引擎腰下強化術LESSON 4.波司 小零件大關鍵

▲強化波司的意義大概可以分成兩點,第一點就是可叫原廠材質多撐一下與曲軸的親密接觸,第二就是表面上會施以特別處理,提高機油在上的抓力,確保潤滑度。
 
不知道讀者們對於英文有沒有認識,我們一般常說的波司其實他的英文就叫「Bearing」,沒錯對於內燃機的運轉來說,波司就是一個「培林」的功能,大小波司就是介於連桿與缸體間,上下包覆曲軸的一個小零件,基本上大小波司在內燃機運轉時,會有一道油膜在其中潤滑,因此波司是不會與引擎曲軸做任何身體上的接觸。
 

小波司:介於連桿與曲軸間
大波司:介於連桿與下半座鋼體間
 
而我們都知道引擎在壓縮爆炸時會有一股下壓力產生,也因此我們對機油的選擇及更換時期會特別注意,就是為了確保油膜抗剪力強度,因為一但油膜無法提供強度,只要一瞬間波司接觸到了曲軸,就會導致引擎毀損,那強化波司的意義其實就在於,可能可以比原廠波司多容許接觸曲軸一下而已,所以波司的強化真的就是見仁見智,更重要的是Tuner在安裝時,是否有認真的去丈量連桿與曲軸,及缸體與曲軸間的間隙,為什麼很多本田車改渦輪後還是維持原廠波司即可,那就是引擎的精度夠高,原廠波司的規格多如山可選擇。
 


▲波司的安裝許要先丈量每個零件上的數據,接著才可以去選擇適合的波司厚度,畢竟零件製作上難免會有公差,這個步驟是無可避免的,不然只是照著原廠手冊走,引擎的耐用度相當堪憂。

引擎腰下強化術LESSON 1.活塞 強化中的基礎

下半座中最直接跟燃燒有關係的就是活塞了,而活塞本體也成了下半座中對應對輸出最直接的關鍵,活塞本體除了要承受不間斷的往復運動外,並且需要承受空氣、汽油及壓縮後產生的高爆炸力,因此活塞需要兼顧強度、韌性及良好導熱性,當然如果重量能夠輕一點,往復運動時的阻力自然減少,相對的可降低連桿與曲軸的負擔。
 

鍛造活塞的選擇真的相當多,除了上述的材質上的差異外,相當多大牌子也會因為鍛造次數的不同,推出較便宜版本的副牌給消費者選擇,當然這些東西並非不好,最重要的還是要看「您要什麼︖」。
 
而許多性能迷在提升動力同時,最先考量的下半座強化就是更換「鍛造活塞」了,不過鍛造活塞其實也是有分很多種類的,除了鍛造的次數及材質都會有所影響外,像過去速霸陸的紅頭引擎的原廠鍛造活塞,在後期也都全數更換上重力鑄造材質,並且宣稱較原本的鍛造品擁有更好的強度。
 
 
我們來細分一下,先不考慮鍛造次數單純以材質來看,市售的鋁合金改裝鍛造活塞可以分為「2618」及「4032」兩種材質,其中最大的不同就是「矽」含量的差異,大馬力的渦輪增壓車由於燃燒溫度高、爆炸力強,因此一般換建議使用2618鍛造活塞,2618的矽含量較高,膨脹係數較高,除了可擁有鋁合金鍛造的高密度特性外,延展性對於抗暴震時的能力更好,也因此被許多重改渦輪車所喜好,不過也別擔心膨脹程度的多寡,這類的鍛造活塞原廠都會附上一張係數表,好讓Tuner在組裝時可確保間隙多寡。
 

▲其實並非所有的活塞都是一體成形銑出來的,有些因為成本考量,會使用上下兩種不同材質做銜接,不過市售改裝鍛造活塞則全部都是鋁合金鍛材做出。
 
另一種4032鍛造活塞屬於偏硬的材質,膨脹係數較低,這類的產品相當適合高轉速的自然進氣引擎,又或是低增壓的渦輪車來使用,如果以矽含量來看,4032較2618多出了15%左右,而很多性能車上所搭載的原廠鍛造活塞則是高達20%以上,過硬的活塞也因為延展性差,自然就容易產生脆裂的問題。
 
▲鍛造活塞多半會在刮油環(最下方)的凹槽鑽上較多較大的小孔,來加強內循環獲得更高的冷卻和潤滑性能,而且活塞最脆弱的側邊,其能耐住25m/s以上的移動速度(鑄造品至多19m/s),所以高轉速的引擎絕對要用到鍛造活塞。
 
