强其心誌 浅谈引擎腹内强化(中缸篇)

曾经有读者在某篇文章的评论中留下这么一句话:“就喜欢看这种(暴改改装车案例)文章,现在腹内强化的改装案例太少了。”这一句话将笔者带回那个盛行中缸强化的年代……那时候三菱EVO还是纯手动,久经考验的4G63铸铁引擎、斯巴鲁的水平对置涡轮增压引擎EJ257横行,Cosworth、HKS、Jun、CP等一众专精腹内强化的品牌都有一席之地,450匹输出才只是一道“准入”门槛。然而市场上有更亲民的车型可供选择,很大一部分玩车人的心态也随之而变了,对高性能的理解也多了一个代步、买菜的前提。代步、买菜的车基本上跟深度改装无缘了,因此腹内强化这种深度改装车的指定动作,瞬间被套餐式的快捷动力提升手法,抢占了市场的声势。的确,如果马力提升幅度难以超越某一个程度,例如受到变速箱限制,或者喷油嘴流量等硬件的局限,不必进行腹内强化也可以达到想要的效果。然而,腹内强化始终凭借“压榨引擎本体最后一点潜力”的能耐,站在动力改装手法以及店家改装技术的象牙塔。
强其心誌 浅谈引擎腹内强化(中缸篇)-有驾
重温一个众所皆知的道理,车厂在设计一辆车的动力系统的时候,会以较为保守的调校,来换取更高的稳定性、更经济的油耗、更低的排放水平,以及更少的故障率,因此可以认为引擎本身是被车厂封印了一部分潜力的。而如果我们以木桶原理来看阻碍引擎解放大马力的那块短板,依次会是:排气系统、进气系统、点火系统、ECU调校、配气正时……最后才是引擎腹内零部件强度、引擎本体强度,所以引擎本体强化才被奉为动力改装的最终章。引擎本体强化大致可以分为两大部分,一是凸轮轴室,二是引擎中缸。凸轮轴室的强化主旨是优化引擎的配气机构,强化充气效率,而引擎中缸的强化重点就在于曲柄连杆机构的强度,能否抵受突增的爆炸力,令爆炸力可以稳定地转化为曲轴的扭矩,本文会从中缸强化入手。
要说锻造的优点,相信大家都是信手拈来了,轻、硬、精度高,这对于运作精密度要求很高的内燃机来说,自然是优势尽显。而同样因为锻造的成本高昂,锻造部件的售价不菲,锻造部件需要在马力提升幅度非常大的时候,才有比较可观的投入产出比。例如本田改装专家Spoon所制作的Completed Engine,输出比原厂引擎有一定提升,发力平顺,而且耐用,但Spoon的工程师只对引擎原厂部件进行重新精细加工,重新做配重定量,因为对于自然进气引擎来说,不经过大幅度的改装,锻造部件也发挥不出应有的性能。
即便引擎强化厂家强调其强化部件是“锻造”的,但由于曲柄连杆机构中不同部件的形状,复杂程度不一,活塞、连杆以及曲轴的“锻造”程度也有分野。活塞是“锻造”程度最高的部件,以整块铝锭锻造出活塞顶部的大体形状、活塞裙部、活塞底部以及活塞销的基部,之后再以CNC精细加工活塞顶部、活塞销、活塞环槽、油孔等部分。连杆的锻造程度较活塞为低,大致锻造出连杆体、大头小头的大致形状,然后就会送入CNC进一步加工出连杆断面形状、切断大头、精加工大小头内表面等。而曲轴的锻造,“锻造”的只是用以加工曲轴的铝锭,一根粗而长而硬的大柱子,然后就将整根大柱子放到各个工位上进行切割加工,逐步加工出曲轴的形状,不过由于铝锭本身是锻造而成的,所以力学性能天生有优势。
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图:拥有一套全套锻造的腹内强化零件,可以说是众多性能玩家的梦幻逸品。
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图:借用同事的“烟灰缸”来解说,从图中可以看到,活塞顶部是直接锻造加工而成的。
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图:活塞底以及内部亦是整体锻造而成,确保金属微观流线符合活塞受力分布,CNC二次加工活塞表面。
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图:这一面就几乎全是CNC精加工的痕迹。
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图:锻造连杆的毛坯件,可以看到连杆已经基本成型。
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图:没错,这是曲轴的“婴儿时期”,整一根铝合金是锻压而成的。
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图:滚刀铣出曲拐和平衡陀。
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图:这就是曲轴的雏形,在经过进一步的加工就会成为我们看到的形状了。
大家都知道,燃烧室的空间是同时由气门室和活塞顶部组成的,因此活塞顶部在一定程度上决定了燃烧室的形状,也决定了发动机的燃烧状态。我们可以看到大多数锻造活塞的顶部都有夸张的造型,有的是凸顶有的是凹顶,他们之间的区别就在于如何改变发动机的压缩比。压缩比是活塞处于下止点时气缸的容积,与活塞处于上止点时气缸的容积的比值,后者也就是燃烧室容积。那么显而易见,凸顶活塞会大幅度地降低燃烧室容积,即提高压缩比,反之凹顶活塞则是降低压缩比之用。提升压缩比比较好理解,压缩后的缸压越高,化学能转换为机械能的效率越高,因此对于自然进气引擎来说,提高压缩比是提升马力的终极法宝。至于降压缩比,其实也是为了提升缸压,因为它是为增压引擎准备的。增压引擎会将高于一个大气压力的空气泵入气缸,因此其压缩比会比自然进气引擎为低,来避免燃油混合物在压缩过程中由于压力过大温度过高而爆震。凹顶活塞是为了适应涡轮增压引擎改用更大的增压器,将增压值调至更高而设的,降低压缩比就可以延迟爆震的极限,或者说在同一个爆震极限下,容许更高的进气压力,也就是更大量的空气可以参与燃烧。
