汽车发动机的改装攻略
2014-05-07 13:35 艾森ECU升级(北京运营中心)
汽门的改装
汽门的科技在过去几年有很大的进步，主要的改变在於材质的进步及精密度的提高。高效率的进、排气，环保法规的要求，均有赖材质精良的汽门。而汽门改装的原则是：在不影响强度的情况下尽可能的减轻汽门的重量。动作精确的汽门是高性能引擎的基本要件，专业改装厂通常会提供不同的汽门组合供消费者选择，引擎改装项目越多汽门机构的精确度的要求就越严格，所以设定汽门时必须要同时考虑与凸轮轴及汽门摇臂的配合。原厂的汽门通常都有适当的材质和大小，但是如果有需要的话可适度的换上较大或较小尺寸的。汽门的材质是很重要的，目前的改装用汽门通常用钛合金作为材料以求强度的提升及轻量化的要求，但是一套钛合金的汽门价格并不低。而有的是将汽门的背部切削或用中空的设计以达到轻量化的目的，又有时会把汽门表面做成漩涡状，以利在汽门开启时能气体的流动。汽门的热度可经由与汽门座接触时经由汽门座传出达到散热的目的，是汽门最重要的散热途径。因此，汽门座的配置必须非常谨慎，假如太靠近汽门的边缘或是汽门边缘太薄了就可能造成密合度不良。此外汽门套筒和汽门间的精密度及表面平滑度，汽门摇臂与汽门固定座间的表面精度都必须严格要求否则在高转速时将会导致严重的损害。汽门弹簧的强度设定必须恰到好处，要兼顾汽门的密合度又不能造成开启时的困难，如果弹簧强度大过以致凸轮轴开启汽门时负荷过重对马力输出是非常不利的。汽门的固定座也是个潜在的问题，这个装置是用夹子把弹簧固定在汽门上，这在急加速及扬程大的的引擎上会造成扭曲或断裂，因此也必须配合做改变。 原厂的汽门摇臂在引擎转速上限提高及气门正时改变时就会变得不敷需求，对改装过的引擎来说强化的汽门摇臂是必须的，扬程太大的凸轮轴会造成汽门摇臂的扭曲，因此强度的提升及轻量化都是必须的。对一般的汽门来说，滚筒式的摇臂能减少与汽门座接触表面的压力，也能承受较高来自推的压力。通常汽门摇臂若有圆滑的表面和滚动的轴承，会使运转时得摩擦阻力变小，摩擦阻力越小所消耗的动力就越少。
活塞、活塞环
活塞顶面与汽缸头之间形成燃烧室，因此活塞必须承受来自引擎燃烧後产生的热和爆发力。油气燃烧所产生的热由活塞的顶部所吸收，并传至汽缸壁，而燃烧後气体膨胀所产生的力量也必须经由活塞来吸收，活塞会把燃烧气体压力及惯性力经由连杆传到曲轴上，利用连杆的作用将活塞的线性往复运动转换曲轴的旋转运动。在转换的过程中除了在上死点与下死点之外，活塞会对对汽缸滑移产生一个侧推力。活塞环是曲轴箱和汽缸间的屏障。以机能来分，活塞环分为气环和油环两种，普通引擎每个活塞各有1~2个气环及油环。活塞环能维持汽缸内的气密性，使汽缸与曲轴箱隔绝开来，让燃烧室的气体压力不致流失，并能避免未完全燃烧的油气对曲轴箱内的机油造成污染及劣化。它能经由与汽缸壁的接触把活塞所受的热传至汽缸壁、水套，更重要的是它能防止过多的机油进入燃烧室，并让机油均匀的涂满汽缸壁。引擎运转时产生的热越多表示所爆发的力量也越大，这些热量也对高性能引擎造成问题。现代的活塞设计主要有铸造和锻造两种，而铸造又比锻造来得简单便宜，但却无法如锻造活塞承受较大的热度和压力。通常改装厂在设计锻造活塞时，都会同时利用改变活塞顶部的形状来达到提高压缩比的目的，但问题是选择锻造活塞时多少的压缩比才是适当的。以汽油引擎来说，压缩比超过12.5:1时燃烧效率就不容易再提升。利用活塞顶部的形状改变来提高压缩比时，随着压缩比的提高会使汽缸顶部燃烧室的空间变小，活塞顶部可能导致爆震的发生。对高压缩比活塞来说，由於必须保留汽门做动所需的空间，因此会在活塞顶部切出汽门边缘形状的凹槽，如果没有这个凹槽，当活塞到达上死点时可能就会打到汽门，因此改装了高压缩比活塞後对汽门动作精确度的要求就必须非常严格。这凹槽的大小也必须配合凸轮轴及汽门摇臂的改装而改变。不锈钢及特殊合金的活塞环已广泛应用在赛车及改装套件市场，这些特殊设计的合金活塞环可以在活塞往上行时释放压力，但在往下爆发行程时却能保持密闭的状态以维持压力，这种活塞环虽然贵但是却能有效的提高引擎效率。由於活塞与活塞环都必须在高温、高压、高速及临界润滑的状态下工作，因此长久以来改装厂都为了提供最佳设计而努力，但引擎的性能是所有机件整合的结果，因此选择活塞套件时必须考量凸轮轴的正时角度、供由系统的配合才能找出最佳搭配组合