▲一般從外觀上就可辨別所謂的凹頂或是凸頂活塞,以相同的燃燒室容積來說,這些高度上的差異就會有如此大的壓縮比改變。
 

▲第一道:氣密環
第二道:氣密環
第三道:刮油環
多數房車活塞環都有三道,上面兩道是防止竄氣的氣環,最下面一道是控制汽缸與活塞間機油量的油環。
 
▲很多品牌都可以依照顧客需求去訂做活塞的形式,相同插銷高度來說,活塞側裙愈短又或者是面積愈小,可以降低更多運轉阻力有利高轉速,但也可看到第三環的寬度受限。

引擎腰下強化術LESSON 2.連桿 支撐下壓的關鍵

▲可以看到這支連桿上下結合的地方是呈現閃電的不規則狀,這個加工技術是目前最困難的冷鍛切法,透過類似古法蓋房子,利用凹凸去增加上下的結合抓力。
 
活塞下方連接的長條形物體就是所謂的連桿,作用是讓曲軸、活塞能夠連動,它的大致要求和前者一樣,質輕且強韌的鍛造品也是最佳選擇,不過由於連桿無論是H斷面還是I斷面都是一根長條狀,雖然強化皆是鍛造品優先,不過連桿的材質會是以更強悍的「4304」鋼材,而某些高轉速、高出力的市售車則會選擇上鈦合金材質,鋁合金鍛造則是在工廠賽車上較能看見,但這些廠車都必須固定拆卸引擎做丈量,高汰換頻率並不是一般人可以負擔的。
 

▲連桿礙於造型上的關係,中間部分的強度一直都是強度上的關鍵,除了材質上的注重外,材質相同下I、X、H也分別有不同的抗壓力,像是高轉速NA車則是I居多,而大馬力的渦輪怪則是H強度較佳。
 
強化型連桿還有一個特點,那就是皆是一體成形打造,最後才會因為需要與曲軸固定施以切割,如此一來上下結合時的表面才會完全密合,與原廠上下分開不同模具製作不同,因為在怎麼樣去注意也難免會有些許公差。另外,進行連桿的強化還有一種方式,即是將其上的顆粒和銳角處打磨光滑以降低金屬疲勞。
 
 


▲由於銅的含油量較好,因此用來作為與活塞插銷間的材質,多半都是靠往復時甩油來潤滑,有些連桿則是會在內部開孔,好讓機油可以更確實在正確位置。

引擎腰下強化術LESSON 3.曲軸 運轉順暢的精華

這個部位可說是整個下半座零件內最精密的部分,也是將爆炸動能轉換成扭矩的重要零件,除了負責內燃機往復運動是否平衡外,由斧頭端帶起的機油,噴灑到活塞插銷或是汽缸壁上等過程,都是曲軸的工作,也是往復運轉是否能持續的重要步驟,也因此可以常聽到「曲軸平衡」,又或著是「曲軸WPC處理」等關鍵性字眼。
 

▲鍛造曲軸的價格可是相當相當昂貴,一般來說佔了整個強化腹內中至少一半以上的價格,這是因為鍛造成型之後還需要施以相當多的步驟才能販售。
 
至於曲軸的材質基本上與連桿相同是採用「鋼材」,常見的賽車曲軸會把斧頭造型的軸葉部,削得既薄且尖銳,雖然此法能降低突破機油的轉動阻力,並達成徹底輕量化,但這樣卻有軸葉剛性不足、甩油量較少易傷到活塞裙的問題,也因此所謂的WPC處理又或是氮化處理等加工方式才會紛紛出爐,這些都是為了增加曲軸本體的含油量所做的處理,不過市售車的改裝曲軸依舊是不會做得如此誇張,畢竟曲軸的重量還是要考量到活塞及連桿的重量去搭配,想想看要是引擎內部機件的下方比例輕過上方,無法有效吸收引擎內部運轉時的震動,在活塞上下擺動瞬間,便有可能會讓活塞發生劇烈晃動而發生損壞。
 


