Suck Squish Bang Blow 吸壓爆排系列文章
THE RECIPROCATING STUFF ─ 往復運動的機件
by Mike Kojima 麥克秀夫
原文刊載於 Sport Compact Car 2001年五月號
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譯者 / translated by SkyRipper
Suck Squish Bang Blow 吸壓爆排系列文章
THE RECIPROCATING STUFF ─ 往復運動的機件
by Mike Kojima 麥克秀夫
原文刊載於 Sport Compact Car 2001年五月號
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THE RECIPROCATING STUFF ─ 往復運動的機件
by Mike Kojima 麥克秀夫
原文刊載於 Sport Compact Car 2001年五月號
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譯者 / translated by SkyRipper
Suck Squish Bang Blow 吸壓爆排系列文章
THE RECIPROCATING STUFF ─ 往復運動的機件
by Mike Kojima 麥克秀夫
原文刊載於 Sport Compact Car 2001年五月號
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譯者 / translated by SkyRipper
前言：
這部分呢，我們要來看看是什麼東東把男人跟小鬼／專業車手跟業餘玩家／笨蛋跟瘋子給區分開來的....嗯，隨便啦。我們會探討引擎的下半座，這個主要在運轉的部分，對於引擎輸出有極大的重要性，雖然是最重要卻常常被忽略和誤解的地方。
引擎的下半座包括了缸體、曲軸、連桿、活塞、活塞環、大小波司、機油幫浦、和水幫浦。它主要的工作就是承受爆炸時氣體膨脹的壓力，轉變成柔順的往復運動。現在，我們先來看幾個作往復運動的零件：活塞，活塞環，和曲軸。
對於引擎下半座的改裝可以分成兩部分來看：一種是增強強度來讓缸體可以承受動力提昇所面臨時的嚴苛工作環境﹔另一種則是以增進機械效率為目的，為了提高輸出以及針對特殊引擎用途而作的改裝。另外，渦輪增壓，機械增壓，和重度改裝NOS時，如果你想要引擎活久一點，就必須針對其下半座來作特殊的準備動作。呵，耐不住性子了嗎？準備大幹一場了嗎？那就看下去吧，準備好你的鈔票，接下來要開始認真了。
打造一顆強壯耐久的引擎！
在我認為呢，大多數的日系引擎跟那些行之有年的美系國產引擎比起來，實在勇健太多了。好比說幾顆豐田的老古董：2T、3T、還有較新的3SG、20R、22R、三菱的4G63、以及日產的SR20DE、L系引擎，這些引擎都是惡名昭彰的強壯。舉例好了，SR20DE，可以輕易承受渦輪增壓直到輸出原本2.5倍的馬力而不需要改裝肚內。事實上只要正確的改裝和設定很多引擎都可以達到這種訴求。本田可敬的H系和B系引擎也是出名的金剛不壞。就算是本體稍為虛弱的一些引擎，像是豐田4AG、本田D16、日產GA16DE，它們的結構還是有一定的品質，所以這些引擎也有著相當不錯的強度。
