为提高发机的动力性,要从增加发动机压缩比和排量两方面着手,内容主要涉及发动机的机体组、曲柄连杆机构、配气机构、进排气系统和燃油供给系统等。

改变压缩比的方法主要是减小燃烧室的容积,包括磨削气缸盖、在燃烧室内增加固定物、使用较薄的气缸垫、更换活塞的形式(使活塞头部与气缸盖围成的燃烧室的容积减少)、增加连杆的长度、增加曲轴的回转半径等。压缩比的提高会对发动机的强度产生影响。适当地提高压缩比,采用高辛烷值的燃料,可以提高发动机的性能。过多地提高发动机压缩比,会产生爆燃现象,对发动机产生较大的伤害,发动机的寿命会急剧缩短。

需要说明的是,采用了提高发动机的压缩比和排量措施后,往往要对相关零部件的材料和结构(包括制造工艺)采取相应的措施,以满足强度、轻量化及可靠性的要求。

1.机体组改装

(1)磨削气缸盖。适当地磨削气缸盖,可以使原先可能不平整的气缸盖得到修平,气缸盖平面度的极限是0.20～0.30mm,曲轴回转半径的极限值是0.30mm。因此,当通过磨削气缸盖来提高发动机的压缩比时,磨削的厚度不应超过两者的极限值0.30 mm。

(2)在燃烧室内增加固定物。在燃烧室内增加固定物是提高压缩比比较简单的方法。通过在燃烧室内固定占有一定容积的物体,使得燃烧室内的气体占有的容积减少,从而达到使压缩比增大的目的。

(3)更换较薄的气缸垫。气缸垫在燃烧室占有一定的容积,通过减薄气缸垫的厚度或者换用薄的钢制气缸垫(见图1-25),可以使燃烧室的容积减少,相应可使压缩比增加。

图1-25　减薄的气缸垫

(4)改装气缸套。增加发动机排量的方法有两个:一个是整体更换发动机;另外一个是更换发动机缸套来加大气缸的直径,然后更换一组加大直径的活塞。如图1-26 所示。

图1-26　更换缸套来增大气缸的直径

2.曲柄连杆机构改装

(1)改装活塞。更换活塞的主要目的是减小燃烧室的容积。更换制造质量更高的活塞可以提高活塞的强度、减小活塞的质量及活塞和气缸间的摩擦力,可以使活塞抵御更大的燃烧压力,往复运动会更顺畅。在高负荷时间较长时,活塞的运行可以更可靠。

活塞的改装主要指选用高压缩比轻量化活塞,如图1-27 所示。活塞可以选择铝合金、铸铁和钢3 种材料。

图1-27　高压缩比轻量化活塞

活塞毛坯制造的方法主要有铸造、锻造和液态模锻等。液态模锻制得的毛坯组织细密、无铸造缺陷,可以实现少缺陷或无切削加工,使金属的利用率大为提高。现代的活塞设计主要有铸造和锻造两种,而铸造比锻造简单并且便宜,但无法达到锻造活塞承受的较大的热度和压力。一般的改装是不需要改变活塞的结构形式和材料的,但是一些重度的改装就涉及要用锻造活塞代替原装的铸造活塞。如果采用了废气增压系统,则发动机气缸压力增加较多,故最好用锻造的铝合金材料活塞。其主要优点是质量轻,但却有膨胀率较大的问题。所以在活塞的设计制造时要考虑其特性,将它设计成椭圆及上下锥体的形状,以减缓受热膨胀后所造成的变形,并能减少活塞与气缸的间隙,防止冷车时敲缸和热车时拉缸的现象

通常改装厂在设计锻造活塞时,都会同时利用改变活塞顶部的形状来达到提高压缩比的目的,如图1-28 所示。

图1-28　锻造活塞

活塞结构形式的改装主要是为了更好地承受燃烧的压力。富康TU3JP 发动机更换全套进口高压缩比轻量化活塞,将压缩比由原先的9.3 提升到10.5。和原厂活塞相比较,不难看出压缩比的变化:新活塞的凹顶深度减小,高度也要比旧活塞短很多,质量至少小了1/3,其质量惯性大小对发动机的功率和效率有重大影响,如图1-29 所示。以汽油发动机来说,当压缩比超过12.5:1 时,燃烧效率就不容易再提升。对高压缩比活塞来说,由于必须保留气门做功所需的空间,因此会在活塞顶部切出气门边缘形状的凹槽,如果没有这个凹槽,当活塞到达上止点时可能就会碰到气门,因此改装了高压缩比活塞后对气门动作精确度的要求就必须非常严格。凹槽的大小也必须配合凸轮轴及气门摇臂的改装而改变。

(2)改装活塞环。普通发动机的每个活塞各有1～2 个气环及油环。不锈钢及特殊合金的活塞环已广泛地应用在赛车及改装套件市场,这些特殊设计的合金活塞环可以在活塞往上行时释放压力,但在往下爆发行程时却能保持密闭的状态以维持压力,这种活塞环虽然价格较高,但是却能有效地提高发动机效率。

由于活塞与活塞环都必须在高温、高压、高速及临界润滑的状态下工作,并且发动机的性能是所有机件整合的结果,因此选择活塞套件时必须考虑凸轮轴的正时角度、供油系统的配合才能找出最佳的搭配组合。

图1-29　改装用活塞和原厂活塞的对比

(a)改装件;(b)原厂件

活塞环的厚度尺寸与其磨合性、寿命与密封性有直接关系。为求低摩擦因数、增加发动机输出功率及减少上下往复惯性的要求,新一代的发动机都使用厚度较薄的活塞环,即薄型活塞环。在改装中也有通过减薄活塞环进行升级的,薄型的活塞环有摩擦低、输出高、气密性佳的优点,其唯一的缺点就是耐久度不如厚的好。