活塞连杆
活塞连杆最基本的功能是连结活塞和曲轴，把直线的活塞运动转换成曲轴的旋转运动。在引擎转时连杆会承受油气燃烧产生的爆发力，这个爆发力会使连杆有扭曲的趋势，连杆也是所有引擎组件中承受负荷最大的组件。由於连杆是把活塞的直线运动转换成曲轴的旋转运动，因此在活塞上下运转时连杆会不断的加速及减速，尤其在活塞抵达上死点时连杆的运动方向会由往上突然减速至停止，并立刻改变运动方向，这是最容易造成连杆损害的。在爆发行程时，燃烧产生的高压气体可变成连杆运动的缓冲，插销、波斯所承受的负荷也会减轻。但是在排气行程的时候活塞、活塞环、插销及连杆本身的部份重量所造成的惯性力都会加诸在插销及波斯之上，如果这时连杆出了问题那下场就是你的引擎要进厂大修了。现在的赛车引擎大多使用锻造的合金连杆，连杆的品质关系着引擎的可靠度，但是却无法以肉眼检视连杆的品质或瑕疵，必须以特殊的非破坏检验或X光做检测，这是选购及改装连杆时最大隐忧。连杆各项尺寸精密度的要求会随着压缩比及运转转速的提高而提高，即使仅是千分之几寸的尺寸误差在高转速时都会造成活塞间隙明显的变化。如果用了强度不足的铝合金连杆，在高转速时由於惯性作用会使连杆长度变长，造成引擎的损害或是压缩比的增加。在活塞连杆的组件中对於尺寸要求最严格的当属连杆轴承（也就是俗称的波斯），这也是最可能导致连杆损害的组件。所以对赛车或高性能引擎来说，应该尽可能的使用最高品质的轴承，以确保引擎的可靠度。
曲轴
曲轴可是为引擎的心脏，如果它的功能无法准确的执行，那麽引擎的马力就无法正常的发挥。曲轴的各相对角度必须正确，否则点火正时和汽门正时就无法精确有序的一个汽缸接着一个汽缸的运作。如果这顺序出了问题，可以想见这结果就是爆震连连。曲轴轴承的间隙也是另一个重点，主轴承和连杆轴承都必须有适当的间隙以使机油能够流动产生润滑和冷却效果。如果太小汽缸壁、活塞、汽门机构....等就无法获得充分的润滑，会造成机件的磨损。如果太大抛出的机油量增加会使活塞和活塞环的工作加重，造成燃烧室过多的机油残留，导致积碳及相关後遗症。曲轴的平衡是最常被大家所提起的，曲轴的先天平衡性在引擎设计的时候就已决定，实际的平衡度则会由於材质及制作精度的不同而有所差异，为了引擎的长治久安，你必须好好考虑曲轴平衡。
压缩比
压缩比是活塞在下死点和上死点时汽缸容积的比值。改变压缩比可提高引擎的效率但是在制作过程必须要求严谨，因为压缩比会直接影响汽油的燃烧效率并且和点火正时的设定有密切的关连。在很多高性能引擎都有着很高的压缩比，在赛车引擎更是如此，但是一般经济取向的引擎却会适度的降低压缩比。随着压缩比的提高对汽油品质及辛烷值的要求也就越来越高，这也是很多高压缩比引擎所遇到的难题，汽油引擎的压缩比应该超过8.5:1，但是当压缩比超过12.5:1时对性能的提升的效益就变得很小，而且伴随而来的汽门和活塞相对距离不足、爆震、预燃及其他伴随而来的後遗症会使问题变得很复杂。因此在进行提高压缩比之前必须先知道汽门的扬程和凸轮轴所设定的气门开启时间、正确的进汽门和排汽门的尺寸甚至燃烧室的形状及尺寸。此外如果汽缸头曾经研磨过或是使用了薄的汽缸垫片，其相关的数据也应一并考虑。引擎内部组件改装时，必须特别注意材料的选择、制作精度及平衡度的要求，更不能忽略各组件间的搭配，从上文可知引擎的改装往往是牵一发而动全身，单对某一部份进行改装通常会破坏引擎的平衡性，而且效果不彰，因此如果你考虑对引擎进行改装时，请务必选择专业改装厂所出产的产品，并尊重专业的搭配，千万不可土法炼钢，否则因小失大就得不偿失。此外安装的手工也是一大难题。