▲鍛造成型後的曲軸,接下來就是直接送去CNC削切出需要的外觀,最後才會依照等級去做WPC或是氮化等表面處理。
 
▲這個就是速霸陸水平對臥引擎後期採用的鎢鋼曲軸,也就是表面經過Nitride的氮化處裡,可以增加鋼材內的含油量,確保運轉時更加無阻力。

引擎腰下強化術LESSON 5.本體 水道材質都是關鍵

▲這個就是所謂的缸套,一般會用在重度改裝的鋁合金引擎上,主要目的就是強化水道與缸壁間的強度,當然輕度的還有所謂的塞入圓柱及金箍環,也都是常見的強化方式。
 
過去常常會有聽到,EVO或是2JZ這種鑄鐵下半座引擎的耐用度很棒,大家試著想看看一下,引擎在運轉時所承受的扭動力道會有多大︖大馬力的鍛造引擎,其排氣溫度更可能會有逼近攝氏千度下,時間一久就算是鑄鐵本體也會發生「變形」的情況下,小幅度的能就是鎖點稍有間隙,大幅度則是可能連汽缸壁都會產生間隙,因此許多鋁合金開放式水道設計的引擎下,通常在施以一倍以上動力提昇的同時,都會有不同的對應方式來施以強化。
 

 
這個問題其實原廠也都知道,像是鯊魚的EJ系列引擎,也從GC時代的全開放(92年有全封閉但後來取消),演變到GD時期的半封閉水道,為了就是確保鋁合金本體的強度,不過當科技的進步,電腦控制愈來愈強,動力的製作也愈來愈狂,很多車主都會選擇送到國外去打缸套,但缸套的製作需要先施以破壞才有辦法植入,兩者不同的材質只能用塞入無法固定,因此缸套與本體上下位移的情況也偶而會聽見,所以才會有現在貴得要命的CNC鍛造中缸,除了強度足夠外,也不會有鑄鐵材散熱交換較差的情況發生。
 
▲強化缸套的做法首先要將原廠的缸壁破壞掉,接著再將缸套塞入其中,這個部分的塞入方式及公差怎麼抓,都會影響日後大馬力驅使下的高溫及震動,會不會造成缸套上下位移的可能。
 
▲可以看到汽缸壁上下及左右都有銜接在本體上,這個就是速霸陸EJ引擎在使用的半封閉水道,是兼顧強度及散熱的做法。
 


▲很明顯的剛剛本來簍空的水道已經被鋁合金全部填滿,這個就是所謂的全封閉水道,一般缸套植入後就會變成這個樣子,但下半部的還是會保留冷卻水的流動。
 
▲現在最頂級的下半座本體就是直接用鋁合金鍛造素材,透過CNC加工銑出成品來,這樣除了本體密度更高外,更可消除原本引擎設計上的缺點等等。

引擎腰下強化術LESSON 6.墊片 上下座銜接關鍵

▲先用摩托車單汽缸的石棉汽缸床墊片來看,可以看到中間圓圈負責氣密的部分還會特別押上金屬確保其耐用度。
  
由於燃燒室是一個密閉的空間,而引擎上下座結合時就需要一個偏軟材質的物體介於其中,在上下半座固定時將燃燒室與外界空氣,及冷卻水進行所有的隔絕,薄薄一片卻無法被忽略的小東西就叫「Gasket汽缸床墊片」。
 

▲目前很多汽車的石棉汽缸床墊片,都會在燃燒室圓圈部分特別施以金屬強化,滿像是排氣管墊片的設計方式,在成本控制及耐用度上得到最好的平衡。
 
這個小傢伙雖然真的就是薄薄一片,但也是引擎內相當重要的一個環節,如果材質不好無法抵抗燃燒室的高溫,那冷卻水就沖出直接混合到機油,及造成上半座表面在高溫狀態下,因冷卻水蒸發壓力的擠壓而變形,這就是所謂的平面跑掉引擎沖掉。
 
▲其實不僅是石棉材質,金屬材質的墊片在長時間的空燃比異常下也是會導致穿孔,這個是很誇張的照片,有的連肉眼都難以發現的小孔,都會導致冷卻水竄出讓整具引擎毀損。
 
像是SR20DET引擎的原廠墊片就是所謂的石棉墊片,在提升增壓值的場合下,就可能無法對抗更高的溫度,如果空燃比稍有異常就換造成損壞,所以重度改裝車都會換上純金屬墊片來預防這個問題,當然也有很多原廠墊片就是金屬材質,而這類的車對於墊片的用法又不太相同,通常會利用墊片厚度去改變壓縮比,達到動力設定時需要的最佳壓縮比。
 
▲這種黑黑亮亮的就是金屬材質的汽缸床墊片,雖然比較耐用,但除了上述的空燃比問題外,汽缸的平面也是需要經過處理,才有辦法達到完全密合,不然換上去也是「了然」。