美国生产的一种改装用的无开口活塞环如图1-30 所示,其运用双重组合技术,故找不到缺口,如此一来既可克服活塞必须预留大尺寸间隙的困扰,也能达到气密的功效。

(3)改装活塞销。活塞销的制造尺寸、公差、材质在设计上是非常严格的。原厂发动机设计的活塞销形式大多使用半浮式设计,也就是活塞销固定在连杆小端是不转动的,而在活塞两侧的销孔内,销子是可以转动的,如图1-31 所示。

如果活塞已经升级为锻造活塞,此时的活塞销几乎全都需要采用全浮式的设计,即销子相对于连杆小头、相对于活塞座孔都是可以转动的,如图1-32 所示。

图1-30　无开口的活塞环

图1-31　半浮式活塞销

图1-32　全浮式活塞销

全浮式和半浮式活塞销在结构上的差别只是装配上的公差配合不同,因此,在装配全浮式活塞销时,一定要仔细测量活塞销孔和连杆小端的尺寸与配合公差。如果连杆小端的间隙比活塞孔间隙大,则受负荷后,活塞部分因紧度的差别可能会停止转动,唯一能转动的部分只剩下连杆小端,接着就会发生活塞销和连杆小端异常的磨损,甚至会有咬死的现象产生,将对发动机造成致命性的损害。

(4)改装连杆。连杆的长度是固定的,由此来确定上、下止点之间的距离。若增加连杆小端与大端之间的长度,就会改变上下止点间的距离,使得燃烧室的容积变小,也就会使得压缩比变大。富康TU3JP 发动机改装用全套进口高压缩比轻量化连杆,比原厂连杆更细,加工工艺也明显更加细致,如图1-33 所示。

图1-33　改装用连杆和原厂连杆的对比

(a)原厂件;(b)改装件

图1-34　钛合金连杆与热锻连杆对比

(a)钛合金连杆;(b)热锻连杆

现在的赛车发动机大多使用锻造的钛合金连杆,改装斯巴鲁SUBARU WRC 车厂的钛合金连杆与热锻连杆的对比如图1-34 所示,两种连杆的主要区别:由于两者设计理念不同,王字断面虽然强度不如H 断面高,但质量却比较小(因为使用钛合金),有利于提高转速反应;而热锻连杆则为提高动力而设计,因此必须使用强度较佳的H 断面。锻造连杆在制造时,采用极高档的4340 钢材,此钢材强度高且有相当的延展性,既能承受高负荷,又能抵抗扭曲变形。

通常市售连杆搭配着较厚的轴承盖,以达到所需的强度。而原厂连杆为了重量和经济性,通常都计算到够用的范围,最多预留25%的剩余强度。一旦改装增压系统或氮气加速系统(NOS),且把发动机转速拉到超过7 000 r/min,这种原厂连杆随时都有弯曲的可能,因而就需要更换强度更高的连杆。例如,改装斯巴鲁SUBARU Impreza STI Spec C 和Impreza GT 原厂连杆的对比,Spec C 颈部明显较GT 宽,尤其是在曲轴端,如此便能承受较高的动力输出;其次就是曲轴端固定螺钉部分,Spec C 以螺钉锁紧,因为强度较好,所以大部分锻造品都是此种设计,而GT 则为螺母设计,相对的抗拉强度也较低,如图1-35所示。

图1-35　Spec C 与GT 原厂连杆的对比

(a)Spec C;(b)GT

在活塞连杆的组件中对尺寸要求最严格的是连杆轴承,这也是最可能导致连杆损害的组件。所以对赛车或高性能发动机来说,应尽可能地使用最高品质的轴承,以确保发动机的可靠度。

(5)改装曲轴。曲轴的各相对角度必须正确,否则点火正时和气门正时就无法精确有序地一个气缸接着一个气缸的运作,如果顺序有问题,则会导致爆燃。主轴承和连杆轴承都必须有适当的间隙以使机油能够流动,产生润滑和冷却效果。如果间隙太小,气缸壁、活塞、气门机构等就无法获得充分的润滑,会造成机件的磨损。如果间隙太大,抛出的机油量的增加会使活塞和活塞环的工作负荷加重,造成燃烧室过多的机油残留,导致积炭等危害。曲轴的平衡在发动机运转时是非常重要的,曲轴的平衡性在发动机设计时就已确定,实际的平衡度则会由于材质及制作精度的不同而有所差异,为了使发动机运转平稳,必须对曲轴平衡加以考虑。

曲轴的改良目标是朝着高转速平衡和轻量化方向发展,关键是曲轴的平衡,以防止发生扭转振动。曲轴改换的目的就是在一个更高的转速范围内获得平衡,减小振动。如斯巴鲁SUBARU Impreza 汽车的改装曲轴,两曲轴的主要区别是曲柄半径大小和曲轴后端的油沟槽位置不同,如图1-36 所示。

图1-36　曲轴改装的对比

(a)原车曲轴;(b)改装曲轴

曲轴平衡度和转速范围有一定的关联性。以一部四缸十六气门的发动机而言,最高的转速一般最多在5 000～6 000 r/min,因此作为跑车,平衡点做到6 000 r/min 即可。但是普通的汽车或一般意义上的动力改装,如果照顾高端转速下的运转平衡,其低速域的平衡值就可能变差。因此,首先要确定发动机主要的转速范围和最高转速是多少。曲轴平衡的转速区域通常选择在发动机最常使用的转速范围。

以往广告上宣称的所谓的万转平衡曲轴,如果使用者并未使用9 000～10 000 r/min 的转速,则所做的平衡点也是徒然无功的,且曲轴平衡点未在常用的转速范围,当其在正常或稍高的转速区域工作时,将导致曲轴的振动,从而相对地影响轴承的寿命。