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图:凸顶活塞是自然进气引擎专用,凹顶活塞则是涡轮增压引擎的最爱。
H断面连杆和I断面连杆,谁比谁强?这是个千古难题,事实上在材料力学里面,H断面跟I断面是同一种结构,假设将H断面的两“竖”缩短,一“横”拉长,再卧倒90°,就是I断面了。只是我们为了区分不同形状的截面,才起了H跟I的名字。I断面指挖空部位平面与连杆主平面重合,H断面指挖空部位平面与连杆主平面垂直。一般认为,I断面连杆加工难度较小(因切割深度小),H断面加工难度大(因切割深度大)。因此对于主要是铸造工艺制作的原厂连杆,更多的也是采用铸造工艺较容易实现的I断面。至于比谁比谁更强就要看厂家的设计具体情况具体分析了。不过从力学的角度来看,如果以同样厚度的材料,H断面结构运用在连杆上,其抗弯曲的性能更佳,但材料的量比I断面要多。可以这样提出一个结论:H断面连杆,其强度提升潜力相对比I断面连杆要大,只要加宽两“竖”即可大幅度提升其受力方向的刚性,而I断面则轻量化潜力更高,因为主要偷轻都在其受力的中性部位(也就是几乎不受力的位置)。即便是F1引擎,也无法在两种设计之间明确站队,干脆就做一根H和I断面混合的连杆,同时取I断面轻量与H断面刚性大的优点。另外特别介绍一下“X”断面连杆,造型绝对拉风,也可以说是H和I断面的一种混合,力学特性要根据X的形状而定。
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图:左上是F1引擎连杆,右上是H断面连杆,左下是I断面,右下是X断面。
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图:H断面连杆视觉上比较粗壮,是为了加强其受力强度。
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图:斯巴鲁翼豹WRC赛车引擎的连杆曲轴。
中缸强化的“大件”毫无疑问是活塞连杆曲轴,然而肚内强化之中,决不可缺少强化轴瓦、强化螺丝等这些辅助性的部件。道理还是木桶原理,当活塞连杆曲轴都强化了,那么与之接触和摩擦以及固定的部件,其强度也要有同步的提升。因此绝大多数的引擎肚内强化综合品牌,在发售一款引擎的肚内锻造套件时,必定会配上强化的锻造轴瓦、强化连杆大头螺丝、强化曲轴箱固定螺丝等。
引擎装配也是能否正常发挥强化部件的关键。在零件安装之前,引擎的各个部件是不是做了无尘处理?装配时有没有考虑引擎的正常工作温度而在一个恒定温度下进行?各个零件之间的配合间隙,是不是遵照安装手册来调节,精度是不是可以达到个位数的C值?螺丝锁紧力矩是不是用专用扭力扳手来锁死?螺丝固定是对角锁定还是顺序逐一锁定?对精密的引擎进行重新组装本身就不是容易的事情,而对要压榨出每一个部件极限的高性能引擎进行组装,更是一桩如履薄冰的技术活。国内有能力自主进行引擎强化的改装店有多少家?如果不算专业车队,用手指头都数的完了吧。
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不过肚内强化部件并非万能,引擎本体在某些时候也需要进行一定程度的修改,例如扩缸、封闭掉开放式水道等等。扩缸听起来简单,不就是将汽缸壁进行刨削,令其内径扩大吗?但大家要知道,扩缸用的刨削刀具下刀是不是准确,跟引擎本体定位夹具的精度很有关系。想象一下,刀具的运动方向是固定的,而其对工件切削的形状,是由工件本身与刀具的相对位置而决定。而在国内,夹具的开发就是一个不小的软肋,因此出现不少扩缸扩斜了,甚至扩成“大肚子”的例子,这样的引擎,没等上路,在磨合时就可以直接报销了。
不少引擎都是采用开放式水道,令引擎的散热性能更强,不过这样一来,因为汽缸体部分相较于中缸本体,是处于悬空状态的,只有在缸体底部才相连,那么在燃烧室发生爆炸时,气缸就会因为连杆的侧向推力而左右摇晃(以气缸排列线为前后参考方向)。水道封闭由此而生。“土办法”是往水道内塞入金属条,固定住缸壁与中缸本体,但受不同材质之间热膨胀系数不相等的影响,金属条有可能会令缸体挤压变形。更先进的做法是安装封闭水道套件,它仅仅是一个环,只封闭水道上部分,使汽缸体的上下部分都与中缸本体相连,有效增强其刚性之余,也不容易导致缸体变形,同时对冷却效果没有太大影响。
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图:开放式水道求强化,怎么办?
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图:把它密闭掉呗!
要说腹内强化,这篇文章只能算是泛泛而谈,这其中有太多的技术性的原理需要解释了。所以笔者一直认为引擎本体强化,是众多改装手法之中,最有技术含量的,而对于有能力做此类型改装的改装店家,亦会看高一线。虽然在国外,做引擎强化的产品、服务的改装商多如牛毛,但笔者更希望看到的是,能在国内涌现出更多有能力、有技术进行引擎强化的改装店家以及品牌,一起复兴国内的高阶动力改装。
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