大部分高性能引擎均能达至很高的转速,但让引擎能达至很高的转速却有一定的取舍。
有一副单汽缸引擎,活塞行程为40mm。曲轴以11,000rpm转动的话,活塞的时速便是40mm x 2 x 11000 x 60 = 52,800,000mm/h,即528km/h(曲轴转一圈,活塞便往一次,因此乘2)。虽然距离标准音速还有好一段距离,但步化不可谓不快矣。快,正是高转型引擎的魅力,但当中不无牺牲。
牺牲低转扭力
高转型引擎往往要牺牲一点低转扭力,以换取高转火力。所谓牺牲,并不是高转型引擎必定低转乏力,但在其它条件不变之下,高转化的确会削减低转扭力。未有活瓣正时及开启深度可变技术之前,这方面的牺牲便尤其明显。
在高速转动下,进出汽缸的气体会随着活塞的快速运动而变得激烈。为使汽缸能在短时间内吸入充足的混合气和废气尽速排走,办法之一是提前打开进气活瓣,并延迟排气活瓣的关闭时间,营造Valve Overlapping。进排气活瓣同时打开,废气不是会倒流至进气管吗?实情又不是如此,因为较早打开的排气活瓣,会令废气出现惯性的流向。若是控制得宜,进气活瓣随后导入的混合气只会有助推送废气离开汽缸。当然,部分混合气确有可能在这个推送过程中跟随废气窜进排气喉,迼成一定程度的浪费,但这样却可保证汽缸吸入充足的新鲜气体,产生强劲动力。
换转是低转速,由于气体进出汽缸的速度相对缓慢,长时间的Valve Overlapping反而更容易导致废气逆流。汽缸进气受阻之下,动力难免有损。而针对高低转速营造匹配的Valve Overlapping效果,正是活瓣开始时间及深度控制技术的目标。
除了Valve Overlapping,进气管的行程长短也是影响扭力水平的关键。这里无意详述当中涉及的物理,大家只需知道低速流动的空气较喜欢长而窄的进气管,高速时却喜欢粗而短的,试问用一条长度不变的进气管焉能两边讨好呢?结果唯有牺牲其中一方。结果,我们在多年前便有一些使用可变行程进气管的汽车。
看到这里,你可能会问:「既有活瓣正时控制,又有可变行程进气,高转型引擎还需牺牲低转扭力吗?」以下就让我们看看高转型引擎常被忽略的先天缺陷。
高转型引擎的缺陷
要发挥高转速,引擎的活塞行程宜短不宜长。以本文最初引用的引擎为例,假设活塞行程由40mm减至30mm,活塞时速又不变,引擎转速便会达到14,666rpm,活塞行程与转速的关系清晰可见。问题是行程缩短意味着汽缸容积下降,补救方法唯有加大汽缸直径,好维持同一的容量,但这样又引伸出其它问题,Knocking是其中之一。
大直径短冲程缺点
短行程汽缸配有一个相当阔的燃烧室,火嘴与燃烧室的边陲相去较远,火嘴点火所引发的燃烧震波需要较长的时间才能抵达外围地带,时间上的延迟遂有机会导致混合气未能在一瞬之间燃烧,继而产生Knocking。
大直径活塞还有另一个隐忧—散热面积大。热力澎湃之时,散热面大无疑是好事,但在热力较低的低转速环境,过度散热却可能增加「散热损耗」,汽缸温度偏低,削弱了混合气的燃烧效率,平白浪费了燃料。
第三个先天缺陷,跟先天优点重叠为一。引擎转得快,不但要求活塞快上落,活瓣的开合速度也要配合得宜。试想像引擎作9,000rpm运转时,活瓣的开关会是如何急激?为免活瓣因过量冲击而受损,我们便需要采用较硬的活瓣弹簧,而较硬的弹簧当然煞需要凸轴较费力地推压。所费的额外力量自然是羊毛出自羊身上。
第四个缺点又跟短行程有直接关系—活塞行程短,活塞连杆通常也属短。须知这条连杆有如杠杆,愈长的话,力量增幅也就愈大。这是十分简单的杠杆原理,大家当能推想短行程的高转型引擎转蚀了甚么。
另一个常见问题则关乎反应速度。高转引擎之所以诱人,与其说是转速极限高,不如说是快上快落的转速变化能力。为免拖慢活塞的运动,高转型引擎许多时会使用较轻的飞轮,问题是飞轮之重并非无因。若没有足够的重量,飞轮所储存的能量便难以抚顺引擎的转速变化。单纯追求高转速的敏捷度而减磅,结果可能就是怠转极度不稳定。
Last but not least,时常高速运转的引擎,机械损耗无可避免会高于低转型引擎。日日用的跑步鞋比上班皮鞋蚀得快一点,可以厚非吗?
结论
高转型引擎的缺陷不一而足,低扭强劲的低转型引擎也不见得完美,关键其实在于因时制宜。不要盲目推崇高转或低扭就是了。