3.进气系统改装

(1)改装空气滤清器。空气滤清器的作用是滤除空气中的杂质或灰尘,让清洁的空气进入气缸,同时可以消减进气噪声。

①换用高流量的空气滤芯。对空气滤清器的改装一般是不改变空气滤清器的机构,而是换装高流量的空气滤芯。换装后的空气滤清器可以使滤芯对流过的空气的阻力减小,空气流过滤芯的速度加快,从而提高发动机运转时单位时间的进气量及容积效率,而由供油系统中的空气流量计测出进气量的增加量,并将信号送至ECU,ECU 便会控制喷油器喷出较多的燃油与之配合,让较多的混合气进入气缸,达到增大功率输出的目的。

可以把原有的空气滤芯拿下,并清洁滤清器内部和连接的进气道后,把高流量的空气滤芯放在原有滤芯的位置,封闭滤清器壳体,就可以完成简单的高流量空气滤芯的换装。

②整体换装空气滤清器。若换了滤芯仍不能满足车主需求,可把原有的空气滤清器在进气道连接处拆开,换用高性能的空气滤清器,如将原有的空气滤清器(图1-37)总成换成俗称“香菇头”的滤芯外露式滤清器,可进一步地降低进气阻碍,以增强发动机的进气量,如图1-38 所示。

图1-37　原有空气滤清器

图1-38　“香菇头”式空气滤清器

“香菇头”是直通式空气滤芯。外露式“香菇头”式空气滤清器的滤芯材料不同,过滤空气的效果也不同,材料大致有海绵和纱布,一些高等级的还有不锈钢网或纤维型滤网。“香菇头”式空气滤清器的吸气效率主要取决于形状和尺寸大小,所以其体积必须能与发动机排气量成正比。“香菇头”式空气滤清器的外形有多款,常见的有以下几种。

a.广角半球式。其优点是空气流通面积大,阻力小,不仅可从头部吸入空气,其侧边和尾部也都能够吸进空气,如图1-39 所示。

b.中央内凹并附带滤网式。其结构如图1-40 所示,目的是争取最大的吸气面积与加强导流作用。

图1-39　广角半球形香菇头滤清器

图1-40　中央内凹式香菇头空滤

c.双漏斗式。该形式的滤清器使用双漏斗构造,让中央部位的空气快速流动且减少涡流。

另外,所有的“香菇头”式空气滤清器都会搭配扬声器口状的锥形底座,使气流能顺畅加压出去,在选购时需特别注意其集尘效果,毕竟它的过滤性能也是十分重要的。

不同的空气滤清器安装方法一般有以下3 种:

a.改装与原厂相同形式的内藏滤芯,一切都不用改动,直接安装即可。

b.专为各车型研发的不同样式的“香菇头”,一般只要能买到合适的转接座即可安装。

c.加工接口,所选的滤清器如果接口不合适,则需要自行加工,这样几乎任何车型均可使用。

在安装时还有一项要特别留意,即“香菇头”式空气滤清器容易吸进发动机室的热空气,因此安装时要尽量远离发动机室的热源(排气歧管)区。如果位置困难,则可以用隔板将热源隔离开,也可模仿赛车从前面接一根直通导管包住“香菇头”式空气滤清器,可通过行驶中的撞风效益灌入的大量冷空气而对其进行冷却。不过这样做在涉水时,飞溅的水花有可能也被吸入进气管而造成发动机熄火。

因“香菇头”式空气滤清器存在易吸入热空气与灰尘的问题,现在部分改装厂已经推出了内含“香菇头”的进气箱,如图1-41 所示。它有很粗的进气管连接前保险杠,同时进气箱本身也加大容量,并制作成大漏斗状的造型,有蓄气集压的特点,能明显提高汽车的动力性。

还有一种称为“大肥肠”的进气管,如图1-42 所示,具有前端大口径、中间有大容量、最终再缩口的造型,“呼吸”声相当惊人,其集压加速气流的效果相当好。

图1-41　内含“香菇头”的进气箱

图1-42　“大肥肠”进气管

(2)改装进气道。进气道的改装可从改变进气道截面形状、改变进气道的材质和抛光进气道3 个方面入手。

①改变进气道截面形状。进气道的形状对进气的效率有一定的影响,进气道截面的形状大体有矩形、圆形和修圆角的矩形3 种,在各种工况下,修圆角的矩形截面管道的进气效率较好。进气道的形状应和原先发动机进气道的形状尽量保持一致,进气道的截面积应和原先的相符。进气道的长度应该考虑进气道内动力效应的应用。

②改变进气道的材质。进气道的材质应考虑吸热少及重量轻,目前常用的材料有工程塑料或碳纤维,其吸热少的特性能让进、排气的温度少受发动机室的高温影响,可以使进气密度提高,单位体积内所含的氧气量得到增加而提高发动机的功率。进气道的内壁应光滑,尽量减少弯曲,使进气的沿程阻力减少,进气会比较充分。

③抛光进气道。进气道的抛光可降低气道的表面粗糙度,其效果可体现在两个方面:一是抛光后,平滑的表面可有效降低进气阻力,减少空气流经气道时在气道表面产生停滞的现象;二是抛光后可适度地加大气道口径,加大的幅度并不算很大,可视为抛光后所带来的附加效益。抛光后可加快进气的流速,也就是加快进气时的填充速度,在有限的气门开启时间内尽量迅速进气,将残余废气排得更干净,以提高发动机的进气效率及减少残留气所带来的冲淡效果。

进气道的抛光效果如图1-43 所示。进气道的抛光仅用粗刨刀粗抛光,表面粗糙度不要太低,以免影响喷油雾化效果。

图1-43　进气道的抛光

(a)抛光前;(b)抛光后

(3)改装节气门。节气门的改装通常有加大节气门直径、改装电子节气门和改装多喉节气门3 种方案。

①加大节气门直径(图1-44)。加大节气门直径是进气系统改装诸多项目中颇为流行的方案。实现此目的方法有两个:一是购买整个尺寸较大的改装品;二是自行加工一个。这对提升进气效率和增加节气反应都有帮助。大多数人的做法都是拿原厂产品去加工,将管壁内径车大,如直径加大4 mm 左右,以保证管壁有2 mm 的厚度。如果能偏心车削,则能加大到5～6 mm,这样即可换用大直径的节气门了。

