【百問】引擎內部強化問與答鍛造活塞有何作用？(上)

車訊網 2024-10-07 12:35:24

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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。

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。

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。

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。

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。