雖然聽起來很矛盾，但這可不是"進口貨就一定比較好"的狗屁理論。我從小就一直不斷的操爆一顆又一顆的福特/雪弗蘭 small block 引擎，相對而言，這些日系引擎的強度和品質則是讓我一次又一次的感到吃驚。以福特來說，small block 5.0，這顆引擎原廠的連桿螺栓比Dave Coleman的腿還細(lol, Dave Coleman是SCC的主編)，連桿本身不但脆弱，甚至連汽缸床都容易變形。這顆福特5.0搭配的汽缸頭流量也是極差。而那可畏的雪弗蘭 small block ，國產引擎的中流砥柱，雖然沒有先天上的嚴重缺陷，但其強度也只是勉勉強強罷了。當要改裝這些引擎時，首先基本要做的是動手加工每一個零件，從連桿螺栓到正時鏈條，如果你想壓榨大馬力又要它耐用的話。我不知道花了多少時間耗在拋光連桿橫樑，給引擎缸體去毛邊，在上面鑽洞，車削掉了超多的肉來給每個零件做平衡。當時可是花了很多錢在塘缸店裡來車削缸體，重新改變連桿大端的孔徑，因為原廠這些零件的間隙值實在太大啦！我們把螺栓換成stud或是高強度的APR產品。曲軸和連桿拿去做shotpeen和氮化(nitrided)加工。這些國產引擎現在看來有太多的爛設計，像是正時鏈條普利上的牙竟然是用塑膠做的，好像只要罵它一兩句就會崩掉一樣，還有驅動機油幫浦的部分，更是弱到不行，常常莫名的斷裂然後就沒了機油壓力。
然而，因為這些引擎從設計到問世已經過了四十幾年了，所以改裝品倒是不虞匱乏，種類很多也很便宜，來彌補這些引擎先天上的缺陷。好笑的是，當你要改裝這些引擎時，基本上就是把90%的原廠零件都給丟到垃圾桶去，然後全部換上改裝品。汽缸頭，曲軸，連桿，甚至汽缸體本身都能在市面上找到改裝品(！)。
這些引擎仍然是國產性能引擎的代表，經過適當的改裝也能夠壓榨出可觀的馬力，但是這些引擎就像史前生物一樣，它們被設計出來時我們都還沒出生咧(甚至某些我們的父母)。但它們還是很厲害的唷，因為合理的設計，讓它們能夠經過四十年之後還屹立不搖，在一流技師的手裡仍然被壓榨出大馬力。然而呢，這些老不死的引擎時日不多了，除非是在鄉村裡，或因為某些條件限制非用它們不可的地方才能生存。街道上，來了一群新血，就是這些進口的日系引擎。
從光明面來看，新一代設計的國產引擎像福特 modular 系，以及在福特 Contour 上找到的 Duratec V6 ，GM Northstar，甚至是高科技的雪弗蘭LS-1(雖然仍然是OHV和汽門頂桿設計)，它們用上了許多日本率先採用的工程技術。有趣的事情：日本的山葉(Yamaha)幫福特設計了在 Taurus 上的SHO V6。這些新一代的引擎採用了鍛造/高密度鑄造的技術， 用了許多鍛造品，有較精密的間隙容忍度，和真正合適搭配的零件。它們很多都用上了每缸多汽門的汽缸頭、頂置凸輪軸、下半座大型的曲軸座(block girdle)、 以及藉橫向與縱向的螺栓，加強機件(如曲軸軸承座)的固定方式(cross-bolting 見圖一、 二 、三)，和很多以往只用在進口日系引擎上的東西。