传统钢丝拉索控制的节气门,常有加大后感觉不出效果或出现怠速不稳的现象,前者主要应该是节气室接座的口径没有随之扩大造成的,所以加大节气门直径,一定要同时加大节气门座的直径。其实怠速稳定的关键并不是蝴蝶片和节气门的密合度,只要调整旁通空气怠速螺钉即可。加大节气门时,铜片的厚度最好与原车的相同,如此便不会因热胀冷缩发生节气门卡住的危险情况。

②改装电子节气门。电子节气门如图1-45 所示。电子节气门也是可以改装的,其方法就是更换动作更快速的伺服电动机,注意使节气门开度传感器的电阻值与原厂一致。

图1-44　换装大直径的节气门

(a)原车节气门;(b)DINAN 加大节气门

图1-45　电子节气门(www.daowen.com)

③改装多喉节气门。一般汽车只有一个节气门,可是追求速度的跑车、赛车会使用多喉式节气门,即在每支进气歧管各自装一个节气门,俗称多喉直喷节气门,如图1-46 所示。

多喉直喷式和加速踏板连动的节气门是进气系统的终极改装,基本功用就是调整进入发动机的空气量并控制输出功率,因此对于吸气效率的提高,多喉比起单喉自然有利许多。阀门面积总和增大了许多,还可使得各歧管能做到短距、直线化、等长,加上其附有外接漏斗式导气管和管壁内部光滑等因素,可直接使每缸得到进气量增大、快速、量均、高效的效果。

近几年日系的AE101/111,BMW 的M3、911RSR,法拉利车系等高性能轿车,基本都采用多喉直喷系统。增压的高性能车辆想要有更好的性能表现,也都是采用多喉系统。

一般来说,进气歧管的长度、口径的大小会影响发动机的输出特性。多喉系统整体表现的最佳部分集中在中、高速,越短的进气歧管,空气进入气缸内的效率也就越好,高速功率输出也会越大。而较长歧管则可使中低速的扭矩提升,有利于在一般城市街道上行驶。如果在多喉歧管的条件下要改变油耗、扭矩及功率,就必须选择合适的节气门直径,一般节气门的直径尺寸有40 mm、45 mm、50 mm 三种。使用直径50 mm 的节气门的发动机,排气量最好超过2 000 mL,压缩比最好能控制到12:1 以上。由于直径太大,在加速时瞬间所吸入的进气量过多,故一般计算机大多无法匹配,必要时需要搭配能够独立设定加速泵供油量及供油时间等功能的可程序化计算机。

一般多喉直喷设计的进气口通常都只装置扬声器口,但发动机室内所产生的热气会影响进气的质量与密度,所以最好能加装大型的蓄压集气箱,这样既可以增加瞬间的加速能力,也可使发动机有更好的高转扭矩表现。

原厂设计的多喉系统,其规格、尺寸各家都有所差异。但是使用在改装套件上,多喉系统都有其一定的规格形式,又分为侧吸式(DCOE)与下吸式(DCNF)两种,这两种规格一定要明确清楚。在订购改装多喉套件时是成套的,也就是说4 喉管就是2 组阀体,6 喉管则是3 组阀体。各种发动机使用的阀体是一样的,对应不同的发动机可搭配不同的进气歧管。一套多喉直喷系统,零件组包含了进气歧管,2、3 或4 组阀体,扬声器口,油轨,喷油器,加速踏板与线支架组。

多喉直喷系统是构造复杂的系统,它的设定和调整更加困难,相应的也很重要。调整的重点是使各缸的进气量一致。在怠速调整时,需要使用真空表组连接各缸的进气歧管,调整旁通阀使怠速各缸的进气真空度一致,还要使用多喉专用流量计,测试打开节气门时各缸的进气流量是否相等,若不相等,则调整节流阀开度螺钉使进气流量一致。在调整完其他节气门开度的进气量后需再次调整旁通螺钉,以确定怠速是否达到稳定。如果有一组调校不平衡,轻则使发动机不顺畅、功率输出不佳,重则将导致各缸严重失衡,发动机异常磨损。

图1-46　多喉式进气歧管

(4)改装进气歧管。进气歧管的作用是把流经进气道的气体分配到各个气缸去。在多缸发动机上,应使各缸进气歧管的长度尽可能相同,通常采用等长并独立的进气歧管,以避免各缸气波之间的干扰。转速不同,所需进气管长度也不同,一般高速发动机配用较短的进气管,低速发动机所需的进气管较长。由于汽车内燃机使用的转速范围较宽,故配用进气管时应在常用转速区考虑其长度,以有效利用进气的动态效应。

进气歧管包含了控制进气多少的节气门,而根据节气门配置上的不同,又可分为空气从节气门后平均供给各缸使用的单喉形式和每个气缸独立使用单一节气门的多喉形式(也称为多喉直喷系统)。

单喉进气歧管的改装以加大节气门为主,原厂歧管的内孔抛光也是一个改装的途径。原厂形式的歧管都是铸造而成的,内壁粗糙,会直接影响到气流的流动。由于歧管本身弯曲度颇大,故内孔加工有一定的困难度,国外现今已有生产更大型的储气室和管径的歧管。这也是从多喉系统衍生出来的产品,即将歧管部分缩短,内孔径增大,尽量达到等长,且配合扬声器口的形式,加上内壁光滑处理,使得单节气门歧管也有多喉歧管的优点,可以大大提升进气效率,尤其是在高转速和加速时起着决定性的作用。

