改装大讲堂：汽车引擎改装解析.doc

1、目的： 引擎内部组件的改装主要是利用轻量化、高强度的材料制成的高精密度组件以减少内部动力的损耗，除了达到动力提升的目的，更要兼顾可靠度及平衡性的提升。要兼顾轻量化和高强度则需要材料科技的进步，由于高科技合金或复合材料的应用配合上精密加工技术，使得现代的高性能引擎不但单位容积所能产生的马力大幅提升，可靠度及经济性也能同时获得改善。需要强调的是：引擎内部组件改装并不全然是为了马力的提升，更重要的是为了引擎的可靠度及平衡性。在引擎的改装规则里是没有妥协的，失之毫差之千里、吹毛求疵用在这里是最适当不过了。 2、汽门的改装 汽门的科技在过去几年有很大的进步，主要的改变在于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，均需要材质精良的汽门。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，有的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。汽门的热度可经过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，这在急加速及行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符合需求，对改装过的引擎来说强化的汽门摇臂是必须的，行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。 3、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后产生的热和爆发力。油气燃烧所产生的热由活塞的顶部所吸收，并传至汽缸壁，而燃烧后气体膨胀所产生的力量也必须通地活塞来吸收，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12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，由于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后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。由于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。4、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。由于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。但是韵肱气行程的时候活塞、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在插销及波斯之上，如果这时连杆出了问题那下场就是引擎要进厂大修了。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，在高转速时由于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于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。 5、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，那么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，导致积碳及相关后遗症。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于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。 6、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后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，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7、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。 1）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。 空燃比A/F (Air-Fuel Ratio)和空气过剩率(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，越大表示所供给引擎的空气量越大。 A/F和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。 2）点火 当供油系统将混合好的油气送入汽缸内，经活塞压缩后，点火系统的高压线圈便会传送电流至火花塞，利用火花塞两极之间的高电压引燃油气，（也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。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极少。 3）淬熄 对引擎的燃烧来说，汽缸壁是燃烧波所能到达最远的边界，汽缸壁由于有冷却系统的作用，温度大都维持在 200左右，这相对于 700以上的火焰温度来说是很低的温度，所以当燃烧波传到汽缸壁时，火焰的温度便立刻下降，使得汽缸壁附近燃烧波的氧化作用因而减缓甚至中断，而这趋缓的氧化反应便产生了不完全氧化的产物HC及CO。这一氧化反应较缓和的区域我们称为淬熄层，淬熄层越小，表示汽缸的热传损失量越少，引擎的热效率较高、出力较大。4）影响点火的因素： 点火的难易是由最小点火能所决定，最小点火能则是受燃料的分子量、混合气的浓度、火花塞电极的形状与间隙、汽缸温度、混合气气体流动的影响而产生变化。燃料的分子量越小、汽缸的温度越高，其最小点火能越小，点火越容易。混合气的浓度稍浓于理想空燃比（14.7:1），并能在汽缸内快速的流动使油气更均匀，皆有助于点火。 