當我二十年前頭一次拆開我朋友的Datsun(就是日產啦，後來才叫Nissan)L18引擎時，我猜想這些小日本的廉價玩意都是模仿我們的國產引擎才做出來的，永遠都不會變。但我一拆開後發現，它的連桿比任何一顆雪弗蘭Pink或是福特Ｋ系的連桿都來的好 － 原廠的情況下耶！它的連桿是用品質很棒的鋼材鍛造而成，有粗壯的螺栓，螺孔附近還有多出來的肉用以增進強度(bolt boss) ，有著那些國產同等引擎絕對看不到的設計。缸體本身，在主軸承蓋和汽缸床的肉厚足夠，汽缸床也不易變形。這些鑄造而成的零件表面是光滑的，沒有如同小沙粒或其他的垃圾附著其上。連桿大端非常逼近真圓﹔曲軸主軸承蓋的連結部分也一樣 － 沒有必要重新變跟尺寸。而上下做著往復運動的零件們(連桿活塞)出廠時就被平衡過了，裝在全平衡(fully conterweighted)的鍛造曲軸上面。幾年後我接觸到了豐田的引擎，基本上差不多，沒有更動連桿大端和做align bore的必要。零件常常原廠配重就相等，所以也不需要平衡。汽缸本體常常用了十萬英哩以上還看的到當初原本打磨的痕跡。這些實在強過我當時在搞的福特和雪弗蘭引擎甚多，於是，我開始愛上這些日系引擎了。而這些處理日系引擎的經驗更讓我對其的信仰日益加深。
直到今日，雖然國產引擎在品質和設計層面跨出了一大步，但這些進口貨卻還是有著很大的優勢，在強度上是如此，另外下半座也不需經過太多的加工，就能夠輸出大馬力。
在中度改裝的情況下，好比說所有引擎外部的套件(bolt-on 例如香菇頭和排氣管)，低增壓(10psi內，0.7bar)渦輪或是機械增壓，和約略加100匹馬力的NOS，只要你能夠避免爆震的發生，這些日系引擎的下半座幾乎都可以維持原廠設定不必更動。我已經在這一系列的文章跟你提起過Ｎ次了，爆震是我們的頭號大敵。
有些引擎是特例，本體非常的強壯。例如：日產SR20DE、VG30DETT 、豐田3SGTE、以及三菱的4G63，這些引擎原廠就可以承受前所未聞的惡搞，並且還能生存下來。這些引擎可以承受20psi(1.35bar) ─ 有些時候甚至更多 ─ 的增壓值，在原廠肚內未改的情況下，輸出將近400匹的輪上馬力。(譯者註：怎麼沒提到2JZ-GTE？肚內不用改就可以上一千匹唷！)當然啦，在這種情況下對於燃料和點火正時的要求要特別小心，一次爆震就會立即地毀掉一顆高增壓的引擎，但這樣搞也還ok啦，只要你知道自己在做什麼。這種玩法就好像要雪弗蘭或福特的 small block 引擎壓榨出1000匹馬力一樣。你可以試試看呀，打20psi的增壓值到那種引擎去，我沒有辦法想像這些 small block 可以支撐超過幾秒鐘。
但是也有一些少數不同的例子唷。本田D系引擎、豐田4AG、和日產GA16DE。以上幾顆跟那些較粗勇的引擎來比，連桿比較細。它們相對而言結構上比較弱。但其強度還是有一定的水準，也有著相當不錯的輸出表現，只是肚內零件相較之下弱了些。在這些引擎上，不要拉轉超過7500rpm，噴NOS時應該被限制在50匹內，增壓值也應被限制在8~10psi。雖然它們強度也不錯，但是為了長久的耐用度著想，這些限制還是要有的。
什麼是"藍圖設計"？(blueprinting)
這個問題我聽過Ｎ次了。blueprint 不是什麼神奇的魔術，也不是什麼印度阿三的神油(err...)。blueprint 是把機械上的間隙值改變成最能發揮馬力的設定。blueprint 這項程序通常可以在國產引擎上發揮極大的效用，因為這些國產貨本身的機械間隙實在太寬鬆了，至於在這些日系引擎上，對於馬力上的影響就非常的有限。