其他强化的手法还有加大节气门后的歧管部分,以配合节气门进气,也能增加储压的效能。在歧管和节气门改装后,还要注意混合比的调校。多增加的进气量,如果没有适量的供油来配合,依然无法使发动机发挥其应有的性能。

(5)加装二次进气装置。汽车二次进气系统改装的工作原理是:除了常规的从空气滤清器吸入空气外,另外再利用进气歧管的真空压力差,从发动机PCV 阀(曲轴箱强制通风)管路外接一个进气装置,导入适量的新鲜空气来达到提高容积效率的目的,如图1-47所示。

图1-47　二次进气系统的改装

二次进气装置最重要的就是要维持适量的进气,其实市面上产品的差异,就在于控制导入空气进气量的方法不同。若进气量太少,则效果不佳,太多则会降低真空度,影响制动真空动力辅助器的辅助力,使制动所需力道变得较重,而所谓的适量则应该是厂商研究、实验所得的结果。

进行汽车二次进气系统改装时(尤其是大幅度的),必须考虑与供油系统的配合问题。若只是大幅地增强进气能力,而供油系统无法提供足够的供油量与之配合,则势必无法达到提高动力的目的,因为发动机所需的是比例适当的油气而不只是大量的空气。二次进气属于额外的进气量,所以并不在空气流量计侦测的范围之内,但是发动机的监控计算机有很多种,并不是单由空气流量计来决定喷油量的。汽车电子控制是数字式的,所以调整微量的额外进气量能躲过发动机的侦测,达到省油加速的效果,但是进气量只要一超过检测的灵敏度,计算机一旦察觉,便会做出修正,有时还会修正过头,反而比不改还要差。当二次进气的进气量调得太大时,则会发生怠速不稳、加速不顺和耗油增加等情况。

二次进气所能得到的动力提升效果集中体现在低转速区,因为在低转速时,空气被节气门挡住,使得进气歧管产生负压,此时二次进气口便借由这股压力吸入额外的空气,而这额外的空气便是造成省油及加速踏板较轻的主要原因。但是在转速提高后,节气门将会全开,一方面此时空气进入时将不会受到限制,也不会产生负压;另一方面空气大量进入,真空度降低时,汽车二次进气系统改装装置所能导入的空气量跟进气管的进气量相比就变得微不足道了。

选择汽车二次进气系统改装装置时一定要注意,汽车二次进气系统改装装置的进气系统有无空气滤清器,因为一旦从二次进气系统进入发动机的气体不干净,就会造成发动机的损伤,同样会得不偿失。

4.排气系统改装

排气系统的改装主要是对排气歧管、排气管、消声器进行改装,应尽量扩大自由排气阶段气缸内和排气管内的压力差;减少克服排气门、排气道处阻力消耗的有效功;利用排气惯性,减少残余废气的含量。这样,就会使得排气顺畅、快速,充气系数也会相应得到提高。

一套高性能的排气系统需要有一个设计优良的排气歧管,把不同气缸排出的废气波不早不迟地、一个接着一个地送到集气管,然后通过一条笔直且合理的大口径排气管、高流量的三元催化器、高性能的消声器把噪声和有害气体清除并高速排出车外。但由于发动机在不同的转速下会排出不同速率的废气波,产生不同的回压要求,因此在选择改装排气系统时,要小心配合自己的驾驶风格和车子的特性。例如,盲目换了高流量的系统,会令发动机低转时不能产生合理回压而令慢速驾驶困难。

其实一套好的改装排气系统主要是会减少发动机功率的损失。在改装排气管之前,应确认自己希望车子达到的特性,比如自动变速器车就不能更换太通的排气管,否则会丧失低转扭矩,甚至会影响高速时的功率发挥。

(1)改装排气歧管。排气歧管大部分都是铸铁制品,内管粗糙且各歧管长度也不相同,加上接合的方式、距离、形状同样不够周全,因此非常容易产生排气干涉现象。由改装厂制作的排气歧管(图1-48)一般内壁都会采用平滑的不锈钢材质,品质较高的排气歧管还会在歧管连接底座和接头的部位实施无段差的熔接研磨,以此取得减少阻力、加速气流的功效。优质的排气歧管各歧管长度统一、压力差小,对提高带发动机整体吸、排气及效率也非常有利。

图1-48　改装的排气歧管

排气歧管尽量选用质量较轻的、内部平滑的材质;排气歧管尽量等长;改装后需要更换密封垫。

(2)改装排气管。

①排气管的改装方法。排气管改装常见的方法是改变排气管的长度、管径的大小和改装内径平滑的排气管道。改装的目的是使得排气顺畅,沿程阻力小。排气管道与排气歧管和消声器连接部分的连接应紧密顺滑。

②排气管的主要改装部位。排气管的改装大多是从中、尾段开始,主要是对排气管的内径和长短进行匹配。较短的排气管在较高转速的条件下表现理想,排气管内的回压较小,易于排气;细长型排气管注重在低速条件下的转矩表现,管内的回压压力较高。以道路使用为主的排气管,应选择全长较长的排气管,作为蓄气增速的条件,然后再考虑管径的变化与全转速区的兼顾。中段管径的变化可适当地增加,管径增加的范围一般为10%～15%,排气量2.0 L 以下的车型,排气管的管径不应超过50 mm。管径过粗,管内的容积超过了一个循环的容量,就会影响回压和吸气的效果,并使废气降温太快、减慢流速,废气中的不饱和气体不能够有效地氧化并导致排气不通畅,同时,过粗的排气管也增加了与地面碰撞的机会。

在管径的配置上,对于需要在大扭矩条件下工作的车辆,排气管的管径一般是从头到尾一样粗;对于需要在较大功率条件下工作的车辆,管径一般是逐渐放大的,使得排气越往后面膨胀得越快,特别是在持续高速时,对较大功率的输出更加合适。

