2019
25/11
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# Tech info:進階引擎工程學 – 淺談連桿比、缸徑衝程比

Category:Tips Info / by TAG Engineering

 

相關資料來源:CP, JE, Wesco, Engine Builder。資料收集、翻譯 TAG Engineering, 轉載請附出處

今天我們來聊聊關於引擎工程的一些機械比例性能。我們知道眾多高性能引擎製造商一直在尋找可以做出的更多性能提昇的改進,這些更動將使他們的引擎在各項競爭中脫穎而出,而連桿比則是可能帶來一些額外差距的因素之一。在某些情況下,根據曲軸的衝程改變連桿的長度會帶來一些優勢,並且可能允許相同的容積效率提供更大的動力或更長的活塞環壽命。但是,眾多專家們對於改變連桿比是否真的有很大差異確有著不同的意見。

連桿比是連桿總長度和曲軸衝程之間的數學關係。用連桿長除以曲軸衝程,就可以得到這個連桿比。例如:假設您手中有一顆正在建構的引擎,它具有 140mm 的連桿長度和 83.5mm 的曲軸衝程。那麼該發動機的連桿比為 140 (連桿長度) 除以 83.5 (衝程),則得到 1.676。

如果您使用更長的 145mm 連桿長度在同一個引擎上,則桿比將變為 1.736。但是如果您將 145mm 的連桿使用在更大衝程 (例如 88mm) 的引擎上,則由於更長的衝程,連桿比將降低為 1.64。

這些數字是什麼意思?

它們表示連桿,曲軸和活塞之間的幾何關係。連桿比越低,活塞對氣缸壁施加的側向力就越大。這會增加活塞裙和氣缸壁的磨損,並在發動機內部產生更高的振動。摩擦力的增加也會升高冷卻液和機油的溫度。

長連桿 vs 短連桿

較低的連桿比確實具有一些優勢。 較短的連桿意味著引擎中缸的整體高度可以更短,那麼整體重量可以更輕。引擎通常會在較低的轉速區間中產生更大的真空度,這可帶來更好的油門反應和低轉扭矩。 在部分引擎中較低的連桿比有助於穩定引擎運作,在相同點火正時內可能比較不容易讓引擎出現異常震動或是暴震,這在渦輪增壓,增壓或是氮氣應用中可能是一個優勢。

而使用更長的連桿在相同曲軸行程上可減少活塞上的側向載荷,從而減少摩擦。 這會增加在上死點的活塞停留時間。 在 TDC 處將壓縮保持曲軸轉數的一半時間可以提高燃燒效率,並從空氣/燃料混合物中擠出更多動力。 通常,具有較高連桿比的引擎可以從中轉速區域到峰值轉速區間產生更多動力。

較長的連桿需要將活塞梢定位在活塞中較高的位置 (通過客製)。較長的連桿也表示可以使用更短,更輕的活塞,因此連桿的額外重量或多或少地由減少的活塞重量來抵消。

更長的連桿和更高連桿比的缺點之一是低轉速進氣真空度會有所降低。降低進入引擎的空氣速度會損失部分低速節氣門響應和扭矩,對於需要日常街道用途的車輛可能會比較不適合,但在高轉速賽車引擎上效果將會非常好。

一些性能引擎製造商表示,“良好” 的連桿比必須大約等於 1.6 或大於 1.7。四個氣缸的連桿比通常較低 (1.5 至 1.7 之間),而許多 V6 的桿比則較高,為 1.7 至 1.8。對於 V8,它們通常在 1.7 到 1.9 之間。通常連桿的比例取決於氣缸的設計和中缸整體高度以及可用於裝配的活塞,連桿和曲軸。

最佳連桿比?

有些人說使用適合該引擎的最長連桿來獲得最大的中高轉速峰值功率,而部分人則說這並不重要。斯莫基·尤尼克 (Smokey Yunick) 是早期長連桿的支持者之一,他們在 NASCAR 賽車中建構的引擎為他提供非常優異的工作。但即使這樣,某些具有較低桿比的引擎仍然勝過具有較高連桿比且相同排量的引擎。怎麼會這樣呢?那是由於汽缸蓋的設計和進氣方式不同,氣門尺寸和氣門角度不同,凸輪軸揚程和持續時間不同,進氣系統和其調整方式不同帶來的差異。

例如,新型 BMW M3 的連桿比為 1.48,僅憑數字來說聽起來並不理想。但其引擎提供每立方英寸的功率為 2.4 馬力 (在渦輪增壓的幫助下),這幾乎是一般街道性能車款如 Chevy 350 或小型日用轎車功率比的兩倍甚至更高。

這裡的重點不是渦輪增壓器產生很大的動力(即使它們確實如此),而是很多時候連桿比並不是決定一顆引擎好壞的關鍵,因為除了連桿比外,現今還有更多不同的科技應用來提高引擎工作效能。通常在較早期的性能 NA 引擎上會比較要求連桿比的配置,因為仰賴轉速的 NA 引擎需要在中高轉速提供更優異的動力輸出以及峰值延伸性。

在自然進氣的引擎中,動力輸出決定的因素往往來自於各項設計精細數據的累積而成 (如上訴差異),這與增壓引擎不同。一般通常情況下、我們會期望連桿比落在 1.65~1.8 的範圍內,因為他可以提供優異的低轉速真空度又可以達到中高轉峰值區間的動力輸出,他可以算是一個均衡且良好的基準範圍。

但現今引擎科技日新月異,增壓引擎對於動力來源的變量太多,則不需要太過著重在連桿比的數據上。大部分情況下不要低於 1.45 即可,過度異常低的配置可能會對引擎其他機件帶來危害。而過度強調的高連桿比則可能不會帶來太大的差異。

