缸头进化

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汽缸头的气道顺畅是制造大马力不可或缺的要素，为何改善气道的特性会生出你马力呢？ 引擎基本上就是一个空气泵浦，为了要尽可能的制造出功率，必须用最少的力气来吸进最大量的新鲜空气，并排出燃烧后的废气。进排气道多余的阻力将使引擎消耗更多的功 -- 一个
　　
　　汽缸头的气道顺畅是制造大马力不可或缺的要素，为何改善气道的特性会生出你马力呢？ 引擎基本上就是一个空气泵浦，为了要尽可能的制造出功率，必须用最少的力气来吸进最大量的新鲜空气，并排出燃烧后的废气。进排气道多余的阻力将使引擎消耗更多的功 -- 一个不是用来转动轮子的功，这个多消耗的功称为「吸排损」 (pumping loss 无责任乱翻 ) 。

　　想象一下用细吸管喝一杯很浓的奶席，你要多用一点力才吸的起来，如果换一根粗一点的吸管，就会容易多了不是吗？ 你用细吸管吸奶昔多花的力气就是 pumping loss 。同样的道理，如果你的引擎多花一些力气来吸进气体，它就会少了一些力气来转动曲轴和轮子。

　　另一个重要的因素是容积效率 (or 填充效率 volumetric efficiency) ，容积效率是每一个进气行程中，活塞扫过的体积被气体填充的比率。例如你有一颗排气量 1000cc 的引擎，假如它每一进气行程只吸入 800cc 空气，这颗引擎就有 80% 的容积效率。新的国产 ( 作者他们国 ) 自然进气引擎的容积效率就在 80% 左右。

　　工厂通常会依照进排气道的大小，谨慎的将其体积与形状最佳化，特别是那些进口的引擎。但当要增加一颗引擎的马力时，对空气流通的需求就会改变，进气岐管、汽缸头、排气系统以及凸轮轴，这些促进高转运作的零件都需要更通畅的气流特性。更多的空气流过就需要大口径的进 / 排气道，如同用两倍粗的吸管来吸奶昔一样会更容易。这就是进排气工程的最主要效应，藉由降低进 / 排气阻力来降低 pumping loss 并增加容积效率。

　　在设计汽缸头以及进排气孔道走向时，常常为了降低汽缸头高度好将引擎塞入更低的引擎盖下或为了闪避汽缸头螺丝、水道、挺杆 ... 等，必须将进气道弯曲来妥协。直到最近，进口高输出马力引擎的设计者，才在设计汽缸头时先设计气道以达到最佳的气流特性以及容积效率。而国内 ( 作者那一国 ) 的引擎似乎是将其它零件位置的重要性摆在气道前， Big 3( 大三？ ) 的设计人员似乎只先考虑有足够空间的铸体可以摆气道，至于气道位置等其它汽缸头零件位置确定后最后再来决定。部份原因是因为这些引擎都是比较老的设计，制造商想延长其生命期增加获利。

　　在进排气修改工程中，进排气道一般都是以手工小心的改变其形状尺寸，气道被加大、拉直、流线型化，以降低 pumping loss 造成的阻碍，以及降低气体的乱流来尽可能的增加流速。

　　气道直化 ( 拉直 ) 的过程中，大部分是用目视的方式以 die grinder( 可以拿在手上的那种小砂轮 ) 和钻头来做出直线，拉直就可以去除那些产生乱流的弯曲处，虽然对此规则而言有少数的例外，但大多情况下可视为一个通则。此过程必须依靠大量的手工来完成如上述利用 die grinder 来去除切削痕、沙模铸造的凹凸不平、以及工厂量产时碰撞的伤痕。有时甚至用 CNC 车床来处理那些比较受欢迎 ( 量大 ) 的引擎。虽然这工程对马力有很大的好处，但一般都不会由工厂 ( 制造商 ) 来做，因为需要大量的手工以及高超技巧的技工，成本太贵了。

　　进排气修改和其它改装一样，也有其限制，有时可能会把洞挖太大了，业余的改装者用气动的 grinder 很容易就把动挖太大，大到像荷兰的隧道 ( 比别国的宽吗？ ) 。大的气道可以通过大量的气体，但是光有大量的气体不会产生大马力，相同气体量的需求下，大孔径的气道会有较低的流速，一道固定质量的流体流体在较低流速下会有较少的惯性 (inertia) 和较少的位能 (potential energy)( 注：这边作者应该是弄错了，正确的说法应该是有固定的惯性，较少的动能 ) ，可能就失去冲击进气效应 (ram effect 靠气体流动本身的动能将气体尽量填充到汽缸里 ) ，这个效应在低转速时气体完全充满汽缸以及高速时的的最大容积效率都很关键。

