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汽车改装知识:发动机动力改装

热度890票  浏览45次 时间:2013年10月31日 15:05
工业绞盘
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发动机动力改装是一项真正的改装大手术,下面我们来谈谈这个问题。

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在众多的改装项目中,发动机的动力改装是工艺最复杂同时也是最昂贵的一项改装,而且也是唯一能使车子有脱胎换骨般动力提升效果的改装项目,以一台VW的STN为例,如果改装得宜的话,这台老款发动机的动力可以从原装的86hp(1.6L)提升到134hp以上(扩大排量,改配高压缩活塞和高角度凸轮轴等)如果动用到增压进气系统更可以有超过原装一倍以上的功率增长,由此可见,改装发动机可能不是性价比最高的改装项目,但绝对是最有效的动力改装。

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发动机是整台车子的心脏,有一个非常复杂的工作环境——既有超高温的燃烧室(温度接近1000°C)也有运转速度非常高的精密机械结构(原装STN发动机可达到每分钟6500rpm,改装后更可超过8000rpm),因此改装发动机要求相关仪器与人员经验上要能配合,并要求有较高的工艺和理论水平,因为除了技术上的复杂性外,发动机内部更换了一些高性能部件后原厂的数据便全不合用,而改装品制造商提供的数据并不一定能配合其他部件,因此在装配的过程中一些设定数据要求技师自行计算,稍有不慎便会导致爆缸等严重损毁后果,因此一定要确定施工人员的技术水平后才可以动手。拓松汽车户外网 -B l z8I {!]u

a4s2OL ]2se0接下去就是如何提升发动机功率了,简单来说,一台发动机在同一时间内能燃烧越多的汽油,它便能发出越大的马力,但和所有的燃烧现象一样,被注入汽缸内的汽油是需要有氧气才能燃烧的,所以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都必须有12—15份空气来助燃(在更改ECU的时候出现的空燃比AFR就是指这个),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负压吸进汽缸,由于整个过程并没有外力帮助,所以称之为“自然进气—Normally  Aspirated)简称NA。拓松汽车户外网 -b|@H5{2{P-q

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B6l _KN/s&TM:Y?0说到这里大家应该都清楚了吧,如果要燃烧更多的汽油”(来产生更多的马力),那发动机便要吸入更多的空气,当NA无法满足人们的需要时,增压进气方式就出现了,即用涡轮增压(Turbo charge)和机械增压(Super charge)等装置来增加进入汽缸的空气量。有了更多的空气便可以有效地燃烧更多的燃油,相当于有了更多的马力。拓松汽车户外网 -:T*G;y w N Q}!w

RSf3_Lpkt0另一方面,相对进气量在很大程度上受制于发动机排量大小的这一情况来说,供油部分是比较简单的,因为:一、油的需求量只是空气的十多份之一,二、供油系统的控制权在我们手上(可通过改变ECU的供油指令来完成,当原油咀不够用的时候还可以换装更大油咀或汽油泵来解决问题)因此针对发动机的动力性能的高深的改装如加大缸径与冲程,更换高角度凸轮轴、大口径节气门甚至加装TURBO的目的与作用,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。拓松汽车户外网 - f)T!xRd?*~*?HUpZ
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*度及平衡性提升。要兼顾轻量化和高强度则有赖材料科技的进步,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*度及经济性也能同时获得改善。 笔者在此必须再次强调: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*度及平衡性。因为拥有强大爆发力的高性能引擎和炸掉的引擎只在一线之隔,差别就只是在精密度要求的不同,‘洋枪’与‘土炮’最大的不同就在此而已,或许两者之间仅是千分之几吋的差异,但在引擎的改装规则里是没有妥协的,‘失之毫釐差之千里’、‘吹毛求疵’用在这里是最适当不过了。  

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Z^.}N'b2j0汽门的改装  

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Sn^|dc)ra0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,引擎的装项目越多汽门机构的精确度的要求就越吹毛求疵,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*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(Keeper)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杆上,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杆的压力。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。

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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,随著压缩比的提高会使汽缸顶部燃烧室的空间变小,活塞顶部的锐角和凸出都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。拓松汽车户外网 -mJGX6|j&iC4j"F

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活塞连杆

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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(Bolts)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,连杆的品质关系著引擎的可*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著压缩比及运转转速的提高而提高,即使仅是千分之几吋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*度。拓松汽车户外网 -:m+e,s(Yh{-B#yj

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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著一个汽缸的运作。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,以市售车引擎来说,4000rpm以下尚称平衡,超过以后则会随著rpm的提高而使情况加剧,这种情况又以国产引擎最严重,如果你常以高转速行车,或是你的以解除了转速限制,为了引擎的长治久安,你必须好好考虑曲轴平衡。

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压缩比

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s^ hCU)s7~:_0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著很高的压缩比,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。随著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,可喜的是中油将在今年推出98无铅汽油。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,其相关的数据也必须一并考虑。

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;k |po.w3B0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,常常可看到国外改装厂的改装套件广告,宣称装了以后马力可达几匹,0~100可在几秒内完成。但是你真的相信这些套件到了国内后经由本地的技师安装后,能够达到和国外相同的数据吗?!也许可能但不容易,这其中的差异就在于安装的手工。 举例来说,连杆在安装时必须特别注意螺丝的锁法及紧度,锁螺丝时应该先充分的清洁并涂上一层薄机油,避免螺牙间产生异常的应力造成螺丝虽按照规定的力量锁紧但却无法达到应有的紧度,否则引擎运转后由于紧度的不足会造成轴承立即且严重的损害。在事事吹毛求疵的引擎改装领域里绝不可大而化之。

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