很多專家認為對於這些日系引擎而言，blueprint 最重要的部分是把大小波司的間隙值改大，藉此以降低摩擦阻力。他們還認為說活塞環和缸壁的間隙應該越小越好，以維持較佳的氣密。當然，其他人也會有不同的意見，但總之最重要的是確定各項間隙值都相等，而且都被良好地控制。
我個人認為為了長久的活塞環氣密，和為了維持波司上的油壓，各部位的間隙應該要保有一定的最小值(不能太大的意思)。倘若在SCCA的原場組參加賽事，我可能會把大小波司的間隙稍微設定的大一些，此外，活塞環和缸壁間隙則改小一些。
blueprint 各個波司的間隙在這些日系引擎上相對而言是很簡單的，因為原廠都有生產各種不同厚度的波司。因為這樣，所以各個波司的間隙都可以被精密的控制。在這些需要用到波司的零件上，如連桿，曲軸，都被蓋印上了編號來指定要用多大尺寸的波司，你可以在原廠的維修手冊上上找到圖表來解讀這些編號。如果你要變更間隙值，改變一號就好了。
因為大多數的這些日系引擎的曲軸都很粗勇，所以在拆解精修引擎時發現曲軸主柄或曲軸銷因磨損而變小的情形不容易發生，但是這種事在國產引擎卻是很常見說。如果引擎已經有相當的里程數，一般說來只要在稍微拋光主柄或曲軸銷部分，換上較原廠規格緊密一號的波司就好了。
另外一個重要的東西是要控制各缸的活塞環至缸壁的間隙相等。這要讓塘缸店精密的測量缸徑、活塞直徑、然後做到每一缸的間隙都一樣。好的塘缸店可以輕鬆的把各缸塘到一樣的大小，就像波司一樣，汽缸本體上都有刻蓋上了相對應的活塞編號，可以從原廠的維修手冊上來解讀。如果你還想用原廠活塞的話，原廠都會提供大一號活塞供塘缸過的汽缸使用(如本田就有大25條的原廠活塞)。塘過缸後，缸壁變的極為光滑，要記住的是不能拿新活塞環配舊的沒塘過的缸 ─ 這樣根本就不會氣密，這也是塘缸的目的之一。當採用的是非原廠的改裝用活塞時，未必都有合適的尺寸能夠搭配你的引擎缸徑，缸壁或活塞可能還要再經過車削 ─ 但這對一家好的塘缸店根本不是問題。每一缸的活塞環間隙差異值都應該被控制在0.0001~0.0002英吋以內(一條內)。用改裝活塞時，人們常常會順便擴缸來加大排汽量。一般而言日系引擎缸壁塘大0.04英吋或1mm都還不是問題。
每一顆引擎都應該做精密的(重量)平衡。平衡可以減輕震動對各零件造成的負擔。一顆粗糙沒經過平衡的引擎，或許在某零件只有多出幾克的重量，但實際運轉時卻會造成某處受力多出數英磅重的差異。如果這些不平衡的重量全部累積起來，可是會對引擎肚內零件造成不小的負荷。平衡包括了曲軸動態平衡，等重化各活塞/連桿大端和小端。怎麼做平衡呢？可以用鑽洞或車削的方式來平衡曲軸葉片，打磨連桿大端的軸蓋(rod cap)和連桿小端，以及小心車削活塞底部和活塞銷補強處(pin boss)周圍部分的肉。尤其注意活塞頂部肉厚不得少於0.200英吋(500條)並且不可以車削到 pin boss。在國產引擎上，通常為了平衡活塞我可以車削掉10公克以上的重量，這讓平衡活塞變得相當不易，唯恐減弱它的強度，而在這些容忍度要求較高的日系引擎上，各活塞的重量差異常常只有一兩克，至多不會超過三公克。現在你又知道我愛這些進口貨的另一個理由了。
活塞、活塞環、這些往復運動的零件
如果你在打造一台零四專用的賽車或是瘋狂的街車，為了一定必須的耐用度你得換掉更多的零件。原廠引擎通常用的是鋁合金活塞。日系引擎的活塞大多是高壓鑄造而成，反觀國產引擎，用的則是低壓鑄造的活塞。高壓鑄造的分子結構較為緊密，其弱點較少。鑄造活塞不硬，相較於較硬的汽缸壁來的容易磨損。鑄造活塞還有遇熱較不易膨脹的特質，所以活塞和缸壁間隙可以較為緊密(介於0.0005~0.003英吋，1~7條)，因為如此也可以降低排廢，減少吃機油的情況，對於活塞環造成的負擔小所以撐的也比較久，在引擎未達到工作溫度時也不會亂吵發出噪音。
