耐用、穩定至上！引擎下半座強化術！

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2016.10.19　作者：文/圖˙編輯部責編˙Grand 　

文/童國輔

在自然進氣引擎改裝過程中，引擎上半座的改造雖然能立即突顯馬力上的增幅，但要真正延長引擎壽命，並延後引擎轉速的極限，就須仰賴引擎下半座的強化，包含：活塞、連桿、曲軸到引擎本體等，全都涵蓋在此範圍內，如果上半座的改造是在練武功招式的話，那下半座的強化就是在練內功，有深厚的內功底子，才能發揮所有武功招式的真正力量，否則很容易走火入魔的，也就是所謂的「爆缸」！

下半座改裝首步

鍛造活塞品使用

要想使引擎可產生更大的動力，大原則便是必須引入更多的空氣，以及有足夠的壓縮壓力燃爆，而NA引擎在這方面沒有增壓器的助陣，那麼便只能在自體上下工夫，一具引擎把它拆開可以分為汽缸頭和本體兩大部分，前者涵蓋了吸排氣與燃燒的效率，而後者則攸關於實際容積、強度、平衡性甚至是輸出反應，上半座部分已於上期探討過，接著我們再從下半座的改造開始談起。

改裝活塞的要求是在於輕量化和強度，這方面以鍛造製品的特性最為符合，左為鍛造活塞、右為原廠活塞，圖中可以清楚看出鍛造活塞在固定活塞銷的底座面積較原廠大上許多。

說到引擎腰下的改裝，讀者第一個可能聯想到的是加大排氣量，其實這個地方觸及的東西很廣，就好比此處的構成組件大致有活塞、連桿、曲軸、波司、缸體五項，每一項零件都是環環相扣，所以並不如大家想像中的單純。首先不斷被往復壓縮並承受高爆炸力的活塞，除了要具備足夠強度、良好導熱性、低膨脹率等特點以外，它的重量也是愈輕愈好，如此才可減少連桿、曲軸的負擔，甚至是和缸壁間的磨擦耗損，使引擎運轉輕快而提高反應與輸出，這當中自然是以鍛造製品最符合這些要求。

按活塞的構造來看，其頂部形狀也直接關乎到壓縮比的大小，愈凸壓縮比會愈高、平或凹面則較低，自然這還得避開氣門和凸輪伸程的作動量，在上死點時不能相抵觸到，事實上當進行壓縮比增減的設定時，正確應該是更換對應的活塞才是。另外，值得大家注意的一點是，改裝用的鍛造活塞多會在刮油環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。

活塞的頂部形狀直接影響到壓縮比，此顆活塞為渦輪引擎專用，因此頂部呈現凹狀，而下端的裙部長短、厚度則和行程、出力大小有關，F1引擎的活塞裙約只有市售車的一半，用意即在減少不必要的磨擦。

連桿重最細斷面

波司需減少磨擦

活塞之下接續的連桿，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。需要承接下推和扭曲力的連桿，在高轉高壓縮狀態亦有中間最細處彎折、斷裂的危險性，因此大改車很多會更換加粗的H斷面連桿（一般為I斷面）。通常高性能的連桿同時會用到全浮式活塞銷，其特性是活塞、插銷、連桿小端三者間都有自由間隙（兩側需加裝C形卡環防止活塞飛出），用手即可輕鬆組裝，這比起原廠件常用到採強力壓入的一體型半浮式活塞銷，在減低磨擦的表現上要高出許多，轉速上升的順暢度與極限當然會有所進步。

左邊為鍛造H型連桿、右邊為原廠I型連桿，不論是直徑或斷面強度，都是以H型連桿較佳，抵抗直下的力量非常不錯，且H斷連桿的旁邊還會再做凹槽，藉此以減少重量和增加機油的運送。

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，研磨時最好順便把每只的重量誤差抑制在1克以內（以重量最輕的當基準），這樣也會有較佳的配重，其實活塞的改裝亦應該秉持這個原則，但作業時務必要加入插銷並於內側施行。這裡或許有人會發問，下半座機件的改裝有沒有順序？答案是要從活塞依序往下，畢竟活塞身處於整個慣性機構之首，由此著手效果最大且不至於影響到總體平衡性。

這張圖是E92 M3的活塞連桿圖，現今多數新世代引擎的連桿製造時，都會先整支製作完成後，再採用冷凍切斷法來分離上下端，特徵為結合面為不平整表面，用意在提高上下端的密合度，進而提高該處的強度。

NA引擎在以延後轉速來提昇馬力時，還有一個要務是在於連桿大端內和曲軸相連的「小波司」，以及曲軸軸頸部「大波司」的強化。負責的是軸承任務的大、小波司，在此不但要有應付高溫高壓的耐久性，本身也需具備能減少磨擦損失的能力，這兩者基本上乃是相輔相成的，因為減低磨擦力就會降低溫度，像本田性能化的B18C-R、B16B引擎，配置的波司寬度亦比一般的雙凸VTEC窄，而日本Power Enterprise社所發展的F1 Black Metal，更是藉由表面覆蓋鋸齒錐狀物來達到性能訴求，這些都是實際的例子。

重視性能的大、小波司組，不外乎要具備降低磨擦、工作溫度的能力，像圖中的日本Power製F1 Black Metal，除了是採三層合金的組合以外，表面更加上了鋸齒錐狀的覆蓋層。