在排气管的安装上需要注意排气管的吊挂系统,尽量选用原装位的吊挂。所谓原装位就是使用车辆原有的排气吊挂系统,即无须更改吊挂位置,因为原车的吊挂系统都采用橡胶缓冲块这种软连接的方式固定排气管。如果采用非原装的改装排气管,因为安装位置需要改变,同时大小和长度与原车不符,所以这一类的排气管在安装过程中往往不能够使用原车的排气吊挂系统,而需要通过焊接辅助的连接杆与车身固定,从而使吊挂系统由原来的依靠橡胶缓冲这种软连接方式固定变成硬连接方式固定。硬连接不能像软管那样可以吸收共振,因此这种共振会完全传递到车身。此外,焊接在共振的作用下焊缝处非常容易开裂。

③改装排气管的重点。尾喉是排气管改装的重点,在各种改善汽车动力性能的改装方法中,为车子更换高性能的进气和排气系统,使发动机“进气多、排气快”是最简单、容易且效果明显的方法。

汽车排气管的尾段俗称 “尾喉”,如图1-49 所示。它的一部分暴露在车外,成为汽车外观的一部分。一副有型的尾喉不仅给人强劲有力的感觉,更使加装了包围、轮眉等饰件的改装车锦上添花,如图1-50 所示。

图1-49　尾喉

而在进气和排气系统的改装中,尤以排气系统改装更为受到欢迎。小钢炮般形状的尾管装在车后,不但看得见,更听得到,如图1-51 所示,是少数给人以较强烈的直观感受的改装部件。

图1-50　加装尾喉的排气管

图1-51　小钢炮般造型的排气管

加装尾喉有装饰性加装和功能性加装两种。装饰性加装最简单的办法,就是在排气管的末端套上一个不锈钢护套,它的优点是价格便宜、安装方便,并且不会对原车有任何影响;而缺点则是由于这个护套的长度过短,从一些角度观察可以发现“套”上去的痕迹。尾喉的改装还能根据车主的需要安装具有改进汽车功能的尾喉。如需提速快,可安装回压式尾喉;如需提升马力,可安装直排式尾喉。而后者安装由于噪声较大,故这样的汽车改装是不提倡的。

⑤改装汽车排气管需注意的要点。似乎加装一支大口径且声浪惊人的排气管后,车辆便会跑得更快,其实这是一种误解。排气管的更换对于动力的提升可以说是微乎其微,特别是对于一些小排气量的自然进气车种来说,想要明显感受到动力的提升更是相当困难的。相反,大口径的排气尾鼓对于低速扭力流失有相当的影响,只有在高速行驶时较为顺畅的排气才对动力输出有所改善。改装汽车排气管需注意以下几个方面。

a.排气性能与回压大小。回压也可称背压、反压。简而言之,它就是排气管内部的阻力。虽然四行程发动机原本就是可以完全燃烧的设计,但由于汽车的缸数多、各缸没有独立排气管,同时还有环保、空间、整体配置与量产成本等的考虑,排气管只单纯用于消声及排废气,于是就必然会有不够顺畅的问题产生,进而降低发动机应有的性能。

不过,回压并不是说越低越好,因为气门存在“早开迟闭”和“叠开”的时间,如果排气过分无阻碍的话,中低转时燃烧室高压的混合气会未燃烧完便被排出,动力势必会被牺牲掉。

b.排气管直径的确定。一般来说,排气管的改装大多是从中、尾段做起,常见的方法不外乎是加粗管径、缩小消声器等。强调竞技类的车更会朝“直线”化努力,但是碍于底盘干扰,做到真正的笔直很困难。直线型排气管的特点是路径缩短且弯角平滑,以减少阻碍。不过要知道的是,短而粗的排气管追求的是高转速时的大功率、回压低,细长型的排气管追求的是低转速时的大扭矩、强的爬坡能力。这就要看车主追求的是哪种运行方式了。

c.三元催化剂和中部消声器部分应注意共振现象。在中段排气管的改装中,还有两个重要元件是三元催化剂(俗称触媒)和中部消声器(简称中消),虽然触媒的基本功用是净化排气,可是它和中消一样,还有消除共鸣声的作用。由许多种稀有金属构成的触媒,依照改装者的眼光来看,这都是阻碍排气顺畅的“元凶”,而且又是个聚热点。所以许多人会将其更换为炮弹型代替管(直型管易引起共振),往往只是这一小截的直通化,便能感觉到排气畅顺许多,声音不会闷在里面。当然这样的改装肯定是以牺牲排气的环保指标为代价的。

(3)改装消声器。

①改装高性能材料的消声器。消声器外壳用薄钢板焊制,为延长寿命多采用渗铝处理。其优点是材料轻、耐用,还能发出改装车特有的音频和声响。在排气系统的改装中,一般会选用不锈钢材料甚至是钛合金材料的消声器。钛合金材质消声器如图1-52 所示。

②改变消声器的结构。消声器的构成大体上有两类,第一类是利用交叉隔板造成反射波的方式减低音量,原厂产品几乎都采用此种方式,其优点是成本低,消声效果好;缺点是阻力大而沉重,不耐用。第二类则为改装用品中常见的直线吸收式消声器,其优点是限流少、重量轻、耐用程度高;缺点是消声效果差。

直线吸收式消声器的结构如图1-53 所示。消声器两端各有一入口和出口,中间有隔板,将其分割成几个尺寸不同的消声室,消声室间由带许多小孔的管连接。废气进入多孔管和消声室后,在里面膨胀冷却,受到反射,又多次与消声器内壁碰撞消耗能量,结果压力下降、振动减轻,最后从多孔管排到大气中。

图1-52　钛合金材质消声器

1—共振腔;2—穿孔

图1-53　直线型吸收式消声器

1—共振腔;2—穿孔

有的消声器内还充填了耐热的吸声材料,吸声材料多为玻璃纤维(俗称玻璃棉)或石棉。现在大部分厂家都单纯采用玻璃纤维,但是时间久了以后,长时间处于高热环境的玻璃纤维必定会因劣化而出现共振、声音变大的问题,故现在也有些制品增加了耐久性好的不锈钢丝。其办法是先用不锈钢丝包覆内管,然后才将玻璃纤维填入,进而延长总体寿命。