　　低转速时气体的不完全填充会造成差的低转马力以及油门反应，将气道挖太大的症状就是沈闷的低转速表现或是高马力只会产生在很窄的转速域，并伴随着粗糙起伏不定的怠速。

　　化油器或节流阀体喷射供油 (throttle-body fuel injection) 的引擎，若有挖太大洞的情形，低流速或甚至停滞的气流会造成喷油的问题，伴随着引擎的反应呆滞。大致上，一颗进气挖太大加上大角度凸轮的化油器引擎，在低转速会几乎无法起步。而且挖太大也会减弱汽缸头的机械强度而造成弯曲，会时常冲掉汽缸垫片甚至汽缸头直接裂掉。

　　有效率的进排气修改，主要的诀窍就是将「吸管」加大到可以解你的饥渴，而非加大到连吸一口到嘴巴里都有困难的地步，这是一个不是很好理解，技巧、艺术与科学的组合，并没有死死的工程准则可以应用到所有的汽缸头，每一种形式的汽缸头反应会有一些差别。

　　为了真正了解一颗特定汽缸头的最佳进排气形式，设计人员花很多时间在流量台 (flowbench) 上，去探索有哪些技巧可以使汽缸头增加最多的流量，大多是利用尝试错误法，而流量台是一种可以测量汽缸头气流量的机器。一个好的汽缸头专家会试图将气道做到以最小的扩大得到最大气流量，将流速放优先，他们也会将每一气道进气等量，让每一汽缸吸进同量的空气。而大多数好的汽缸头改家 (tuner) ，会有他们自己的秘密修改方法，可以找出具有小体积、高流速以及大流量的神奇口径。在 NASCAR 、 CART 、 NHRA 和 F-1 的竞赛中，进排气形状是一个队里的最高机密。

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　　前面有提到，以目视来修改进排气道的方式会比事先设计好，但这不永远是最好的修改气道方式，有一些与直觉相反的例外存在，必须经由流量台或马力机的验证，大缸径短冲程且器门距离近的引擎常常比较喜欢用气道方向偏向汽缸壁的形式，这样可以避免在进排气重迭时，吸进的燃气直接冲向排气孔。

　　低导入角 ( 进气道比较水平 ) 的引擎会在进气道靠进气门座的地方做出一个凸起状，将进气气流导向汽缸底部避免进气气流直冲排气口，而汽门位置较靠近汽缸边缘的汽缸头则会将进气道方向指向缸径中心，避免进气气流沿着汽缸壁而下。这些对策都无法由神奇的公式或是经验法则来预测，只有在流量台与马力机前才能分辨出谁是英雄谁是狗熊，而这也是艺术超越科学之处。

　　另一个汽缸头的重要观点就是汽门的处理，信不信由你，好的汽缸头改装，其气流能力的改进有 50% 可由汽门的处理产生，工厂里关于汽门的处理就是汽门座的切削，例如与汽门密封的 45 度切削面，另外有时会对气道出口接近汽门座处，做大略的切削，降低气流对汽门的接近角。

　　这是有些车厂的汽门处理被称为单角或两角 ( 不好意思不知怎么翻 ) ，单角指的就是汽门座的 45 度角切削， 2 角就是汽门座 45 度切削面加上气道出口的平滑切削 ( 上一段的第二种切削 ) 。在成本考虑以及大量生产的环境下，没有多余的时间与金钱花在微小的细节处，就像多角的精确汽门处理。如果真的需要大进气量，通常工程师会用比较便宜的办法，使用大一点的汽门，较宽的汽门座比较能容忍大量生产环境下的误差，即使汽门与汽门座的接面很明显的对不准，但在车辆的使用期间内还可以维持良好的密封性。当汽门与汽门座磨损后，汽门会往汽门座里『沈下去』的倾向，造成接触面不吻合以及『汽门包围』的现象。当汽门因磨损开始『沈入』汽门座时，较宽的密封接面也可以撑较久的时间。