曲軸平衡性為重點

加長行程由此下手

下半座最後一個零件也是將爆炸動能轉換成扭矩的曲軸，要求的重點主要是平衡性和強度，一般都是拿原車的製品下去加工較多，由於現今汽車的馬力愈來愈大，原廠曲軸已鮮少見到舊式的半平衡型（一邊軸葉面積只達一半），取而代之的是各組軸葉對稱的全平衡式樣，如此對於再平衡的工作非常有利，唯一缺點便是重量較高。改造曲軸時的步驟，大約是先做鏡面處理來分散應力，然後再將軸葉刃端稍微磨得尖利些，以取得破油降低阻力、輕量化和減低軸頸負擔的功效，最後就是上動態平衡機進行精密配重（最好連同飛輪一起），這亦是高轉速的一切基礎；如果是應付動力大幅提昇的引擎，那麼還需把整支成品送去表面硬化處理，才可以全然提高堅韌的程度。

曲軸軸葉上的鑽孔是用於配重，而軸頸部的凹穴是保存機油來潤滑波司，此零件的平衡性可說是高轉速的一切基礎（圖為E92 M3原廠曲軸）。

至於曲軸的改造幅度上，街車並不能像賽車一樣，把軸葉部削得既薄且尖銳，雖然此法最能突破機油的阻力，以及可達成徹底輕量化，但這樣還有軸葉剛性不足、甩油量較少易傷到活塞裙的問題（注意賽車曲軸為鍛造品且配置乾式油底殼），此外我們的活塞、連桿也無法做到那麼輕，想想看要是往復機件的下方比例輕過上方，上下擺動瞬間必然會讓活塞發生劇烈晃動而損壞的情形。

曲軸負有上下動能轉為旋轉動能的大任，不只須承受直向的擠壓力，還需兼顧旋轉時的動態平衡，想要突破原廠所設定的轉速限制，曲軸強化是不可缺少的項目。

進行引擎下半座的改造，最能展現Power的即是增加排氣量，汽缸容積的大小乃是由內徑和行程決定，其中加長行程一項就是取決於曲軸，當然，加長行程用的曲軸勢必得採整支鋼料削出的套件，或者是有通用零件可更換。

行程的加長是取決於曲軸主軸頸至連桿大端的距離，此處增長之後相對也要縮短連桿的長度，或者是上移活塞銷的位置降低高度，其中後者亦屬於最正統的方式。

加大缸徑留意間隙

各缸距離關係強度

加長曲軸行程即等於增加了活塞往復移動的距離，因此還必須要改變到活塞、連桿的長度，以避免發生凸出汽缸本體的問題，這方面常見的有縮短連桿距離（小端至大端中心點）、降低活塞高度等手法，但正統還是要降低活塞位置（例：曲軸增加2.0mm，活塞銷中心應上移1.5mm，如此活塞就只超過平面0.5mm為正常範圍），單純縮減連桿的缺點是易使活塞銷偏心，同時活塞裙的側壓亦會增大。引擎能夠加長行程的限度，是受制於缸體的高度和活塞移動速度兩項，在相同轉速下長行程的活塞移動速度會比短行程快，此刻活塞的強度若不足以應付，當超過界限引發油膜破裂就會「爆引擎」了。

透過直入缸套的方式來強化引擎下半座，不只可拉長缸徑加大排氣量外，汽缸的整體強度也會好上許多，是最終極的下半座強化術。

和排氣量有關的另一個汽缸內徑，目前由於多數車用引擎的本體較小，相對缸壁亦變的較薄，可擴增的缸徑限度是越來越小，能增加個1至2mm已屬很大的範圍，可是這最好要隨之擴大，以和加長行程間取得運轉的協調性，而且較大的活塞面在壓縮時也能增進瞬間爆發力，所以連那0.5mm都是要爭取的。施行搪缸的工作時，第一個就是測量出正確的活塞直徑，一般是量最寬的地方約為裙部上方一點點，再來則是設定適當的汽缸間隙，這便要視活塞的材質和設計而定，像膨脹係數低的鍛造製品，其間隙就必須比鑄造活塞大一些（鑄造0.02～0.03mm/鍛造0.05～0.07mm），通常按規定的最小範圍實施最為保險。

透過直入缸套的方式來強化引擎下半座，不只可拉長缸徑加大排氣量外，汽缸的整體強度也會好上許多，是最終極的下半座強化術。

當確定好擴大缸徑的數據之後（活塞徑+間隙），正規的搪缸是要在缸體頂端鎖上和汽缸頭高度相同的鋁塊和墊片進行（假汽缸頭），來達到模擬實際環境的加工要求，現在專業級的都是使用高精度的電腦搪床施工，以確保真圓度並將誤差範圍減少到2μ（0.002mm）以下。

新世代引擎為減少占用乘坐空間的問題，體積愈做愈小，各缸間的排列也愈來愈緊密，如此也使得後續搪缸的難度提高不少（因為已無肉身），面臨加大排氣量的場合時，只能從拉長衝程來取得。

NA改造可說是吃力不討好的動力強化術，不過完成後的線性出力模式與平衡感，對於車輛操控是絕佳的夥伴，這也是為何BMW M-Power堅持NA引擎的原因之一。

容積加大升壓縮比

本體補強不可忘卻

在加大汽缸容積的改法中，另一種方式是流用原廠同系列大排氣量引擎的下半座，好比B16+B20的雙拼組合，這種方法要克服的就是下大上小搭配，所形成稜形頂燃燒室的過高壓縮問題（Gasket需使用大的一方），事實上增大排氣量本來就會連帶提高壓縮比，這從公式（燃燒室容積+墊片厚度之容積+活塞頂凹部容積+排氣量-活塞頂凸部容積）÷燃燒室容積便可以驗證。前面講過增減壓縮比應由活塞下手，有的時候也可以研磨其頂部和燃燒室，末了以墊片厚度做最終結果的調整，採切削汽缸頭平面來增加壓縮比是很消極的。