而鑄造活塞的缺點是他們相對而言很"脆"，就算是體質較強的高壓鑄造活塞也是一樣。鑄造活塞都很容易碎而且遇到爆震或是引擎負荷重時便容易裂開。為了避免這些問題，如果你想要打造一顆大馬力輸出的引擎 ─ 或許渦輪/機械高增壓，或者噴很多的NOS ─ 這時強度更強的活塞並成必需品了，你需要的是鍛造活塞。
鍛造活塞是由鋁材經由模具用極大的壓力沖壓而成。這個鍛造的程序可以讓活塞周圍的分子結構排列的更緊密，進而達到最大的強度。用非常簡單的話講，金屬，就像木材般，由一粒粒的小型分子所構成(這裡木材構成的分子是植物細胞)，而我們要的是讓這些小分子之間的作用力能夠鏈結彼此，而非排斥。當你沖壓一片鋁材時(冷沖壓)，這個壓力將精湅這些金屬分子，讓彼此之間更加緊密，這個冷沖壓的動作同時增進了其強度和硬度。我接下來不會討論這些冶金學的玩意了，畢竟這脫離了這篇文章的範疇，總之，鍛造可以讓金屬強度變得更強，延展性也變得更好就是了。
鍛造活塞有兩種類：高矽含量的和低矽含量的。高矽含量的活塞比較脆，比較容易碎；但是遇熱膨脹卻不易膨脹。這種活塞強度比一般原廠鑄造活塞來的強，但不是最強的。使用這種活塞時活塞環間隙被允許可以緊密一些，通常是0.002~0.003英吋(5~7條)左右，比低矽含量活塞的間隙來的小，因此這些活塞便成了耐力賽和重改街車的最佳選擇。間隙小，對於活塞環和缸壁都能夠起保護作用，爆炸行程時因為間隙而產生的噪音也較小。
低矽含量的活塞是強度最強的。它的合金最具延展性，讓活塞可以處在極度惡劣環境下工作，好比說零四賽事，高增壓的引擎。然而最大的不利點是：遇熱較容易膨脹，所以活塞環間隙得大些，好比0.003~0.006英吋(7~14條)。這便造成了冷車發車時，引擎發出活塞左右敲擊缸壁卡拉卡拉的響聲(甚至在引擎達到工作溫度後也會...)。用這種活塞的引擎聽起來就跟柴油車沒兩樣，尤其是冷車時。較大的活塞間隙長期下來也會有較嚴重的磨損問題，畢竟活塞環和缸壁總是在打架咩。所以這種低矽含量的鍛造活塞通常用於非持續性的賽事，好比說零四。
鍛造活塞通常要訂製而成﹔除了本田引擎，國內的製造廠商大多沒有庫存貨，畢竟其他引擎的需求量不大。一些有生產日系引擎活塞的有名廠商：JE、Aries、Wiseco、Coswoth、Ross。
選購活塞時要謹記在心的方針為：如果你的情況是渦輪車，或其他種類的增壓(機械或NOS)，最好活塞頂平面到第一環的距離(ring land)能間隔0.250英吋(635條)。這樣能夠讓你的ring land有足夠的強度去承受這種嚴酷的工作環境。絕對不要讓這個厚度小於0.200英吋(508條)。我相信最好的活塞環還是原廠生產的活塞環。這些從年代較晚的日系車上拆下來的原廠活塞環，其較細的厚度減少了本身的質量和運轉時的造成的慣量，以避免高轉速時 "Flutter" (拍打，擺動之意)的產生。這 Flutter 的意思是，活塞在通過上死點快速改變方向時，活塞環在溝槽內上下浮動，造成和汽缸間多餘的間隙，然後喪失些許氣密的行為。質量較輕的活塞環較不容易發生這種現象。原廠活塞環也比較有彈性，能夠減少摩擦阻力，和在溝槽內的浮動。這些活塞環外圍也都鍍上了一層鉻來幫助維持氣密。(譯者補充：活塞環外圍通常會鍍一層特殊材質幫助順利跟汽缸磨合，可能是石磨，可能是磷酸鹽類，可能是鉬或者是錫，其本身材質通常是一般的鑄鐵... 而某些高檔的活塞裙部也會鍍上一層鎳矽化合物之類的玩意... 像是本田 Type-R 系列引擎的活塞都可以看到。)