　　高性能的汽门处理有三种角度的切削，加上汽门座切削两面的平面处理。首先是气道口切削 (throat cut) 一般大约在 60-70 度间，这可以让气流更容易转换到 45 度的汽门座切削。第二道切削就是汽门座的 45 度切削 (seat cut) ，这是与汽门真正接触达成密封目的的地方，在高性能取向的汽门处理中，此一 45 度的接触面会尽量做到最窄，只要能可靠密封，而且可以跟汽门上的切削角确实吻合即可。

　　量产引擎为了符合量产所需的大范围的误差容忍，此 45 度切削面必须做的比实际所需还宽很多，而在 4 汽门引擎汽门修改中，此汽门座切削面的宽度在进气部分通常只有 0.040 inches ，排气部分为 0.050 inches ，排气部分比较宽是为了让接触面大一点有利排汽门将热量散发到汽缸头上。当此切削面做到最小时，可以降低因经过相邻的不同切削面时气流远离切削表面效应所造成的阻力，如此当汽门开始离开汽门座时，气流会有较大的空间可以较快进入汽缸。 第三道也是最后一道的切削叫顶切削 (top cut) ，这一道切削紧接在汽门座切削之后，角度大概是 20-30 度，顶切削也是为了当汽门刚要离开汽门座时，避免气流紧贴着汽门流过。

　　有时汽缸头改家会做 5 角度的汽门处理，在进出汽门座切削的两面加上更小角度的切削，使得由汽门座切削面进出的气流路径更平顺。

　　有些汽缸头改家觉得最好的气门处理是圆弧汽门处理 (radius valve jobs) ，这个处理是将 5 角处理中，与汽门座切削面两边相邻的两切削面以手工磨成圆弧，使得气道壁到汽门座间的角度变化连续，气流路径的转换会更顺畅，这个工作需要大量的手工，所以非常贵，但有些汽缸头技师坚决相信这样做会让气流变差 ( 而且有流量台测试为证 ) ，这是另一个艺术与科学冲突的例子。还有一个加强气流顺畅的技巧是在汽门背面相邻 45 度切削面后加上一个 30 度的切削面，这也可以避免在汽门刚打开时，气流紧贴着汽门背面而出，这一步骤在汽门扬程还很小的时候很重要。

　　另一个技巧就是缩小汽门背面汽门杆的直径，只要缩小几 mm 就可以有效的缩小汽门杆直径，减少它挡住气道出口的程度，但小心不要缩小过头，那会降低汽门杆的机械强度。另外也可以在汽门背面做一些罗璇状的研磨，这样可以降低贴在汽门背面的气流厚度，就类似高尔夫球上的小凹洞一样可以降低表面的气流阻力。

　　在低扬程时的气流对于制造马力是非常重要的，因为汽门停留在接近开启关闭这些低扬程位置的时间较汽门全开的时间长，简单的说，在一次进排气循环的周期中，汽门全开的机会只有一次，但因为要开启关闭，接近汽门座的时机有两次。这是为何单单一个汽门处理对气流及马力的影响如此大。

　　不像大部分加大马力的改装会牺牲低转速马力来增强高转速马力，修改汽门影响的马力没有转速的分野，高性能的汽门处理增加全转域的马力，不会有其它的牺牲或缺点，除了荷包以及有可能影响长期的耐久度，因为窄的 45 度切削面可能磨损比较快。虽然有些改家质疑这个论点，一般街车的气门处理通常会用稍微宽一点的 45 度切削来提升耐久度。新的 DOHC 多汽门引擎因为使用无铅汽油通常会有汽门座硬化处理，另外汽门弹簧的压力也比那些老 v8 引擎低，所以汽门座磨损的程度很低， 45 度切削面的宽度对长期耐久度不再关键。

　　有时会将较大面积的气门装进引擎来增加气流量，但这必须在研发汽缸头时就用流量台测试，因为大的汽门有时会因为气流贴着汽门背面流出而降低气流量。汽门位置比较旁边或燃烧室较深、缸径小的引擎比较容易有此倾向，这是因为大汽门的边缘会比较靠近燃烧室侧壁，挡住了气流进出进排气口。

　　工欲善其事，必先利其器。很多汽缸头专家使用类似钻台的固定器具，以及不同椎状的磨石来磨出不同角度的切削面，好的汽门处理是可以这样做，但太累了，而且无法把每个阀都处理的完全一样。优秀汽缸头专家的一个征兆就是使用鸟头牌汽门研磨机，它是一台昂贵 (50000 美金 ) 的机器，可以迅速做出精确、完全相同的多角汽门处理，它利用一个浮动式的转头以汽门导管来对准中心，可以确保切削面完全对准汽门的中心轴，而切削的深度也很好控制，鸟头牌的机器可以轻易完成优异的气门处理。

