吸、壓、爆、排:

汽缸頭的秘密

我們要看一下改裝汽缸頭的內部,探討改裝一個汽缸頭牽涉到哪些東西,這是一個繁雜的工作而且會有很多選擇。這一系列的第四部要幫助你瞭解一些改裝汽缸頭的竅門,使你在改裝汽缸頭獲取最大馬力時可以做出最適當的決定。

汽缸頭的氣道順暢是製造大馬力不可或缺的要素,為何改善氣道的特性會生出你馬力呢? 引擎基本上就是一個空氣泵浦,為了要盡可能的製造出功率,必須用最少的力氣來吸進最大量的新鮮空氣,並排出燃燒後的廢氣。進排氣道多餘的阻力將使引擎消耗更多的功--一個不是用來轉動輪子的功,這個多消耗的功稱為「吸排損」(pumping loss無責任亂翻)。

想像一下用細吸管喝一杯很濃的奶席,你要多用一點力才吸的起來,如果換一根粗一點的吸管,就會容易多了不是嗎? 你用細吸管吸奶昔多花的力氣就是pumping loss。同樣的道理,如果你的引擎多花一些力氣來吸進氣體,它就會少了一些力氣來轉動曲軸和輪子。

另一個重要的因素是容積效率(or 填充效率 volumetric efficiency),容積效率是每一個進氣行程中,活塞掃過的體積被氣體填充的比率。例如你有一顆排氣量1000cc的引擎,假如它每一進氣行程只吸入800cc空氣,這顆引擎就有80%的容積效率。新的國產(作者他們國)自然進氣引擎的容積效率就在80%左右。

工廠通常會依照進排氣道的大小,謹慎的將其體積與形狀最佳化,特別是那些進口的引擎。但當要增加一顆引擎的馬力時,對空氣流通的需求就會改變,進氣岐管、汽缸頭、排氣系統以及凸輪軸,這些促進高轉運作的零件都需要更通暢的氣流特性。更多的空氣流過就需要大口徑的進/排氣道,如同用兩倍粗的吸管來吸奶昔一樣會更容易。這就是進排氣工程的最主要效應,藉由降低進/排氣阻力來降低pumping loss並增加容積效率。

在設計汽缸頭以及進排氣孔道走向時,常常為了降低汽缸頭高度好將引擎塞入更低的引擎蓋下或為了閃避汽缸頭螺絲、水道、挺桿...等,必須將進氣道彎曲來妥協。直到最近,進口高輸出馬力引擎的設計者,才在設計汽缸頭時先設計氣道以達到最佳的氣流特性以及容積效率。而國內(作者那一國)的引擎似乎是將其他零件位置的重要性擺在氣道前,Big 3(大三?)的設計人員似乎只先考慮有足夠空間的鑄體可以擺氣道,至於氣道位置等其他汽缸頭零件位置確定後最後再來決定。部份原因是因為這些引擎都是比較老的設計,製造商想延長其生命期增加獲利。

在進排氣修改工程中,進排氣道一般都是以手工小心的改變其形狀尺寸,氣道被加大、拉直、流線型化,以降低pumping loss造成的阻礙,以及降低氣體的亂流來盡可能的增加流速。

 

 

氣道直化(拉直)的過程中,大部分是用目視的方式以die grinder(可以拿在手上的那種小砂輪)和鑽頭來做出直線,拉直就可以去除那些產生亂流的彎曲處,雖然對此規則而言有少數的例外,但大多情況下可視為一個通則。此過程必須依靠大量的手工來完成如上述利用die grinder來去除切削痕、沙模鑄造的凹凸不平、以及工廠量產時碰撞的傷痕。有時甚至用CNC車床來處理那些比較受歡迎(量大)的引擎。雖然這工程對馬力有很大的好處,但一般都不會由工廠(製造商)來做,因為需要大量的手工以及高超技巧的技工,成本太貴了。

進排氣修改和其他改裝一樣,也有其限制,有時可能會把洞挖太大了,業餘的改裝者用氣動的grinder很容易就把動挖太大,大到像荷蘭的隧道(比別國的寬嗎?)。大的氣道可以通過大量的氣體,但是光有大量的氣體不會產生大馬力,相同氣體量的需求下,大孔徑的氣道會有較低的流速,一道固定質量的流體流體在較低流速下會有較少的慣性(inertia)和較少的位能(potential energy)(註:這邊作者應該是弄錯了,正確的說法應該是有固定的慣性,較少的動能),可能就失去衝擊進氣效應(ram effect靠氣體流動本身的動能將氣體盡量填充到汽缸裡),這個效應在低轉速時氣體完全充滿汽缸以及高速時的的最大容積效率都很關鍵。

