強其心誌 淺談引擎腹內強化
原文發佈於2013-01-17
曾經有讀者在某篇文章的評論中留下這麼一句話：「就喜歡看無敵網的這種（暴改改裝車案例）文章，現在腹內強化的改裝案例太少了。」這一句話將筆者帶回那個盛行中缸強化的年代……那時候三菱EVO還是純手動，久經考驗的4G63鑄鐵引擎、斯巴魯的水平對置渦輪增壓引擎EJ257橫行，Cosworth、HKS、Jun、CP等一眾專精腹內強化的品牌都有一席之地，450匹輸出才只是一道「准入」門檻。然而市場上有更親民的車型可供選擇，很大一部分玩車人的心態也隨之而變了，對高性能的理解也多了一個代步、買菜的前提。代步、買菜的車基本上跟深度改裝無緣了，因此腹內強化這種深度改裝車的指定動作，瞬間被套餐式的快捷動力提升手法，搶佔了市場的聲勢。的確，如果馬力提升幅度難以超越某一個程度，例如受到變速箱限制，或者噴油嘴流量等硬體的局限，不必進行腹內強化也可以達到想要的效果。然而，腹內強化始終憑藉「壓榨引擎本體最後一點潛力」的能耐，站在動力改裝手法以及店家改裝技術的象牙塔。
重溫一個眾所皆知的道理，車廠在設計一輛車的動力系統的時候，會以較為保守的調校，來換取更高的穩定性、更經濟的油耗、更低的排放水平，以及更少的故障率，因此可以認為引擎本身是被車廠封印了一部分潛力的。而如果我們以木桶原理來看阻礙引擎解放大馬力的那塊短板，依次會是：排氣系統、進氣系統、點火系統、ECU調校、配氣正時……最後才是引擎腹內零部件強度、引擎本體強度，所以引擎本體強化才被奉為動力改裝的最終章。引擎本體強化大致可以分為兩大部分，一是凸輪軸室，二是引擎中缸。凸輪軸室的強化主旨是優化引擎的配氣機構，強化充氣效率，而引擎中缸的強化重點就在於曲柄連桿機構的強度，能否抵受突增的爆炸力，令爆炸力可以穩定地轉化為曲軸的扭矩，本文會從中缸強化入手。
要說鍛造的優點，相信大家都是信手拈來了，輕、硬、精度高，這對於運作精密度要求很高的內燃機來說，自然是優勢盡顯。而同樣因為鍛造的成本高昂，鍛造部件的售價不菲，鍛造部件需要在馬力提升幅度非常大的時候，才有比較可觀的投入產出比。例如本田改裝專家Spoon所製作的Completed Engine，輸出比原廠引擎有一定提升，發力平順，而且耐用，但Spoon的工程師只對引擎原厂部件進行重新精細加工，重新做配重定量，因為對於自然進氣引擎來說，不經過大幅度的改裝，鍛造部件也發揮不出應有的性能。
即便引擎強化廠家強調其強化部件是「鍛造」的，但由於曲柄連桿機構中不同部件的形狀，複雜程度不一，活塞、連桿以及曲軸的「鍛造」程度也有分野。活塞是「鍛造」程度最高的部件，以整塊鋁錠鍛造出活塞頂部的大體形狀、活塞裙部、活塞底部以及活塞銷的基部，之後再以CNC精細加工活塞頂部、活塞銷、活塞環槽、油孔等部分。連桿的鍛造程度較活塞為低，大致鍛造出連桿體、大頭小頭的大致形狀，然後就會送入CNC進一步加工出連桿斷面形狀、切斷大頭、精加工大小頭內表面等。而曲軸的鍛造，「鍛造」的只是用以加工曲軸的鋁錠，一根粗而長而硬的大柱子，然後就將整根大柱子放到各個工位上進行切割加工，逐步加工出曲軸的形狀，不過由於鋁錠本身是鍛造而成的，所以力學性能天生有優勢。
圖：擁有一套全套鍛造的腹內強化零件，可以說是眾多性能玩家的夢幻逸品。
圖：借用同事的「煙灰缸」來解說，從圖中可以看到，活塞頂部是直接鍛造加工而成的。
圖：活塞底以及內部亦是整體鍛造而成，確保金屬微觀流線符合活塞受力分布，CNC二次加工活塞表面。
圖：這一面就幾乎全是CNC精加工的痕迹。
圖：鍛造連桿的毛坯件，可以看到連桿已經基本成型。
圖：沒錯，這是曲軸的「嬰兒時期」，整一根鋁合金是鍛壓而成的。
圖：滾刀銑出曲拐和平衡陀。
圖：這就是曲軸的雛形，在經過進一步的加工就會成為我們看到的形狀了。
大家都知道，燃燒室的空間是同時由氣門室和活塞頂部組成的，因此活塞頂部在一定程度上決定了燃燒室的形狀，也決定了發動機的燃燒狀態。我們可以看到大多數鍛造活塞的頂部都有誇張的造型，有的是凸頂有的是凹頂，他們之間的區別就在於如何改變發動機的壓縮比。壓縮比是活塞處於下止點時氣缸的容積，與活塞處於上止點時氣缸的容積的比值，後者也就是燃燒室容積。那麼顯而易見，凸頂活塞會大幅度地降低燃燒室容積，即提高壓縮比，反之凹頂活塞則是降低壓縮比之用。提升壓縮比比較好理解，壓縮後的缸壓越高，化學能轉換為機械能的效率越高，因此對於自然進氣引擎來說，提高壓縮比是提升馬力的終極法寶。至於降壓縮比，其實也是為了提升缸壓，因為它是為增壓引擎準備的。增壓引擎會將高於一個大氣壓力的空氣泵入氣缸，因此其壓縮比會比自然進氣引擎為低，來避免燃油混合物在壓縮過程中由於壓力過大溫度過高而爆震。凹頂活塞是為了適應渦輪增壓引擎改用更大的增壓器，將增壓值調至更高而設的，降低壓縮比就可以延遲爆震的極限，或者說在同一個爆震極限下，容許更高的進氣壓力，也就是更大量的空氣可以參與燃燒。
