幾年前幫車友調XR250的汽門間隙時,被問到為啥曲軸電盤那邊是逆時鐘旋轉?順時鐘旋轉不行嗎?...好像也可以,但我這人的好處就是不鐵齒,手冊寫逆時鐘轉我就逆時鐘轉,除非就全然了解這設計,還知道這設計其實是為了節省成本之類的原因,我才可能進行變動或優化...比如說二次進氣系統,我就把原廠的二次進氣系統給拆了!
不過這倒是好問題...曲軸為什麼逆時鐘旋轉?(以人在車子左側的視角)...答案不會難找,但後面竟有更多學問在...
下面照片很容易說明...摩托車前進時,後輪(A)是逆時鐘旋轉,鏈條不改變方向,所以前齒盤+驅動軸(B)都是逆時鐘旋轉...驅動軸(B)用齒輪連接離合器組+輸入軸(C),齒輪會改變旋轉方向,所以離合器組+輸入軸(C)是順時鐘旋轉,離合器組(C)又用齒輪跟曲軸(D)連接,所以最終曲軸(D)旋轉方向又變回來逆時鐘旋轉...
如果一開始設定曲軸(D)為順時鐘旋轉,但最終後輪(A)要前進,那就一定要逆時鐘轉,這中間的離合/變速機構就必需想辦法配合轉向...可以用鏈條連接曲軸跟離合器,那(D)(C)都順時鐘,到(B)(A)時也是逆時鐘轉,也可以多加一組齒輪來換向...不是做不到,是機構設計上合不合理?!傳動效率好不好?!
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| 曲軸以鏈條連接離合器/變速機構 |
另外一次是在裝活塞環,正按著手冊上複雜規定的角度,一環一環慢慢轉慢慢對齊...車友又問了,這活塞就圓的呀!圓型沒方向性,上面有汽門的閃角凹槽,這IN字朝進氣端我能理解,但活塞環還規定開口方向我就不能理解了,圓型就沒方向性呀...
X的!問題還真多,手冊畫得好好的,照裝就是了...活塞身為內燃機的重要主角,這裡頭的學問豈是你一個坐辦公室可以理解的?!...你也坐辦公室呀!難道你就懂這方向的意義?!...客氣客氣!我不能說全懂,但我Pink豈是浪得虛名,我敢拆你車敢收你錢,就是懂這些,要不然我都不敢拆了!...講給你聽怕你聽不懂!
首先活塞看似在汽缸內直上直下,但活塞直徑小於缸徑,它必需小於缸徑,要不然就塞不進去...中間的間隙靠活塞環往外張來撐著,活塞環往外張的力量說真的也不大,當有比較大的力量施加到活塞上面時,看似直上直下,其實活塞會偏擺,然後就跟缸壁產生親密的接觸...
這接觸面就是Thrust Surface,中文直翻就推力面,車界常稱呼為衝擊面...Thrust Surface主要有兩種...
Major Thrust Surface = 主推力面 = 動力衝擊面
Minor Thrust Surface = 次推力面 = 壓縮衝擊面
先說次推力面...當活塞向上做壓縮行程時,被壓縮的油氣會對活塞頂表面產生反推力,這時活塞持續向上,油氣被壓縮產生反抗的力量就越大...就算推到活塞頂表面的力是垂直的,但是活塞還是會偏向一邊,因為活塞下方的挺桿不是垂直呀!它是斜的,就產生了一個側向分力,逼迫活塞一側跟缸壁接觸...接觸的面就是Minor Thrust Surface = 次推力面 = 壓縮衝擊面.
至於活塞的哪一側會是推力面?...跟我們開頭講到的曲軸旋轉方向有關,以下圖為例,曲軸順時鐘轉,挺桿由左下向右上方的斜向指去,跟這符號一樣 / ...這時水平分力會把活塞推往右側接觸,這活塞的右側面就是Minor Thrust Surface = 次推力面 = 壓縮衝擊面了...因為壓縮行程產生的推力相較動力行程小很多,所以才會叫次推力面.
等壓縮行程末了,火星塞點火,燃燒爆炸的油氣,把活塞往下推...這時挺桿方向從 / 變直立 | 然後變成 \ ...這時推力面就從右邊換到左邊,這動力行程的推力面就叫Major Thrust Surface = 主推力面 = 動力衝擊面
了解挺桿斜向產生的水平側向分力後,就可以了解活塞推力面/衝擊面的產生原因...知道曲軸旋轉方向就可以知道推力面/衝擊面會發在活塞哪一側...
既然活塞在推力面會跟汽缸接觸,那活塞環開口(Gap)就盡量不要朝向推力面,因為活塞環開口(Gap)在施力情況下是有可能刮傷汽缸內壁,所以車廠就會規定活塞環安裝時開口該朝向哪邊...各環的開口也會錯開,這主要是希望汽缸的吹漏氣要多繞些路,提高活塞環的氣密性能...另外一個小心思是...如果活塞環開口有可能刮傷汽缸內壁的話,那就不要讓所有活塞環都刮同一個地方,就全錯開吧!
最常見是三環開口各錯開120度...最下方油環三層還各別離開一些距離!我拆過的Honda單缸車款,幾乎都是這樣規定!