火花塞对点火的难易更有决定性的影响，火花塞的电极间隙若减小则最小点火能将增大，不过间隙也不是越大越好，因为间隙大则跳火时间缩短，不利于点火，所以间隙直必须取两者的折冲。火花塞中央电极的直径越大，点火所需的电压必须升高，若将电击形状改为尖型，将有利于点火。 此外，火花塞的热度等级越高，表示中央电极不易散热，因此对点火越有利。但是当火花塞热值过高或汽缸过热时，将使油气在火花塞未点火前及自行点燃，称为”预燃”（Preignition）是异常燃烧的一种，有别于爆震，但同样对引擎将产生不利的影响。有人会改用电极为针型、且导电性较好的火花塞，为的就是加速完成点火。 5）影响燃烧的因素： 空燃比 燃烧速度会因为混合气的组成、压力、温度而变化，影响最显着的是空燃比，稍浓于理想空燃比（14.7:1）时可得到最大的燃烧速度，若空燃比低或高达到某一界限以上时，火焰便不再前进，此界限称为燃烧界限。汽油的燃烧界限是空燃比：可安定运转的极限是：。所谓稀薄燃烧引擎系统技术（Lean Burn Combustion System）就是让引擎在尽量接近燃烧界限的下限且不产生爆震的情况下运转。 火花塞的位置 火花塞的位置虽对燃烧的速度没有影响，但是它决定了相同燃烧速度下完成燃烧所需的时间。火花塞和汽缸必的距离越近，则完成燃烧的时间越短。因为油气燃烧的过程也是引擎最主要的加热、加压过程，这段时间的长短，直接影响到引擎的热效率，也影响到爆震的趋势。火花塞的最佳位置就是在燃烧室的中央，而为了达成这一设计，多气门和双凸轮轴的设计是必然的趋势。 进、排气压力与进气温度 进气压力的提高可促使油气燃烧的速度增加，而进气温度升高却会使容积效率和混合气密度降低，导致火焰传播速度下降。当排气压力越高时，则每次循环残留在汽缸内的废气越多，使能吸入的新鲜混合气减少，而随着残留废气比例的增加，燃烧时的阻碍亦增大，火焰传播的速度因而降低。要提高进气压力最常用的方法就是利用 Turbo-charger 或Super-Charger ，而赛车引擎通常用碳纤维来作为进气道的材料，除了重量轻外，最重要的就是取碳纤维不易吸热，本身的温度不会因为引擎室的温度升高而升高，可大幅降低进气温度。至于要如何降低排气压力，当然是从排气管着手，而又以头段的影响最大。 进气速度 进气速度影响了进入汽缸内油气的流动，油气的流动除了可以让油气的混合更均匀，更可产生搅动的作用使燃烧火焰和未燃烧的油气容易混在一起，增加火波前的范围，加快燃烧的速度。进气速度与燃烧速度成近乎正比的关系，进气速度越快，燃烧的速度越快。而进气的速度与进气歧管的口径与长度、汽门设计、燃烧室几何形状有关。 压缩比 压缩比的增加会同时影响燃烧时的温度与压力，并让油气分子间的距离变小，而油气的燃烧速度也随着压缩比的增高而增大。高性能引擎都想办法在不发生爆震的前提下尽量的提高压缩比，不但自然吸气引擎是如此，就连增压引擎的压缩比都已提高到超过9.0:1 以上的水准。要提高压缩比最简单的方法就是改用较薄的汽缸垫片。 点火正时 引擎的最大功率输出是取决于油气燃烧产生最大气体压力时活塞的位置，而这个位置的改变可经由点火正时的改变来达成，最理想的点火正时角度就是要让燃烧过程完成一半时，活塞位置恰抵达上死点，此时活塞正好完成压缩行程准备往下运动，因此燃烧所产生的最高压力可完全用来把活塞往下推，这就是产生最大燃烧速度点火正时。5）影响淬熄的因素 淬熄主要受到燃烧室的形状、汽缸壁的温度与粗糙度的影响。淬熄的发生是主要是由于火焰接触到燃烧室的壁面，因此要在相同的燃烧室容积下使燃烧室的表面积越小，减少淬熄量，一般而言燃烧是的形状越规则越能达到此目的。而淬熄也是热导传的结果，所以燃烧室的温度越高，则热传量越少，火焰也就越能接近壁面，淬熄层就越薄，被淬熄的气体容积就越少。但是汽缸壁的温度却被材料所能承受的热应力及爆震的发生所限制，所以只能维持在一相当的低温下。此外，降低燃烧室的粗糙度也可减少淬熄量及热传量，提高热效率。 6）爆震 爆震 是引擎燃烧过程中所产生的异常燃烧现象，它除了使引擎震动加剧外，并产生敲击声、降低引擎出力、损伤引擎结构。爆震可说是引擎设计者的天敌，许多提升马力、降低油耗、减少污染的设计，如高压缩比、增压装置、提高汽缸壁工作温度等，都因为爆震的产生而受到限制。 爆震的特性 开始时点火及燃烧波的传播都正常，但是最后应该燃烧的一部份油气，我们称为尾气（End Gas），因为受了燃烧后气体膨胀所造成的压缩作用，使其体积缩小、温度和压力升高，在燃烧波尚未传到该处之前，一部份油气的温度已经达到自燃点，到达自燃点后在经过一段时间的自燃点火延迟后就会自行引燃，并且以300m/s200m/s的速度迅速向外传播，而当正常燃烧和爆震两个方向相反的燃烧压力波相遇时，会产生剧烈的气体震动，并发出特有的金属撞击声，所以称为爆震。 轻微的爆震无法被人的感官所察觉，在此我们称它为无感爆震，因此当能感觉得到引擎爆震所产生的噪音和震动时，这时的爆震情况已经很严重，我们称它为有感爆震。爆震持续一段时间后，将使得活塞、汽缸头、汽门、活塞环等，产生严重的损坏。 燃料的辛烷值 燃料的抗爆震性是以辛烷值（Octane Number）来表示，通常分子构造简单、碳数多、炼长者的抗爆震性优秀，而选用辛烷值较高的汽油是减少爆震发生的最直接方法。汽油辛烷值的选用必须与引擎的缩比配合，理论上压缩比89用辛烷值9295的汽油，压缩比910用辛烷值95100的汽油，否则压缩比高的引擎若使用辛烷值低的汽油，将造成爆震连连、引擎无力、过热、机件损耗。而压缩比低的引擎若误用辛烷值较高的汽油，不但不能增大引擎的出力，反而可能因燃烧温度过高造成引擎过热。 燃烧室的设计 火花塞的的位置影响了完成燃烧所需的时间，这段时间就是尾气所受的加压和加热时间，时间的长短直接影响爆震发生的趋势。因此燃烧是的形状若能让压缩时油气的流动性佳、没有死角，并采用热传导效率较高的材料（如铝合金），让汽缸内的温度不易累积，使尾气保持较低的温度也可减少爆震的发生。 积碳 燃烧室内如果有积碳会影响燃烧室的散热并造成压缩比的提高，让原本不会发生爆震的引擎也发生爆震。积碳发生的原因除了引擎本身所产生的以外，在汽油中添加辛烷值提升剂更会加速积碳的累积。 压缩比 引擎的热效率是与其压缩比成正比，压缩比越高引擎出力越大，但是压缩比的上限却因为爆震的发生而受到所限制，压缩比与爆震的发生有极密切的关系，压缩比越大，爆震的趋势和强度越强。因为提高压缩比会同时增加汽缸内的温度和压力，使尾气的温度和压力升高