相对一些竞技型排气系统,原装位“街道形”排气装置原装件与改装件的对比如图1-54 所示,其主要改装项目有:整体换用不锈钢材料,换装小型高透气性的三元催化器,换用增大尺寸的直线型吸收式排气消声器,加装尾喉。

图1-54　街道型原装位排气系统改装件与原装件对比

1—原装件;2—改装件

选用改装件可在不改变底盘管路走线的情况下对整套排气系统进行优化,在提高动力输出的同时使得安装更为方便,并且“街道形”取向的设计不会使排气回压过低和极端化。同时有经验的改装厂生产的排气系统在提高性能的同时还可以将噪声控制在较为合理的范围。

5.配气机构改装

(1)改装气门。气门的改装主要在于材质性能的变化及加工精密度的提高。进、排气的高效率以及环保法规对发动机排放的要求,均有赖于材质精良的气门。

气门改装的原则是:在不影响强度的情况下尽可能地减轻气门的重量。动作精确的气门是高性能发动机的基本元件,对气门的改装通常会提供不同的气门组合以进行选择。发动机改装的项目越多,对气门机构精确度的要求就越严格,所以改装气门时必须同时考虑与凸轮轴及气门摇臂的配合。

原厂的气门通常都有适当的材质和大小,但是如果有需要的话可适度地改变气门的尺寸。气门的材质是很重要的,目前的改装气门通常用钛合金作为材料,以求强度的提升及轻量化的要求。用钛合金制造发动机气门,要比钢制气门轻15%～20%,但是一套钛合金的气门价格较高。美国通用汽车的进气门使用Ti-6Al-4V 合金,排气门使用Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo 合金,而有的是将气门的背部切削或用中空的设计以达到轻量化的目的,有时又会把气门表面做成漩涡状,以利于在气门开启时气体的流动。如斯巴鲁SUBARU Impreza 汽车的改装气门有STI 和WRC 两种。STI 气门与GT 原厂气门外形略有所不同,但材质相同,而WRC 气门长度较长,是因为要配合高角度凸轮轴使气门开起的深度更大,以争取更快的进气速度。STI 气门与GT 气门面为平面设计,而WRC 气门为微凹设计,主要是轻量化的考虑。另外,WRC 气门与STI 气门柱内部是中空灌入钠气,故轻量化达到极致,其结构如图1-55所示。

图1-55　充钠气门结构示意图

1—充钠;2—镶装硬合金;3—镶装硬合金

气门的热量主要通过与气门座接触时由气门座散热。因此,气门座的配置必须非常谨慎,假如太靠近气门的边缘或是气门边缘太薄了就可能造成密合度不良。此外,气门导管和气门间的精密度及表面粗糙度,气门摇臂与气门固定座间的表面精度都必须严格要求,否则在高转速时会导致严重的损害。

(2)改装气门配套件。

①改装气门弹簧。气门弹簧强度的设定必须恰到好处,要兼顾气门的密合度又不能造成开启时的困难,如果弹簧强度太高以致凸轮轴开启气门时负荷过重,对功率输出是非常不利的。气门的锁止装置是利用锁片和气门弹簧座把弹簧固定在气门上的,这在急加速及升程较大的发动机上可能会造成气门扭曲或断裂。斯巴鲁SUBARU Impreza 汽车的改装气门弹簧如图1-56 所示,STI 气门弹簧与GT 原厂气门弹簧基本相同,改装意义不大。由于原厂气门弹簧强度有限,转速升到7 200 r/min 后就会造成气门无法立即回弹关闭的状况,所以改装强化气门弹簧对于高速有利。

图1-56　STI 气门弹簧与GT 原厂气门弹簧对比

图1-57　滚轮式摇臂

②摇臂的改装。原厂的气门摇臂在达到发动机的转速上限,或者在改变气门正时后都可能满足不了发动机进、排气的需求,此时就需要对气门摇臂进行强化改进。升程太大的凸轮轴会造成气门摇臂的扭曲,因此也需要对气门进行强度的提升及轻量化的改进。对一般的气门来说,摇臂采用滚轮式与气门座接触,能减少接触表面的压力,也能承受较高的来自推杆的压力,如图1-57 所示。通常气门摇臂若有圆滑的表面和滚动的轴承,会使运转时的摩擦阻力变小,摩擦阻力越小,则所消耗的动力就越少。

(3)凸轮轴改装。凸轮轴(图1-58)的改装主要包括改变凸轮的结构尺寸、夹角、顶高和外形曲线。

图1-58　凸轮轴

凸轮的夹角决定着气门开启的时机和持续开启的时间长短,凸尖高决定着气门开启的最大的升程,凸轮的外形曲线决定气门开闭的运动规律。夹角和凸尖高这两个数据值大,发动机的进气量就大,发动机的动力就大。但是也不能随意地加大,这涉及气门的加速度、运动惯性、气门座寿命等非常专业的问题。更换大角度凸轮轴会给日常使用带来许多麻烦,如容易熄火、怠速不稳、低转速扭力损失太多、重载爬坡无力以及油耗增高等问题,造成配气相位角不合适。

凸轮轴在改装时也要保证协调与平衡。动力平衡关系到各缸的喷油量、进气量、火花塞点火提前角大小等;机件的重量平衡在确保强度的前提下应尽量地减小质量,以减小往复运动的惯性力。把平衡做好,各缸间的动力一致,自然会有高功率输出及耐久的表现。

6.燃油供给系统改装

供油系统的改装有两种改装目的和思路:一个是通过改装来省油,但是一般会对动力性有适当降低;另一个是考虑如何才能增加动力,只要能增大功率,使车辆提速快、速度高,油耗即使增高也没关系。