低轉速時氣體的不完全填充會造成差的低轉馬力以及油門反應,將氣道挖太大的症狀就是沈悶的低轉速表現或是高馬力只會產生在很窄的轉速域,並伴隨著粗糙起伏不定的怠速。

化油器或節流閥體噴射供油(throttle-body fuel injection)的引擎,若有挖太大洞的情形,低流速或甚至停滯的氣流會造成噴油的問題,伴隨著引擎的反應呆滯。大致上,一顆進氣挖太大加上大角度凸輪的化油器引擎,在低轉速會幾乎無法起步。而且挖太大也會減弱汽缸頭的機械強度而造成彎曲,會時常衝掉汽缸墊片甚至汽缸頭直接裂掉。

有效率的進排氣修改,主要的訣竅就是將「吸管」加大到可以解你的飢渴,而非加大到連吸一口到嘴巴裡都有困難的地步,這是一個不是很好理解,技巧、藝術與科學的組合,並沒有死死的工程準則可以應用到所有的汽缸頭,每一種形式的汽缸頭反應會有一些差別。

為了真正了解一顆特定汽缸頭的最佳進排氣形式,設計人員花很多時間在流量台(flowbench)上,去探索有哪些技巧可以使汽缸頭增加最多的流量,大多是利用嘗試錯誤法,而流量台是一種可以測量汽缸頭氣流量的機器。一個好的汽缸頭專家會試圖將氣道做到以最小的擴大得到最大氣流量,將流速放優先,他們也會將每一氣道進氣等量,讓每一汽缸吸進同量的空氣。而大多數好的汽缸頭改家(tuner),會有他們自己的秘密修改方法,可以找出具有小體積、高流速以及大流量的神奇口徑。在NASCAR、CART、NHRA和F-1的競賽中,進排氣形狀是一個隊裡的最高機密。

前面有提到,以目視來修改進排氣道的方式會比事先設計好,但這不永遠是最好的修改氣道方式,有一些與直覺相反的例外存在,必須經由流量台或馬力機的驗證,大缸徑短衝程且器門距離近的引擎常常比較喜歡用氣道方向偏向汽缸壁的形式,這樣可以避免在進排氣重疊時,吸進的燃氣直接衝向排氣孔。

低導入角(進氣道比較水平)的引擎會在進氣道靠進氣門座的地方做出一個凸起狀,將進氣氣流導向汽缸底部避免進氣氣流直衝排氣口,而汽門位置較靠近汽缸邊緣的汽缸頭則會將進氣道方向指向缸徑中心,避免進氣氣流沿著汽缸壁而下。這些對策都無法由神奇的公式或是經驗法則來預測,只有在流量台與馬力機前才能分辨出誰是英雄誰是狗熊,而這也是藝術超越科學之處。

另一個汽缸頭的重要觀點就是汽門的處理,信不信由你,好的汽缸頭改裝,其氣流能力的改進有50%可由汽門的處理產生,工廠裡關於汽門的處理就是汽門座的切削,例如與汽門密封的45度切削面,另外有時會對氣道出口接近汽門座處,做大略的切削,降低氣流對汽門的接近角。

這是有些車廠的汽門處理被稱為單角或兩角(不好意思不知怎麼翻),單角指的就是汽門座的45度角切削,2角就是汽門座45度切削面加上氣道出口的平滑切削(上一段的第二種切削)。在成本考量以及大量生產的環境下,沒有多餘的時間與金錢花在微小的細節處,就像多角的精確汽門處理。如果真的需要大進氣量,通常工程師會用比較便宜的辦法,使用大一點的汽門,較寬的汽門座比較能容忍大量生產環境下的誤差,即使汽門與汽門座的接面很明顯的對不準,但在車輛的使用期間內還可以維持良好的密封性。當汽門與汽門座磨損後,汽門會往汽門座裡『沈下去』的傾向,造成接觸面不吻合以及『汽門包圍』的現象。當汽門因磨損開始『沈入』汽門座時,較寬的密封接面也可以撐較久的時間。

高性能的汽門處理有三種角度的切削,加上汽門座切削兩面的平面處理。首先是氣道口切削(throat cut)一般大約在60-70度間,這可以讓氣流更容易轉換到45度的汽門座切削。第二道切削就是汽門座的45度切削(seat cut),這是與汽門真正接觸達成密封目的的地方,在高性能取向的汽門處理中,此一45度的接觸面會盡量做到最窄,只要能可靠密封,而且可以跟汽門上的切削角確實吻合即可。

