进阶引擎工程学– 如何计算活塞压缩高度

我们知道一颗引擎组成的动力是透过各种精密的数据以及零件堆迭而成,很多时候大部分玩家希望拥有更长的冲程带来更高的扭矩而想变更预设的曲轴配置,然而往往变更冲程后连带就是活塞以及连杆搭配的问题。

很多玩家也许只知道活塞平面不要凸出本体上死点平面而想办法的更改连杆长度或是对活塞做切割修改。那么搭配不同的连杆长度对于活塞需要的修改部份又该如何判断呢?在做异种曲轴移植或是订制活塞或是连杆时又该注意什么呢?

其实,正确的引擎设计逻辑中,冲程连杆比例一直都是性能引擎重要的参考环节(他直接影响引擎的活塞速度、转速反应、转速极限、动态平衡性等等)、往往有时候选定了目标冲程跟连杆长度比例后、活塞反而凸出上死点非常多、那么正确的作法其实是需要透过额外订做适合压缩高度的活塞、而不是想办法缩短连杆去破坏冲程连杆比。

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▲ 依照设置的曲轴连杆长度不同、搭配不同活塞梢位置的活塞可以在正确的活塞压缩高度下保持优异的冲程连杆比


以下我们就透过简单的小公式跟讲解让大家了解什么叫做“活塞压缩高度” 让想要打造自己引擎的玩家有个参考依据。

活塞压缩高度:

定义为活塞梢的中心线与活塞顶部的平面部分之间的距离。在订购或是修改活塞时(尤其是定制活塞) – 清楚了解这个数字是相当很重要的,这样活塞就会相对于本体的平面表面(当缸头螺丝完全锁紧后)落在正确的位置。要确定最佳压缩高度,您需要知道您的本体运作行程高度、连杆长度以及曲轴行程。

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▲ 各项数据参考图。


以下先要了解一些基础部位的称呼以及尺寸丈量方式。

1. 甲板高度(引擎运作行程高度)

  • 意指汽缸上死点平面到连杆底部(曲轴一半行程)位置的总长。

2 连杆长度

  • 定义为连杆在活塞梢中心线到曲轴颈中心线的长度

3. 曲轴行程半径

  • 定义为曲轴冲程总长的一半

当准备好这些数据后就可以开始计算正确的活塞压缩高度临界值。

计算公式为 

汽缸甲板高度– (冲程除以2) – 连杆长度(可额外+- 活塞实际需要距离死点平面的高度)

矩个例子,BMW M42 搭配M44 曲轴的活塞压缩高度换算数据:引擎其甲板高度为212.5mm,连杆长度为140mm,冲程半径为84.5/2=42.25

其套用公式换算为212.5-(84.5/2)-140=30.25mm (基础预设为活塞上死点对齐汽缸平面)

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▲ 这个30.25mm 就表示活塞压缩高度临界值的最低极限要达到30.25mm (活塞平面到活塞梢中心线之高度)。


当你手中的活塞高度不足以达到这个活塞压缩高度数据时、表示你的活塞无法进行任何修改或是切割、连杆以及冲程搭配上也不正确。反之当数据超过计算出的数据时、你则可视活塞肉厚来做些微切割修改以适配正确的压缩高度(我们不建议修改任何一个完整成品的活塞、这里意指特殊情况下的留用或是客制活塞修整,使用者需对自己的修改造成可能的损坏负责)

但如果当引擎组装者做额外设定压缩比需要让活塞低于或是高于平面时,则只需要做额外的增减换算即可。例如,如需要让活塞低于死点平面0.5mm 则整段公式的后面在增加-0.5mm 即可ex. 212.5-(84.5/2)-140-0.5=29.75mm

正常活塞压缩高度平面需要持平汽缸死点平面或是低于汽缸死点平面(降低压缩比)。高于死点平面可能会造成引擎机械的损坏。

可能很多人会想大部分算活塞凸出多少修改多少就好了不是吗?是的!部分情况下是这样.. 但是如果当您需要使用长冲程的曲轴却又想要保留优异的冲程连杆比时、这时可能需要搭配更长的连杆,那么就需要更短的活塞。当你没有任何活塞当做参考依据时这个计算公式就变得很重要。

例如,当冲程加大到90mm 时,依照冲程连杆比最佳基准1.7 换算,连杆长度需要达到150mm 这时大部分活塞相信都会完全凸出平面非常多。在没有可参考的依据下,你会不知道活塞梢的位置该如何移动又或是该保留多少活塞距离。更不知道如何向活塞制造商确认活塞的尺寸(全球活塞制造商都用公制的尺寸换算表格,你需要清楚知道个部位的尺寸才能正确下单订做)。

这时透过公式可以简单的换算出212.5-(90/2)-150=17.5mm。则你只需要告诉活塞订制商,你需要的活塞压缩高度需要17.5mm 即可。这是一个很安全又很方便的计算法则,可以加速引擎建构者在挑选零件搭配上的安全性。

绝大部分的引擎制造商在设计上都遵循这个基础公式、而透过计算出的活塞压缩高度则表示可以达到最佳的燃烧效率以及压缩性能以及动力输出。

 


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