大部分情況下可達到的最大桿比始終受到缸體的物理尺寸 (中缸高度)、可用的最長連桿尺寸、以及可用的活塞尺寸等因素所限制。與連桿比比起,連桿和活塞的總重量對運動量和節氣門響應的影響更大。此外如果透過訂製將活塞銷移到較高位置並使用較短的活塞,一旦沒有計算準確而移得太遠,可能會造成一些活塞擺動和不穩定等問題。因此,錯誤而過度的提高桿比實際上可能對發動機性能有害。

所以實際上,連桿比的配置還是要與其他相關參數設置取得平衡、在合理可接受的點火正時、活塞運作平順性、穩定性、或是衝程以及連桿活塞運作慣性質量比、活塞、連桿總重量平衡性等等。


相關課題:汽缸的正方比、超方比、長方比 (長衝程、短衝程、等效衝程)

與連桿比相關的技術項目為缸徑衝程比。 如果引擎的缸徑和衝程尺寸相同 (例如缸徑為 84mm,衝程也為 84mm),則稱引擎汽缸結構為 “正方比”。如果缸徑大於衝程,則發動機為 “超方比”,如果行程長於孔徑,則稱為 “長方比”。

如果將衝程除以缸徑,則會得到缸徑衝程比的數值。 許多量產的房車、跑車引擎的衝程缸徑比在 0.8 到 1.1 之間。 卡車的衝程缸徑比通常較高 (1.0 到 1.4),用以提高效率和低速扭矩。 衝程缸徑比越高,引擎可以處理的安全轉速極限越低,產生的最終扭矩也越低。

2017 款福特 GT 350 配備 5.2 升引擎,帶有一個平面曲柄,轉速極限在 8,250 RPM。 它具有 94mm 的缸徑和 93mm 的衝程,使其略呈正方比形式。 相比之下,配備 6.2 升 LT1 引擎的 C7 Corvette 的缸徑和衝程為 103mm x 91mm,雖然有些誇張,但極限轉速僅在 6,600 RPM (由於液壓頂桶)。 兩者都是出色的發動機,具有很大的性能潛力,但由於其頂置式凸輪,福特的轉速更高,並且具有更大的馬力 (526p 與 460p)。

與連桿比一樣,缸徑與衝程之間的幾何關係也會影響引擎的功率和極限轉速潛力。 即便如此,在生產引擎或為賽車而專門設計的引擎中,這種通用性數據通常並不適用。通常,大缸徑,短衝程的配置是高轉速,高功率引擎,非常適合公路賽車和賽道應用。 Pro Stock 賽車手和 NASCAR 引擎製造商一樣,也喜歡這種組合。 另一方面,小缸徑,大衝程發動機更適合低轉速扭矩,日常街道性能,但極限轉速的潛力有限。

一級方程式引擎的衝程非常短,只有將近 40mm。 缸徑最大為趨近 98mm。 這是一個超方比的設計,但可以使這些發動機轉速提高到令人難以置信的 20,000 RPM,並從 2.4 升排量中壓榨出 800p 馬力! 他們之所以能夠以極高轉速運行的原因之一就是極短的衝程。活塞在其汽缸中上下移動幅度非常短。衝程缸徑比僅為 0.4,不到典型市售車引擎的一半。 在 20,000 RPM下,一級方程式引擎的相對活塞速度為每分鐘 5,248 英尺。 一級方程式發動機還使用了比任何機械氣門機構都快的氣動氣門系統。

相比之下,一台 358 立方英寸的 NASCAR 引擎,缸徑為 106mm,衝程為 90.9mm (仍然是偏向正方比,但不如一級方程式發動機那麼誇張),其活塞速度為每分鐘5,416 英尺,極限轉速為 10,000 RPM。再拿擁有 500 立方英寸的 Pro Stock 拖曳電動機可能正在運行的缸徑為 120mm,衝程為 89.41mm。 在 10,000 RPM下,使得他的活塞速度與 NASCAR 引擎大致相同。但如果它們運行的是較小的缸徑且增加衝程 (例如 95.25mm),則活塞速度可能高達每分鐘 6,250 英尺。這個增加的活塞速度將使得他的引擎極限轉速成比例幅度的降低。

較高的活塞速度不僅會增加引擎內部的摩擦力和活塞環磨損,還會明顯的增加連桿上的負載。在更長的桿上使用較短較輕的活塞可以幫助減少這些應用中連桿上的應力。最佳的連桿比和缸徑衝程比組合在很大程度上取決於缸頭,進氣流道和增壓室的流動特性。較短的連桿最適合可以流經大 CFM 數的噴頭和進氣系統。連桿越長,缸頭和進氣系統的氣流就會越慢。根據一些研究資料顯示,幾年前在 Pro Stock 比賽中提供最佳性能的連桿比約為 1.8。

總結:

打造一個贏得比賽的引擎沒有神奇的公式或是固定的基準方針。連桿比和缸徑衝程比可以有很大的不同、很多的配置。在某些賽制中可能會有限制最大引擎排量的規範、也可能會限制最大缸徑和衝程長度。但在這些規範中通常都還會保留一些提供不同組合實驗的空間,不要一昧的把重點放在單一項目或是特性上,透過正確的基礎知識不斷的嘗試才是製造一顆具有競爭力引擎的秘訣。

下一個章節,我們將會對各種不同的衝程比例形狀 (短衝程、長衝程、等效衝程) 做出比較詳細的研討解釋。

相關資料來源:CP, JE, Wesco, Engine Builder。資料收集、翻譯 TAG Engineering, 轉載請附出處

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