量產引擎為了符合量產所需的大範圍的誤差容忍,此45度切削面必須做的比實際所需還寬很多,而在4汽門引擎汽門修改中,此汽門座切削面的寬度在進氣部分通常只有0.040 inches,排氣部分為0.050 inches,排氣部分比較寬是為了讓接觸面大一點有利排汽門將熱量散發到汽缸頭上。當此切削面做到最小時,可以降低因經過相鄰的不同切削面時氣流遠離切削表面效應所造成的阻力,如此當汽門開始離開汽門座時,氣流會有較大的空間可以較快進入汽缸。 第三道也是最後一道的切削叫頂切削(top cut),這一道切削緊接在汽門座切削之後,角度大概是20-30度,頂切削也是為了當汽門剛要離開汽門座時,避免氣流緊貼著汽門流過。

有時汽缸頭改家會做5角度的汽門處理,在進出汽門座切削的兩面加上更小角度的切削,使得由汽門座切削面進出的氣流路徑更平順.

有些汽缸頭改家覺得最好的氣門處理是圓弧汽門處理(radius valve jobs),這個處理是將5角處理中,與汽門座切削面兩邊相鄰的兩切削面以手工磨成圓弧,使得氣道壁到汽門座間的角度變化連續,氣流路徑的轉換會更順暢,這個工作需要大量的手工,所以非常貴,但有些汽缸頭技師堅決相信這樣做會讓氣流變差(而且有流量台測試為證),這是另一個藝術與科學衝突的例子。還有一個加強氣流順暢的技巧是在汽門背面相鄰45度切削面後加上一個30度的切削面,這也可以避免在汽門剛打開時,氣流緊貼著汽門背面而出,這一步驟在汽門揚程還很小的時候很重要。

另一個技巧就是縮小汽門背面汽門桿的直徑,只要縮小幾mm就可以有效的縮小汽門桿直徑,減少它擋住氣道出口的程度,但小心不要縮小過頭,那會降低汽門桿的機械強度。另外也可以在汽門背面做一些羅璇狀的研磨,這樣可以降低貼在汽門背面的氣流厚度,就類似高爾夫球上的小凹洞一樣可以降低表面的氣流阻力。

在低揚程時的氣流對於製造馬力是非常重要的,因為汽門停留在接近開啟關閉這些低揚程位置的時間較汽門全開的時間長,簡單的說,在一次進排氣循環的週期中,汽門全開的機會只有一次,但因為要開啟關閉,接近汽門座的時機有兩次。這是為何單單一個汽門處理對氣流及馬力的影響如此大。

不像大部分加大馬力的改裝會犧牲低轉速馬力來增強高轉速馬力,修改汽門影響的馬力沒有轉速的分野,高性能的汽門處理增加全轉域的馬力,不會有其他的犧牲或缺點,除了荷包以及有可能影響長期的耐久度,因為窄的45度切削面可能磨損比較快。雖然有些改家質疑這個論點,一般街車的氣門處理通常會用稍微寬一點的45度切削來提升耐久度。新的DOHC多汽門引擎因為使用無鉛汽油通常會有汽門座硬化處理,另外汽門彈簧的壓力也比那些老v8引擎低,所以汽門座磨損的程度很低,45度切削面的寬度對長期耐久度不再關鍵。

有時會將較大面積的氣門裝進引擎來增加氣流量,但這必須在研發汽缸頭時就用流量台測試,因為大的汽門有時會因為氣流貼著汽門背面流出而降低氣流量。汽門位置比較旁邊或燃燒室較深、缸徑小的引擎比較容易有此傾向,這是因為大汽門的邊緣會比較靠近燃燒室側壁,擋住了氣流進出進排氣口。

工欲善其事,必先利其器。很多汽缸頭專家使用類似鑽台的固定器具,以及不同椎狀的磨石來磨出不同角度的切削面,好的汽門處理是可以這樣做,但太累了,而且無法把每個閥都處理的完全一樣。優秀汽缸頭專家的一個徵兆就是使用鳥頭牌汽門研磨機,它是一台昂貴(50000美金)的機器,可以迅速做出精確、完全相同的多角汽門處理,它利用一個浮動式的轉頭以汽門導管來對準中心,可以確保切削面完全對準汽門的中心軸,而切削的深度也很好控制,鳥頭牌的機器可以輕易完成優異的氣門處理。