圖：凸頂活塞是自然進氣引擎專用，凹頂活塞則是渦輪增壓引擎的最愛。
H斷面連桿和I斷面連桿，誰比誰強？這是個千古難題，事實上在材料力學裡面，H斷面跟I斷面是同一種結構，假設將H斷面的兩「豎」縮短，一「橫」拉長，再卧倒90°，就是I斷面了。只是我們為了區分不同形狀的截面，才起了H跟I的名字。I斷面指挖空部位平面與連桿主平面重合，H斷面指挖空部位平面與連桿主平面垂直。一般認為，I斷面連桿加工難度較小（因切割深度小），H斷面加工難度大（因切割深度大）。因此對於主要是鑄造工藝製作的原廠連桿，更多的也是採用鑄造工藝較容易實現的I斷面。至於比誰比誰更強就要看廠家的設計具體情況具體分析了。不過從力學的角度來看，如果以同樣厚度的材料，H斷面結構運用在連桿上，其抗彎曲的性能更佳，但材料的量比I斷面要多。可以這樣提出一個結論：H斷面連桿，其強度提升潛力相對比I斷面連桿要大，只要加寬兩「豎」即可大幅度提升其受力方向的剛性，而I斷面則輕量化潛力更高，因為主要偷輕都在其受力的中性部位（也就是幾乎不受力的位置）。即便是F1引擎，也無法在兩種設計之間明確站隊，乾脆就做一根H和I斷面混合的連桿，同時取I斷面輕量與H斷面剛性大的優點。另外特別介紹一下「X」斷面連桿，造型絕對拉風，也可以說是H和I斷面的一種混合，力學特性要根據X的形狀而定。
圖：左上是F1引擎連桿，右上是H斷面連桿，左下是I斷面，右下是X斷面。
圖：H斷面連桿視覺上比較粗壯，是為了加強其受力強度。
圖：斯巴魯翼豹WRC賽車引擎的連桿曲軸。
中缸強化的「大件」毫無疑問是活塞連桿曲軸，然而肚內強化之中，決不可缺少強化軸瓦、強化螺絲等這些輔助性的部件。道理還是木桶原理，當活塞連桿曲軸都強化了，那麼與之接觸和摩擦以及固定的部件，其強度也要有同步的提升。因此絕大多數的引擎肚內強化綜合品牌，在發售一款引擎的肚內鍛造套件時，必定會配上強化的鍛造軸瓦、強化連桿大頭螺絲、強化曲軸箱固定螺絲等。
引擎裝配也是能否正常發揮強化部件的關鍵。在零件安裝之前，引擎的各個部件是不是做了無塵處理？裝配時有沒有考慮引擎的正常工作溫度而在一個恆定溫度下進行？各個零件之間的配合間隙，是不是遵照安裝手冊來調節，精度是不是可以達到個位數的C值？螺絲鎖緊力矩是不是用專用扭力扳手來鎖死？螺絲固定是對角鎖定還是順序逐一鎖定？對精密的引擎進行重新組裝本身就不是容易的事情，而對要壓榨出每一個部件極限的高性能引擎進行組裝，更是一樁如履薄冰的技術活。國內有能力自主進行引擎強化的改裝店有多少家？如果不算專業車隊，用手指頭都數的完了吧。
不過肚內強化部件並非萬能，引擎本體在某些時候也需要進行一定程度的修改，例如擴缸、封閉掉開放式水道等等。擴缸聽起來簡單，不就是將汽缸壁進行刨削，令其內徑擴大嗎？但大家要知道，擴缸用的刨削刀具下刀是不是準確，跟引擎本體定位夾具的精度很有關係。想像一下，刀具的運動方向是固定的，而其對工件切削的形狀，是由工件本身與刀具的相對位置而決定。而在國內，夾具的開發就是一個不小的軟肋，因此出現不少擴缸擴斜了，甚至擴成「大肚子」的例子，這樣的引擎，沒等上路，在磨合時就可以直接報銷了。
不少引擎都是採用開放式水道，令引擎的散熱性能更強，不過這樣一來，因為汽缸體部分相較於中缸本體，是處於懸空狀態的，只有在缸體底部才相連，那麼在燃燒室發生爆炸時，氣缸就會因為連桿的側向推力而左右搖晃（以氣缸排列線為前後參考方向）。水道封閉由此而生。「土辦法」是往水道內塞入金屬條，固定住缸壁與中缸本體，但受不同材質之間熱膨脹係數不相等的影響，金屬條有可能會令缸體擠壓變形。更先進的做法是安裝封閉水道套件，它僅僅是一個環，只封閉水道上部分，使汽缸體的上下部分都與中缸本體相連，有效增強其剛性之餘，也不容易導致缸體變形，同時對冷卻效果沒有太大影響。
圖：開放式水道求強化，怎麼辦？
圖：把它密閉掉唄！
要說腹內強化，這篇文章只能算是泛泛而談，這其中有太多的技術性的原理需要解釋了。所以筆者一直認為引擎本體強化，是眾多改裝手法之中，最有技術含量的，而對於有能力做此類型改裝的改裝店家，亦會看高一線。雖然在國外，做引擎強化的產品、服務的改裝商多如牛毛，但筆者更希望看到的是，能在國內湧現出更多有能力、有技術進行引擎強化的改裝店家以及品牌，一起複興國內的高階動力改裝。
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