還是有很多經驗老到的引擎技師不認同我這點(譯者：秀夫是絕對的當代大師...)。很多人採用一種社外品，叫Speed Pro gapless ring(沒有開口的活塞環)。它的第二壓縮環很特殊，是用特殊的方法把開口給堵起來。這種活塞環可以測出極佳的缸壓，但我還是喜歡比較高科技的原產活塞環，因為它們的品質和本身的結構較佳。
這些訂製的鍛造活塞還可以動一些手腳：gas port 和 gas trap。Gas port (活塞上的氣孔)是數個活塞頂部上的孔洞，這氣孔直通到第一壓縮環之後的環槽。當爆炸行程時氣體壓力可以直通到環槽內，推擠活塞環緊貼缸壁，用以增進氣密，尤其在高轉速時幫助頗大。這種設計呢，只適用於短程非持續性的賽事中(如零四)，因為這會加速活塞環的磨損。見圖：Gas port
Gas trapping 是在第一壓縮環和第二壓縮環之間另闢一道環槽﹔目的是讓爆炸時已經通過第一環的氣體"減壓"而不再漏過第二環。這也可以在高轉速時幫助活塞環維持氣密。這招本是從印地賽車和F1以及某些機車上學來的。這樣設計並沒什麼不利點，唯一的缺點就是必須用上多餘的空間(例如，這部分原本可以用在增進連桿長度上)，但是國內的活塞製造商好像並不愛玩這招，除了Cosworth。
而活塞頂部的設計則是一個最終影響引擎壓縮比的重要因素。壓縮比能看出引擎在壓縮行程的表現，這個比例的測量是：活塞在下死點時汽缸的容積 / 活塞在上死點時汽缸的容積。一個輕度改裝的自然進氣引擎，沒有可程式化的供油電腦輔助，倘若吃92的油，壓縮比設定到10:1都沒有太大問題。如果你能改寫你的ECU(燒另外的晶片)或是使用可程式化的供油電腦，那壓縮比即使到11.5:1都沒有問題。一台非街道用途的使用自然進氣引擎、並只吃賽車用油、純粹競技用的賽車，好比說 All Motor 八秒俱樂部或是道路賽用車，壓縮比可以從13:1甚至高到15:1。
較高的壓縮比大幅增進了一顆引擎的熱效應，且少量的增進了容積率。壓縮比每提昇1，你的引擎就大概增進了3~4個百分比的馬力。這個馬力的提昇是整體的唷，從所有可用的轉速域。而增加壓縮比時同時增進的熱效應，也提高了BSFC(brake speific fuel consumption，意義是每一磅的汽油每一小時能搾出多馬力)。當壓縮比超過14:1時，本來等量增加3~4%的輸出就會突然下降，變成較不容易看到有效的馬力提昇，而且說實在的，壓縮比到了這麼高，無論你是用什麼燃料，都很難去避免爆震的發生。
高壓縮比活塞就是凸頂活塞；這種活塞頂部會減少活塞於上死點時汽缸的容積，所以提高了壓縮比。其實活塞頂是越平越好，因為活塞頂太高會妨礙火焰的擴散並造成不安定的燃燒，甚至引起爆震或是喪失些許馬力。理想中的活塞是平頂設計的。平頂活塞燃燒得最棒，但是為了達到高壓縮比，凸頂常常是必須的設計。
