閒聊-RFVC

 



聊RFVC燃燒室是2013在YahooBlog的最後一篇文,還是把它整理存檔吧.

我們先簡單說一下燃燒室Combustion Chamber.

燒燃料產生動力的機械,都離不開燃燒室,燃燒室就是燃料燃燒轉化為其他能量的地方,不管是古早的蒸汽機或先進複雜飛機用的渦輪噴射引擎,好的燃燒室可以讓燃料能量轉換損失少,效率高!

這篇要討論的是汽油四行程引擎,工程師都希望油料在燃燒室裡燒得越完全越好,燒得越快越好,基本上燃燒室滿足下面條件越多越好...

1.燃燒火燄團傳播路徑要短,讓火燄在最短時間內燃燒完畢.

2.雖然火燄團越快燒完越好,但最好是先慢後快,這樣運轉才會穩定,怠速不必調高.

3.燃燒室形狀單純,整體表面積越少越好,燃燒的熱損失越少越好.

4.燃燒最終以推動活塞產生動力為目的,燃燒室型狀要有利於燃燒的油氣推動活塞.

5.進氣填充效率要好,就是短短的進氣閥門開啟時間,可以盡量多進來些油氣.

6.汽門/火星塞安排限制少.

7.型狀最好可以形成進氣渦流/擠壓渦流...紊亂的氣流進到燃燒室反而有助空氣與燃料的充份混合,而有助於燃燒!

除最後兩點外,其他條件幾乎都指向半圓頂燃燒室,汽門指向半球圓心處作放射狀排列,半球圓頂中央處點火,大約就是最理想的燃燒室了!各車廠百年來也都朝這方向努力,多家家作出了半圓頂燃燒室,但可惜都是兩汽門的...只有兩家作出真正意義上的半圓頂球燃燒室四汽門放射狀排放,有一家還早就倒閉了!

為什麼理想的燃燒室,那麼難作出來?...其實只要是理想的東西都很難,比如說理想的老婆,要溫柔體貼,宜家宜室,漂亮大方身材好,帶出去有面子,最好嫁妝有五千萬美金,加一棟敦化南路辦公大樓還有一棟陽明山別墅!

我們看一下各種燃燒室設計...

平頭(Flathead)

Flathead平頭燃燒室多在SV(side valve)引擎出現,這相對其他引擎是個優勢,就是鑽幾個孔裝火星塞鎖螺絲以外,其他沒東西,所以缸頭相當容易製作,一片金屬板子很容易加工成SV的Flathead缸頭.

這影片就是有能人用厚厚的透明板當SV引擎Flathead的缸蓋,然後實地觀看油料在燃燒室中燃燒產生動力的過程...也就SV引擎Flathead可以作到,其他種缸頭設計就難了.




https://youtu.be/jdW1t8r8qYc



紊流頂部(Turbulent Head)

SV引擎第二種燃燒室稱為Turbulent Head(紊流頂部)...或稱為Ricardo Combustion Chamber,這是早期引擎研究家Harry Ricardo爵士名字,因為他研究發現燃燒室這型狀可以讓進氣時產生紊流,有助於火燄傳播跟動力產生,它滿足了條件7.的要求...Turbulent Head燃燒室型狀好像有接近理想燃燒室,但是問題在燃燒室底部不全然是活塞頂,不能滿足上面條件4.的需求...也就是說就算油氣在裡面燃燒情況很好,但燃燒爆炸產生的力量,不是全部在推活塞頂,還蠻可惜的!

SV(side valve)基本上都淘汰光了,除了一些小型通用工作機(抽水pump,發電機...)還可能使用,汽機車就沒看過有新的SV引擎出現了.






現汽機車採用的主流型式是OHV(OverHead Valve)及OHC(OverHead Camshaft)引擎,把進氣排氣閥門從汽缸旁邊拉到汽缸頂部,轉正站好...這樣好處是進排氣的氣流就不必轉大彎,燃燒室型狀也可以變單純完整些...這就有機會設計出理想的圓型半球燃燒室.但還是有一些限制條件,所以就出現其他型狀的燃燒室.