由于世界能源紧缺,因此经济型轿车很受市场的欢迎。各个汽车厂在研发上花费大量的精力去降低汽车的油耗,因此以省油为目的的改装不会有大的效果。但是如果不考虑汽车的经济性,单纯追求动力性的提高,还是有很多项目可以做的,而且会有明显的效果。

供油系统的改装就是要在适当的时候适量地增加供油量,让空燃比适度变小。虽然油耗增加了,但是动力能上升。

喷射供油系统的改装根据改装的项目可分为改硬件和改软件两大类。改硬件的目的是要提高单位时间的供油量;改软件主要是改变供油系统的供油程序,由于原车的供油程序是考虑了废气控制、燃油经济性、运转性稳定、发动机材料耐用性所得的设定,所以在功率输出表现上,往往无法达到注重性能的使用者的需求。例如,改装车主要求高转速、高负荷时,往往会出现供油量不足的情况,这就需要改装软件来完成。

(1)加装调压阀。在多点喷射油路系统中的压力调节器,负责对喷油器(喷油器)提供固定的压力,压力越大,相同的喷射时间喷出的汽油量就越多,雾化效果更好,燃烧更充分,但不是每台车都很明显。调压阀安装在压力调节器之后的回油管上,经调整可将喷油器的喷油压力提高(一般约可提高20%),进而可在不变动供油模式的情况下增加喷油量(可增加5%～10%)。加装调压阀可以说是供油系统的改装中花费最少的,其安装也相当容易,只不过在调整压力时需借助汽油压力表才能测量调出的压力。事实上,对于换排气管、改进气装置等这类小幅改装的车,通常可采用加装调压阀来弥补其高转速时喷油量不足的缺点,效果不错而且经济。更换调压阀有个小常识,若车在静止起步加速踏板被踩下的瞬间出现短暂的爆燃现象,则换装一个调压阀就可改善。图1-59 所示为加装了供油调压阀的发动机。

图1-59　加装供油调压阀的发动机

(2)改装喷油器。当发动机大幅改装后,如果高转速时所需的喷油时间比发动机运转一个行程的进气时间还长,就会导致喷油器持续的喷油都无法提供足够的油量,这时就应考虑加大喷油器了。

喷油器的大小决定了单位时间的喷油量,改用口径较大的喷油器是提高喷油量的最直接方法,要换多大孔径的喷油器,则需视发动机的改装程度而定。改装喷油器最大的困难是如何获得可兼容的喷油器,通常只有同车系或同系列发动机的喷油器才可兼容。改装喷油器所获得的喷油量的增加是全面性的,也就是说从低转速到高转速喷油量都会增加,这可能会造成中、低转速时的供油过浓,导致耗油量增加和运转不顺。通常改动很大的发动机才会需要大幅地增加供油量,一般车主所需要的通常是高转速和重负荷时适度地增加喷油量,这需要改装软件才能达成。但发动机大幅改装后,在高转速时所需的喷油时间比发动机运转一个行程的进气时间还长,造成喷油器持续喷油都无法提供足够的油量,这时加大喷油器已是必然的选择。

长城哈弗原厂喷油器如图1-60 所示,喷油器的每个孔径是0.25mm。

图1-60　长城哈弗原厂喷油器

改装多孔喷油器,如图1-61 所示,12 孔喷油器(FBJB101),孔油嘴的每个孔径是0.125 mm。

图1-61　改装后喷油器

(3)改装供油电脑芯片。对于一般的ECU 改装,选择一款适合自己车型的编写好的套装程序绝对是最保险、最合乎成本效益、最事半功倍的方法。

市面上有不少品牌的ECU 改装方法:一种是通过换装芯片或直接更新为由专业工程师测试编写的对应某一车型的套餐程序,如SuperChips、Chiptronic、REVO、DIGI-TEC等;还有一种就是加装外挂电脑硬件,按需要自行编写和设定程序,如E-marage、FCon、MOTEC 等。相对于第一种软件改装,外挂电脑的最大优点是可针对需求,随时调整供油、点火时间等。其多样化的功能使它成为重度改装车的首选。

以Chiptronic 程序为例,它主要针对德系车的ECU 改装程序,不管是NA、Turbo 还是Supercharge 皆可改装,所有的改装程序均由国外母厂的专业工程师编写,由世界各地的产品代理利用专门设备写入ECU 即可。在改装Chiptronic 程序时,对应不同种类的原车ECU硬件,原车资料的读写和新程序的传输、覆盖方式也有所不同。第一种方式就是拆下ECU上的芯片,利用设备读写新程序,再写入到ECU 中;第二种就是简便地直接以车内的OBD 接口进行刷新程序;第三种便是以BDM 探针接到ECU 电路板上的金属点来传输程序。Chiptronic 总部在进行分析与改写后传回,最后代理商重新写入完成ECU 改装。一般传回原程序到接收新程序,最慢一个工作日,最快则20 min。目前国内ECU 改装的品牌有MTM (德国)、Chiptronic (瑞士)、Superchips (英)、REVO (美)四大主流,各有各的特色,如何挑选则依车型而定。来自德国的MTM,是改装Audi、VW、Porsche、Bentley、Lamborghini 的高手,品牌知名度及形象在欧洲是五星级的,车厂在设计某种型号的发动机时便已将原先设定好的供油程序刻录在只读存储器(ROM)上,程序通常是油耗、污染、运转平顺度等条件平衡下的产物,而且是不可改动的,若想改变供油程序就必须换用另一种模式的ROM。通常专业改装厂都会供应各种车型的改装用电脑芯片,改装时要先把原电脑的芯片取下(通常原厂供油电脑的ROM 都直接焊在电路板上),焊上一个IC座(如此一来可方便日后再更换),再插上改装用的芯片。