強制進氣的情況下(通常是指機械增壓或是渦輪增壓，但NOS也可算在內，我們稱之 chemical induction ，化學增壓？)，需要較低的壓縮比來避免爆震的產生，尤其在吃一般汽油的情況。降低壓縮比可以打高增壓值而不需要大幅退點火。點火角度延遲太多，會讓燃燒室、汽門、以及渦輪本體都產生難以避免的高熱。當嚴重時，因為這種高熱，退點火甚至成為爆震的原因之一。所以降低壓縮比，可以保有一定的點火提前角，以避免這種退點火過頭爆震的情形產生，這時，需要考慮的爆震因素就只剩下過高的燃燒室溫度囉。
有些很有名的引擎技師們好比說 JG Engine Dynamics 他們反對這點，並且提倡在那些僅使用賽車燃料的引擎，採用高壓縮比配上強制進氣的設定(JG在渦輪引擎用上了11:1的壓縮比)。但一般傳統的觀念告訴我們，低壓縮比像是8.5:1才是一個健康的渦輪引擎不可或缺的東西。要到這麼低的壓縮比，通常是靠凹頂活塞來達成。凹頂活塞﹔望文生義就是把活塞頂部刻出凹底，來增加上死點時的燃燒室總容積。凹頂活塞的設計，應該是要讓活塞頂部沒有凹的部分(圓周部分啦) ─ 也就是最高的那一部份 ─ 越靠近燃燒室淬熄區越好。這樣設計的凹頂活塞才能讓燃燒室淬熄區的作用發揮出來。這種活塞我們叫他 reverse deflector 活塞(譯者按：說實在我不會翻，顛倒變流活塞？)，因為淬熄區能夠發揮作用，廢氣得以有效地被掃出，便降低爆震的產生。(譯者補充：燃燒室淬熄區英文為 quench area，quench係撲滅之意) 見圖：Reversed deflector & Gas trap
活塞銷，是鋼鐵做的，用以連接活塞和連桿。最好的活塞銷是用高強度，抗磨損的鋼材如H11(此為車床刀具用的鋼材)製成的。因為H11本身強度很強，所以可以讓活塞銷做的更細，更輕，當它跟一般的鋼材比較時優劣立見分曉。活塞銷是非常重要的，倘若因為活塞銷發生問題而造成損害，那這種損害將會是災難性的，幾乎整個引擎都會報銷了。最好的活塞銷是 taper walled 形式的。Taper walled 活塞銷就是中間和連桿小端部分最粗，而越靠近活塞外圍則越細。這種設計讓真正需要強度的中央有足夠的肉厚並且又在不必要的地方能減少重量，減少負擔。
日系引擎有種設計叫浮動式活塞銷。浮動式活塞銷可以在連桿小端內自由轉動，被一層青銅波司銅套包圍著。而我們的國產引擎都是直接把活塞銷壓入連桿小端的，不能轉動。浮動式活塞銷在高轉速時的好處立見分明，這種設計最不容易造成硬體上的失敗，因為高轉速時 pin boss 的負擔頗大，且浮動式比固定式的摩擦阻力來的小多了。唯一的問題就是，如果沒固定好活塞銷就會跑出活塞來然後摧毀汽缸壁， 而固定活塞銷通常有三種方式。
首先第一種叫做 cosworth clip (clip 是夾子的意思)因為這是由 Cosworth 的賽車引擎所率先採用的。它是一圈簡單的圓形彈簧，被固定在活塞銷孔四周的溝槽內。這種止滑環必須要配合特殊成斜面的活塞銷使用，這種活塞銷才能有效的把止滑環推進其溝槽內(譯者：你買活塞套件時都會附送活塞銷啦，不用擔心)。一般的活塞銷可能會把 clip 給推出溝槽外而導致嚴重的後果。(譯者：實在抱歉，我根本沒看過這種 cosworth clip 長什麼樣！無從推敲起。這段翻譯是在沒有圖片參考逕自翻的，可能詞不達意或詞意全亂，你們...就湊合著看吧)
另一種就是在活塞內部的扣環(snap ring，也可翻做止滑環)。這扣環基本上跟平常的扣環沒兩樣，不過是加強版罷了。這種扣環強度不錯，配合專用的扣環鉗也很好安裝。它們可以配合兩端全平的活塞銷使用。有些活塞甚至用上了兩層的扣環以備安全。需要注意的是，組裝這種扣環時需留意將較鋒利的一面朝外，如果該鋒利面朝內，可能會抓不住溝槽而彈出。美國許多的改裝品活塞製造商，都大量採用這種設計。