十一：引擎的燃烧与爆震
汽车的动力来自引擎，而引擎动力的产生是利用汽缸内油气的燃烧所产生的爆发力推动活塞而来，因此要获得良好的引擎性能就要从提高引擎的燃烧效率着手，从汽缸内油气燃烧的基本理论找出提高引擎燃烧效率和热效率的方法来提高引擎性能。
但是在工程师们想尽办法来提高引擎性能的同时，却因为爆震(Knocking)的发生而受到种种的限制，而一具最高性能的引擎就是在燃烧与爆震的交互作用和互相牵制下得出的妥协。
『燃烧与爆震』不但是研究引擎的基础，也是判断引擎优劣的依据，更是引擎改装的基础，因此燃烧与爆震可说是一切讨论有关引擎性能的入门，更是谈引擎改装时的立论依据。
一、燃烧
因为引擎的燃烧循环是在汽缸这各小容器中进行，而且有温度、压力、热传导、残留废气等变因，所以比起一般的燃烧来得复杂许多。目前有很多有关引擎的理论都是由实验得来的，就因为是由实验得来的所以有很多因素都有不同的解释，甚至可能尚未被发现，因此读者或可从本文中获得启发，找到其他有利引擎燃烧的好方法。在进入主题之前我们必须先介绍两个名词：空燃比A/F
(Air-Fuel Ratio)和空气过剩率λ(Excess Air Ratio)。空燃比A/F是进行引擎燃烧反应时所需的空气重量和燃料重量的比例，空然比小表示油气比较浓，反之则比较稀。如果根据汽油燃烧的化学反应方程式，我们可以算出汽油完全燃烧的理论空燃比为15.1:1，但是在实际的燃烧情况中，如果要达到完全燃烧，所需的空气量往往比理论上所需的更多而实际上所需的空气和理论上所需的空气量的比值就称为空气过剩率λ，λ越大表示所供给引擎的空气量越大。A/F和λ在谈到有关引擎的工作原理和废气污染控制上都会再出现，所以比必须先在此提出。引擎每完成一次进气、压缩、爆发、排气四个行程的循环，曲轴转了2圈也就是720°，在引擎转速为 3000rpm时，曲轴转速为每分钟3000转，也就是说引擎每分钟要进行1500次的循环，完成每一次油气燃烧的时间远小于0.01秒。要去讨论这0.01秒内快速进行的燃烧过程有相当的困难，[ 因此我们必须想像成用很慢很慢的慢动作来看引擎的燃烧过程。若用这样的方式来看引擎的燃烧过程，我们可以将它概分为点火、燃烧、淬熄三个步骤：
点火
当供油系统将混合好的油气送入汽缸内，经由活塞压缩后，点火系统的高压线圈便会传送一电流至火花塞，利用火花塞两极之间的高电压引燃油气，（亦可说是高电压使汽油分子产生游离作用，进而和氧离子结合，造成氧化作用）。为了引燃油气，必须对油气提供一相当的能量，这个能量我们称为『最小点火能』（Minimum Ignition Energy）。最小点火能越小，点火越容易。这一油气引燃的过程相对于接下来的油气燃烧速度来说，速度是比较缓慢的，而这一缓慢的氧化过程称为『点火』。『点火』所耗去的时间约占整个燃烧行程的10 %，而这段时间所耗去的油气也少得为不足道。
燃烧
点火阶段可视为油气燃烧前能量的累积，当点火完成后，火焰便开始以燃烧压力波的形式向外传播，其传播的方式是以火花塞为中心，一层一层依序向外燃烧，就如同将石头丢入水中，在水面形成涟漪一般。在火焰向外传播时，在已燃烧和未燃烧的油气之间，有一进行燃烧氧化反应的反应带，我们称为『火焰波前』。火焰波前的范围大小会影响燃烧的反应速率和汽缸内压力上升的速率。油气燃烧的速度对引擎的性能有决定性的影响，燃烧的速度越快，引擎的性能越好，爆震发生的趋势也越低。
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