當然也有別種規範...第一二環開口錯開180度,油環上下兩層也錯開180度.油環中間的膨脹環對齊第一環!
這款更極端...第一二環開口直接相差180度,對齊活塞插銷,遠離前後的推力面~油環三層各分開120度...其實我覺得這是最好的活塞環開口角度!...如果說某部車我找不到原廠規範時,我可能會這樣裝!
但是...不是長頭髮的就是女生...不見得所有車廠活塞環都是規定這樣,主要還是看設計...有設計活塞環開口直接面對主推力面...活塞環開口不是會漏氣嗎?!不是會讓馬力流失嗎?!那就讓汽缸的接觸使得活塞環開口更緊閉,氣密性更好,性能更好...就不怕開口刮傷汽缸內壁?!這也不是不能解決,比如缸壁鍍硬塗層,比如開口做倒角,比如開口密合型狀,比如活塞環材質,甚至比如活塞推力現象很小...都可以避免開口刮傷汽缸內壁!
不過我還是建議依原廠設計規範來裝就是了...只是有時不要誤解原廠手冊的圖示...以下圖為例:
看起來第二環的開口好像朝向排氣側...但這是3D示意圖畫得不夠明顯,它所有開口都避開推力面.
再聊一下深入一些些的東西...
古早引擎上,活塞銷就剛好是活塞的中心線,這樣子就是活塞升到上死點,剛好挺桿也是伸到最長然後換向,換向就是從 / 變成直的 | 再變到另一個方向傾斜 \
在挺桿換向的那瞬間,活塞本來向上壓縮是右側貼住汽缸,然後挺桿換向,變成左側貼向汽缸...這情況產生了活塞敲擊汽缸的聲音,不知道的人還以為達達的是引擎有問題...事實上引擎的確是有點問題,就是活塞正在敲汽缸內壁,敲久了就容易產生損傷.
怎麼消除減低敲缸現象,可愁死工程師了...不過總算有智商在線的人找到解法...就是就是把活塞插銷偏置,不要讓它在中心線...這樣子可以讓活塞還沒到上死點前,挺桿已經開始換向了,讓活塞在爆炸的壓力還沒到來之前,就先離開次推力面,甚至就靠近主推力面了,等爆炸的壓力下來時,活塞只偏擺移動一些些就貼到主推力面了,大大減少敲缸的聲音,而且因為挺桿在動力行程前就已經換好向準備迎接活塞向下的動作,也讓引擎運轉變得更平順!
網路上就有人量測活塞兩邊到活塞銷的距離,結果還真的不相等,兩邊差了1mm左右,這就是活塞插銷偏置的距離.
有工程師嫌這樣還不夠,把腦筋動到活塞推力面上,在推力面上鍍耐撞擊耐磨的材質,更進一步要消除敲缸的現象.
但活塞插銷偏離中心線沒辦法偏太遠,偏太遠活塞容易偏擺,一般就偏置1mm以內,肉眼都很難查覺...而且活塞偏置就是減少敲缸聲,對活塞推力面改善有限...有些工程師就在想,活塞可以偏置,那曲軸可以偏置嗎?!
實驗結果...耶...竟然也可以,效果還更好!曲軸偏置量可以大過活塞偏置量,直接改善活塞推力面現象,推力面減少,敲缸聲就從根本處改善起!
有些車廠則是設計汽缸偏置...其實都是一樣的意思,就是曲軸跟汽缸不在同一個中心線上面!
汽缸偏置/曲軸偏置還有另個好處,我們先看一張圖:
相信騎過腳踏車的人都有經驗...當曲柄在12點鐘方向垂直向上時,腳踩踏要出較大的力量才踩得下去...等曲柄轉到2點鐘3點鐘4點鐘方向時,會發現腳踏向下的施力,轉換成旋轉力量比較有效率!
引擎的動力行程也有類似情況...油氣在燃燒室內被點燃後,壓迫活塞向下,曲軸要把活塞向下的力量轉成旋轉的力量...曲軸在不同角度有不同的水平分力跟垂直分力,轉成旋轉的力距就有效率上的差別!
因為油氣被火星塞點燃後,需要一點點時間從一個小火星擴展成一團爆炸的火焰團,所以活塞到上死點前,火星塞就會提前點火了...
如果汽缸曲軸完全沒有偏置...活塞到上死點時,曲軸挺桿就是在垂直12點鐘方向...如果剛好碰到油氣爆炸火焰團燒得正好,活塞向下的力量很大,但因為曲軸挺桿就是在垂直12點鐘方向,活塞向下的力轉成旋轉力距效率就很差!甚至可以讓挺桿彎掉引擎出怪手!
如果汽缸偏置/曲軸偏置,也就是活塞到上死點前,曲軸挺桿已經向1點鐘方向轉向了...接下來油氣爆炸火焰團讓活塞向下的力,就會進到曲軸比較有效率的轉換角度!比較充分地把汽油燃燒能量轉成曲軸旋轉的力距!
當然這都是簡單的概念說法,影響引擎燃燒出力的因子很多,其他因子相同的情況下,汽缸偏置/曲軸偏置是有助於引擎的性能發揮!
就聊到這邊吧...內燃機學問水很深的!我一個坐辦公室的,就是當成興趣,能深入了解的就有限!
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