶轮(Turbine wheel)，当排气转子到达一定转速时便会带动同轴异室的进气叶轮(Compressor wheel)，产生更大的进气压力来吸进额外的空气。涡轮增压器的优点是工作效率较高，可承受大增压值(Boost level，增压值越高能产生的马力越大) 和增压值非常容易调校，而最大缺点是汽车类杂志常提到的涡轮迟滞效应(turbo lag)，原因是涡轮增压器的排气转子要到达一定转速时(约30000rpm)才能启动进气转子工作，尽管鼓气所需时间很短(1秒钟内)，但是对于驾驶者来说这会产生不爽甚至是不舒服的感觉 (试想在重踩油门后0.5秒车子才突然发力冲前，会是怎样的感觉)。这在日常行车情况下问题不大，但要是在弯路上高速驾驶，灵敏的油门反应变得非常重要，涡轮增压的迟滞现象就与之背道而驰了。此外涡轮增压器带来的高温是它的另一大弱点，由于要*非常高温(可达摄氏900 -1000度)的废气来驱动排气转子，令高温废气被留在发动机舱内的时间比NA车长得多，因此置有涡轮增压系统的车子很容易遇到多方面的(如水温，油温和进气温度)冷却问题。
机械增压器和涡轮增压器的最大分别在于产生增压的方法不同，也因为这个它们的优缺点正好相反。机械增压器以皮带与发动机曲轴皮带轮连接，利用发动机转速来带动机械增压器的进气转子，以产生增压空气送入发动机进气歧管内。其好处是完全不会有涡轮增压器的迟滞效应(因为增压器是全时间被带动的)，同时因不需高温废气的帮助，所以冷却系统的工作轻松得多。但由于能用在各类发动机的皮带轮尺寸差异不大(受限于安装空间)，因此机械增压器的工作转速远低于30000rpm，与涡轮增压器经常处于100000rpm以上超高转域的情形相去甚远，因此以增压效率计算，机械增压器是比不上涡轮增压器的。另一方面，由于机械增压器的增压值和对发动机的阻力是成正比的，而且两者是全时间相连，因此机械增压会为发动机带来额外的负担，情形就像车上多设了一个常开的大功率空调系统，消耗了发动机的部分功率。此外涡轮增压器的全电子化增压值控制器(Boost Control)不仅可以放置于车厢内，并可实时调校，这种便利性比机械增压的增压值调整(需要更换皮带轮)要简单、方便得多。
机械增压 VS 涡轮增压
机械增压器和涡轮增压器互有长短，不能说谁优谁劣。以一汽大众的高尔夫(2升8v)为例，同是来自美洲的ATP和Neuspeed两大改装商分别为它设计了配涡轮增压器和机械增压器的改装套餐，两者的性能提升幅度、价钱和安装工序都是大同小异。由此可见只要改装得法，机械增压器和涡轮增压器并没有多大的区别，但以适合国内的流行车型和车迷的认知度来算，仍是涡轮增压器较为主流，因此在这里我们也将会以涡轮增压系统的改装为主要探讨对象。
改装涡轮增压系统
对原装已设有涡轮增压器的车子进行动力改装(在一定程度上)是颇为容易的。最简单的方法是换上比原厂的增压值设定得高的高性能芯片(花费7-8千元)，光是这样动力便可提升10 -15%，这也是涡轮增压系统最吸引人的地方。如果还嫌不够可以换上同厂但大一号的涡轮，如把大众宝来1.8T的K03涡轮换上奥迪TT的K04涡轮，由于两者属于同系车，因此在改装上完全没有难度,在相应的高性能芯片帮助下超过25%的动力增益唾手可得。但必须注意要同时把一些配套的部件如中冷器等换上更高效率的型号，应可在3万元内搞定。
加装涡轮增压系统
虽然理论上任何NA发动机都可以加配涡轮增压系统，但过程和成本会比“改”装涡轮增压系统复杂得多。主因是原来多项NA发动机的外围配件如供油系统、ECU和排气歧管等都需要更改或更换才能配合加装的涡轮增压系统，加上原来发动机舱内并没有预留空间给涡轮和它的配套装置，因此安装位置和散热效果可能不会太理想，令原来为NA设计的冷却系统不堪重负。纵然困难重重，但只要有市场，聪明的改装商还是可把问题一一解决的。现在市面上大部分“改”装涡轮增压系统套餐都是采用小号涡轮和低增压值等方法来降低成本(约20000元)并减少后遗症的发生，虽然带来的动力增益不大(约15% - 20%)，但好处是不用改动发机内部，并得到较低的涡轮迟滞效应，是一个不错的选择。但如果车主想升级用高增压值涡轮系统，那便要三思了，因为遇到的技术问题和费用都会几何倍数地上升，而且稍有不慎更会导致颇大的损失。
总结
其实涡轮增压系统的改装潜力很大，在国外的改装案例中把大众1.8T发动机的马力提升超过100%的比比皆是(这里指的是经马力测功机测试出来的轮上马力，不是坊间随便说说的“唇上马力”)。但这些深度改装费用高昂，工艺技术要求甚高，并不适合在现阶段给大家介绍，以后有机会再和大家深入研究吧。最后要提醒大家的是为保持车子的整体平衡性，在为爱车作大幅度的动力改装后要同时把刹车和悬挂等系统升级啊！
- 上一篇：汽车性能改装之汽车轮胎的知识储备
- 下一篇：汽车改装知识普及-点火系统的改装
在线客服1号
扫一扫二维码