　　确实的切削角度数据和气道形状一样，是很多汽缸头技师和车队的机密，这边所提到的数据和技巧会因不同专家而异。要在近期 (1996 年以及之后 ) 配备 OBD2 的引擎上成功的改装汽缸头，必须避免将气道挖太大，因太大的气道和汽门会使气流流速明显变慢，会容易在汽门重迭时引起回流 (backflow or reversion) ，这会产生几个问题。因为流速已经很慢，回流的征兆在怠速和低转速时更容易听到，严重的回流会扰乱空气流量计读数，当流量计电压上下波动超出 obd2 限制的范围，就会产生故障码。而大口径低流速的气道会使的配备高角度凸轮的引擎怠速更不稳定，这会造成曲轴角度感应器的读数不规则， OBD2 系统会认为点火错误 (misfire) 而产生故障码。

　　不稳定的怠速也会使引擎的油气太浓，造成含氧感知器在怠速时电压偏高，这也会产生故障码。被储存的故障码在做排气测试时会有问题，看贵州的排放法规有多极权而定，有些州只要有一个故障码，不管你的车排气多干净都算测试不合格。

　　配备 obd2 引擎的正确改装，必须密切注意保持整体气道体积小，不要有大的像隧道一样的气道，只是一味的增加口径就玩完了，小心雕塑气道，增加气流量而不影响流速是最基本的。而增加流量也可以藉由切削汽门和汽门座来达成，没有产生故障码的风险。

　　有些汽缸头专家会改变汽缸头上燃烧室的淬火区 (quench zones) ，这是汽缸头上与活塞在上死点位置时非常接近的一个平坦的区域，屋顶式 (pentroof 将燃烧室顶部拱起可以容纳较大的气门，其东西南北四个斜面加上面就有五面 )DOHC 汽缸头一般有 4 个淬火区，淬火区促成更完全的燃烧，还可在活塞上到上死点附近时将混和气压往火星塞，让油气远离燃烧室边缘，增加混合气涡流降低混和气自燃爆炸 (detonation ，其后果就是敲缸声 ) 的机会。这样也可以减少靠近燃烧室边缘混合气的量，该处的燃烧比较不完全 ( 就被浪费了 ) ，而被推的比较靠近火星塞的油气会更容易点燃。当汽缸头有更多的淬火区时，只需要较少的点火提前就可以制造马力，因此熟练的改家可以将引擎改到更远离发生 detonation 临界的点，使引擎更耐用。

　　淬火区可藉由以手工焊接 (welding) 、研磨和重新塑造来增加淬火区的面积，将燃烧室做成像四叶幸运草 (cloverleaf 或类似高速公路交流道那种四个圈圈 ) 的形状，如此可以降低燃烧室体积、增加压缩比同时还有效的增加了淬火区的面积，在压缩时可以让混合气产生涡流，使燃烧更完全更平顺，让发生损害引擎 detonation 的机会降低。 AutoPowerDesign 的第六阶段改装就是一个很好的淬火区改装范例，事实上 AutoPowerDesign 是将这种技术用来改装四汽门引擎的先驱。

　　由修改汽缸头所获得的马力是相当可观的，像 Acuras 、 Hondas 、 Nissans 、 Toyotas 和 Mitsubishis 的新款进口四汽缸 dohc 四汽门引擎，已经有相当好的新形汽缸头，即使做很很多的汽缸头修改工作也只能增加 10-20hp 马力，而国产的引擎有时可以增加到 50hp ，更老式的挺杆式 (pushrod)v8 因其差劲的气道设计以及粗糙的生产技术，经过良好的汽缸头修改，可增加超过 100hp 的马力。

　　我们希望这篇入门文章可以尽量解释让你知道帮你修改的专家做了什么或是应该做什么来赚取你的辛苦钱，尝试介绍一些经常被用来修改汽缸头的技巧，只有少数硬颈的狂热份子会踏入修改汽缸头的冒险过程，但如果你已经到了大多数人的边缘，这将是迎向更多马力关键的一步。

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fanbin924

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leland

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fanbin924 发表于 2010-8-28 14:53

                               
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