浴盆式(Bathtub)&楔型(Wedge)

這兩種基本一樣,所以一起討論...浴盆式燃燒室好處在,汽門可以站直可以斜插,角度不刁鑽,汽門容易安排位置跟壓放,楔型燃燒室汽門需要稍微斜插,也很容易達成...這兩種多應用在單汽門引擎設計(單汽門指一個汽缸只有一支進氣門,一支排氣門,共兩支),架構相對簡單成本便宜,它的點火在燃燒室空間最大的地方開始燃燒,所以燃燒是先快後慢,會讓怠速不穩,轉速要調比較高或飛輪配重一些,而火燄傳播路徑長,轉速拉高,每次行程時間縮短,這種燃燒室會來不及燒完,所以就很難轉到高轉速,但成本便宜,中低轉速表現良好,很適合日常使用車輛!








活塞凹頂(Piston-crown)

浴盆式跟楔型都是在缸頭挖洞當燃燒室,另一種則缸頭保持平整,在活塞上挖洞作燃燒室空間,這種稱為Piston-crown,多用在柴油引擎上面!

這是Volvo車廠作給卡車柴油引擎用的活塞,有特別的名字叫 Wave Piston,那些凸起的脊塊,是希望達到理想燃燒室的條件7,事實也證明有達到,讓Volvo卡車更省油更有力,這活塞還有獲獎.



理想燃燒室條件7.提到,進氣最好有進氣渦流/擠壓渦流...不止Volvo,很多車廠有都朝這方向在走,這邊講兩個設計就好,不然講不完...一個是SUZUKI的TSCC (Twin Swirl Combustion Chamber)雙渦流燃燒室,以特定的角度安排進氣門及燃燒室型狀,讓活塞在壓縮行程時,擠壓造成兩個小渦流,這渦流就有助於油料與空氣充份混合,達成良好的燃燒.




另一個是Honda Hyper VTEC,但Honda沒有對燃燒室型狀作變動,而是在閥門上動手腳,低速時停止閥門頂部油壓,讓一支進氣閥不會作動,讓油氣只能從另一支進氣閥進來,然後自己形成渦流,也可以讓燃燒更好...高轉速時油壓作動,兩支進氣閥一起動作,以滿足高轉速進氣要求.





斜頂式(Pent roof)

當四汽門引擎流行起來時(一個汽缸有兩支進氣門,兩支排氣門),斜頂燃燒室也流行起來了...通常安排兩支進氣門在一側斜頂,兩支排氣門在另一側斜頂...這樣安排汽門角度單純,容易驅動汽門.

斜頂式燃燒室在屋頂上方小空間點火,再燒到下方較大空間,燃燒先慢後快,怠速穩定,火燄團產生動力往下推活塞時,活塞頂整個承接,油氣燃燒爆發的力量沒有浪費太多...斜頂燃燒室整個表面積也不大,熱能損失少,斜頂式燃燒室已經相當理想了,目前大多數多汽門引擎都採用這類燃燒室.









半圓頂燃燒室(Hemispherical)

有沒有比斜頂式(Pent roof)還理想的燃燒室?有!就是半圓頂燃燒室(Hemispherical),它滿足條件1~5,但條件6.汽門驅動及火星塞安排困難,這也是它出現不多的主要原因...條件7.進氣擾流也不如其它形狀,但可以用其他方式來補償,比如可變汽門裝置等等.




其實引擎一開始發展,就有很多車廠知道半圓頂是燃燒室最好的形狀...也都有投入研發及生產.包含福特,保時捷,積架,蓮花...把半圓頂燃燒室當宣傳,甚至就直接以HEMI命名而廣為人知的是克萊斯勒1951年發表Hemi引擎,Hemi引擎一直是克萊斯勒肌肉車的代表性引擎,扭力馬力表現都很強悍...但都是一進一出兩閥門設計,也就是說以相同架構作出兩進兩出四閥門設計時,它比較接近斜頂式燃燒室,嚴格講還不算真正理想的半圓頂燃燒室...不過都算有心了,都努力往理想燃燒室方向前進了.


PORSCHE 911早期半球型燃燒室引擎 有雙火星塞



難道四汽門半圓頂燃燒室,真那麼難作嗎???

第一家作出真正意義上的四汽門半圓頂燃燒室的車廠是一家倒掉的機車廠Rudge Cycle Co. 1930年以OHV架構作出理想的四汽門半圓頂燃燒室,參加知名Isle of Man TT機車賽事,包辦350cc組別前三名,厲害不?!灰熊地很厲害!