確實的切削角度數據和氣道形狀一樣,是很多汽缸頭技師和車隊的機密,這邊所提到的數據和技巧會因不同專家而異。要在近期(1996年以及之後)配備OBD2的引擎上成功的改裝汽缸頭,必須避免將氣道挖太大,因太大的氣道和汽門會使氣流流速明顯變慢,會容易在汽門重疊時引起回流(backflow or reversion),這會產生幾個問題。因為流速已經很慢,回流的徵兆在怠速和低轉速時更容易聽到,嚴重的回流會擾亂空氣流量計讀數,當流量計電壓上下波動超出obd2限制的範圍,就會產生故障碼。而大口徑低流速的氣道會使的配備高角度凸輪的引擎怠速更不穩定,這會造成曲軸角度感應器的讀數不規則,OBD2系統會認為點火錯誤(misfire)而產生故障碼。

不穩定的怠速也會使引擎的油氣太濃,造成含氧感知器在怠速時電壓偏高,這也會產生故障碼。被儲存的故障碼在做排氣測試時會有問題,看貴州的排放法規有多極權而定,有些州只要有一個故障碼,不管你的車排氣多乾淨都算測試不合格。

配備obd2引擎的正確改裝,必須密切注意保持整體氣道體積小,不要有大的像隧道一樣的氣道,只是一味的增加口徑就玩完了,小心雕塑氣道,增加氣流量而不影響流速是最基本的。而增加流量也可以藉由切削汽門和汽門座來達成,沒有產生故障碼的風險。

有些汽缸頭專家會改變汽缸頭上燃燒室的淬火區(quench zones),這是汽缸頭上與活塞在上死點位置時非常接近的一個平坦的區域,屋頂式(pentroof 將燃燒室頂部拱起可以容納較大的氣門,其東西南北四個斜面加上面就有五面)DOHC汽缸頭一般有4個淬火區,淬火區促成更完全的燃燒,還可在活塞上到上死點附近時將混和氣壓往火星塞,讓油氣遠離燃燒室邊緣,增加混合氣渦流降低混和氣自燃爆炸(detonation,其後果就是敲缸聲)的機會。這樣也可以減少靠近燃燒室邊緣混合氣的量,該處的燃燒比較不完全(就被浪費了),而被推的比較靠近火星塞的油氣會更容易點燃。當汽缸頭有更多的淬火區時,只需要較少的點火提前就可以製造馬力,因此熟練的改家可以將引擎改到更遠離發生detonation臨界的點,使引擎更耐用。

淬火區可藉由以手工銲接(welding)、研磨和重新塑造來增加淬火區的面積,將燃燒室做成像四葉幸運草(cloverleaf或類似高速公路交流道那種四個圈圈)的形狀,如此可以降低燃燒室體積、增加壓縮比同時還有效的增加了淬火區的面積,在壓縮時可以讓混合氣產生渦流,使燃燒更完全更平順,讓發生損害引擎detonation的機會降低。AutoPowerDesign的第六階段改裝就是一個很好的淬火區改裝範例,事實上AutoPowerDesign是將這種技術用來改裝四汽門引擎的先驅。

由修改汽缸頭所獲得的馬力是相當可觀的,像Acuras、Hondas、Nissans、Toyotas 和Mitsubishis的新款進口四汽缸dohc四汽門引擎,已經有相當好的新形汽缸頭,即使做很很多的汽缸頭修改工作也只能增加10-20hp馬力,而國產的引擎有時可以增加到50hp,更老式的挺桿式(pushrod)v8因其差勁的氣道設計以及粗糙的生產技術,經過良好的汽缸頭修改,可增加超過100hp的馬力。

我們希望這篇入門文章可以盡量解釋讓你知道幫你修改的專家做了什麼或是應該做什麼來賺取你的辛苦錢,嘗試介紹一些經常被用來修改汽缸頭的技巧,只有少數硬頸的狂熱份子會踏入修改汽缸頭的冒險過程,但如果你已經到了大多數人的邊緣,這將是迎向更多馬力關鍵的一步。

你的汽缸頭導師(guru)可能認同或不認同一些這編列出的規格,這些列出的數據只是給你一些指引,讓你知道幫你修改汽缸頭的人在做啥,讓你有能力向他們問適當的問題,或判斷他們做的好壞。如果有疑惑,可以要求類似成品的流量圖表(flow chart),或問一下其他覺得滿意的顧客意見。雖然大部分汽缸頭技師不會給你確實的數據,但他們會很樂意向你展示他們作品的流量圖表.

 

 

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