四汽門半圓頂燃燒室最大難點在四根汽門放射性安排,各自指向不同角度,這樣凸輪軸很難去驅動壓放...Rudge車廠似乎剛好揀到便宜,當年引擎以OHV為主流,挺桿的位置跟角度,相對比較容易安排...但即使是這樣,缸頭上一堆複雜的連桿機構,大概每次換機油都得重新上油,調整,鎖緊,而且看起來是不是自己可以DIY,可能需要專業人士才有辦法調好...拿來當賽車還OK,量產日常使用就不太實際了.






第二家本以為會是Kawasaki搞出來,因為Kawasaki很喜歡搞東搞西的...

Honda在1980左右研發半球圓頂理想型狀的燃燒室,最後以複雜的缸頭機構來達成設計目標,Honda命名為RFVC(Radial Four Valve Combustion Chamber 放射狀四閥門燃燒室)...設計難點在四根汽門是放射狀排放,各自角度都不一樣,凸輪軸/搖臂要壓放汽門就必需有額外的支架搖臂,讓缸頭變複雜!

RFVC研發的起點...要達成半圓頂燃燒室,還要四汽門放射排列,如果不作放射性排列,就等於普通的斜頂式(pent roof)燃燒室了.




Honda工程師千辛萬苦終於在1983年發表第一款RFVC引擎車款-XR350R/XR500R,而且一出場就幫Honda奪回Baja 1000長程越野賽冠軍,日後XR500/600/650多次奪冠...RFVC引擎成了XL/XR車系250/400/500/600/650的標配引擎,有一代XR200都有配.

與Rudge車廠引擎最大的不同是OHC架構,搖臂跟副軸都固定在缸蓋內部,平時引擎運轉時就會有機油潤滑,所以不需要額外的潤滑,調整,保養!

RFVC有SOHC/DOHC兩個版本...SOHC缸頭是四個不同角度的汽門,要統歸到一根凸輪軸來壓放,DOHC則好一點,一根凸輪軸只要處理兩個角度的汽門壓放就可以...以設計角度來講,SOHC的RFVC比較難設計,以成本角度看,當然DOHC RFVC成本比較高.

XL/XR車系跑off-road,跑山路,爬陡坡,跟擋路的石塊搏鬥...所以用SOHC版本,佔用空間小一些,重量輕一些,中低扭力好一些...也有外借給其它車款使用,如GB400 / 500 , FTR250 , CB250RS , CBX250S...DOHC版本CBX250RS , CBX125F , GB250 等道路車款使用.














RFVC不是沒缺點...有個重大缺點就是閥門放射角度排放,讓它缸頭佔的空間頗大...比如CBX250RS的DOHC RFVC缸頭,竟比其它廠同排量雙缸引擎還要寬...SHOC RFVC窄一些,但也僅於窄一些而已,還是比其它樣式缸頭要寬.

缸頭佔空間就讓RFVC很難用到多缸引擎上面,V2還可以,並排雙缸寬度可能逼近四缸引擎,如果RFVC作四缸直列,寬度恐怕超過CBX的六缸引擎了...

另一個缺點是,RFVC兩個排氣頭段沒辦法併攏,因為併攏的空間被火星塞佔走了,火星塞還不能挪,挪了就不是圓頂中央點火了...所以它排氣頭段一定會出來兩根,出來後再找地方併攏...用RFVC作四缸直列引擎,那排氣頭段一定得出來八根密密麻麻地排在引擎前面!







但 RFVC就算那麼好 ,也慢慢淡出了…一是燃燒室其它地方的精進改善,我用斜頂式一樣有大馬力,製造成本還便宜些…二是車種受限,RFVC只出現在單缸車,我本田總不能就靠單缸車吃飯…看看人家uni-cam技術,SOHC的成本,近乎DOHC的表現,缸頭還特別小,單缸CRF250R能用,雙缸 CRF1100L能用,V4的VFR1200也能用,保證後面本田還會把uni-cam用到直四上面,畢竟企業先考慮賺錢,有低成本能作到的東西,就不要亂花錢了!


介紹最後還搭載RFVC引擎的兩款車...一部2020還有在生產的XR650L.在北美市場上跟XR650R作高低配的車款,XR650R主打高速長途越野競技的大馬力暴力款,XR650L主打中低轉高扭力合法上街日用版...不過也有人拿XR650L去跑越野賽,就是那種彎來彎去轉速拉不高,極速沒很快的跨越障礙的越野賽...




一部是Honda面對歐洲市場推出的中型滑胎車FMX650,可以把它看作是XR650L的滑胎版,只是有個新名字,台灣也有進一批,而且現在二手車價還算合理.




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