最後一種是一種螺旋狀的鎖環(spiral lock)。Spiral lock 基本上就是一小段彈簧。這是固定活塞銷最保險的一種方式，某些活塞甚至採用兩層鎖環的設計，然而，當拆解活塞時這鎖環必須破壞才能拆解，安裝時也不太容易。這也是被美國的活塞製造廠商大量採用的設計。以上任何一種方法都比固定式活塞銷來的優良。見圖：Spiro locks & 固定式、半浮式、全浮式比較
那連桿又該如何呢？
可能一顆引擎中最重要的部分就是連桿了。連桿必須要很強壯，因為它所承受的負荷，是依照轉速而成指數增加的。因為其承受的負荷改變量也極大，連桿必須得輕，但強度不能減少。連桿必須得是無堅不摧的，因為一但連桿毀壞了，通常整顆引擎也就報銷了。日系引擎的連桿比起國產引擎來的強壯許多，這些日系品，通常是鍛造而成或是用PIM技術熱鍛而成的。我們國產的汽車製造商則是用鑄造的方式生產了一堆連桿。日系連桿都有著粗勇的軸承蓋，和平面的肩部設計。
國產連桿卻常常使用細長的連桿螺栓，還有又瘦弱，被引擎運轉時的應力集中，形狀逐漸變尖細的肩部。這種逐漸變尖細的設計，會讓連桿強度變弱，和產生至少兩個地方讓負荷集中於此。為了怕你不知道，邊緣鋒利狀的零件會讓運轉時的應力集中，最後常常造成零件毀壞破裂。郵票四周的孔眼，和經過摺疊數次的紙張邊緣，這些都是很好的例子。見圖：連桿比較
因為日系引擎中的連桿都有著不錯的設計，所以說除非你準備要瘋狂的改造你的引擎，好比說超高的增壓值，NOS，或是打算拉到瘋狂的轉速，你才需要換掉原廠連桿。另外某些普遍的日系引擎如本田Ｄ系(廣大的喜美眾)、豐田4AG(1985~1988年份的Corolla GT-S即AE86、MKI MR2、FX16)、日產GA16DE(1991~1999年份的Sentra、200sx)這些引擎的連桿並不太強健。在只改改進排氣這種程度的改裝，原廠連桿堪稱夠用(...有不夠用的嗎?)，但倘若目標是極大馬力的輸出，一下子就達到它們的極限了。當馬力超過200匹或是轉速超過7500轉，原廠連桿就撐不住啦。這也代表著你應該把增壓值控制在8~10psi(0.55~0.7bar，說到這，真不知道台灣那些原廠吹1 bar以上的喜美是怎麼惡搞出來的)內或是噴僅增加五十匹馬力NOS。就算如此改法，改出來的車卻也是相當快！而在本田B系和H系、日產SR20、豐田3SG、和三菱4G63引擎上找到的連桿，則是近乎金鋼不摧了，然而，對於某些極度強化過的引擎來說它們還有進步的空間。
如果你還要再強化這些原廠連桿，你可以拋光連桿橫梁或是經過 shotpeen(珠擊法) 處理。拋光連桿橫梁，可以移除掉鍛造時的模線，這通常是應力最容易集中的地方，而 shotpeen 處理可以增強連桿抵抗金屬疲勞的程度達100%。Shotpeen 之後，你必須仔細檢查連桿，來看有沒有必要再變更其尺寸或是把它拉直，因為 shotpeen 時的力量可能讓連桿變形。Shotpeen 的過程包括了一連串拿鐵球敲打連桿的動作(撞擊時，速度和力量大小都是被控制好的)﹔這跟 sand blasting(噴沙處理) 或 bead blasting(噴珠處理) 是有所區別的喔。冷處理 Shotpeen 的動作，可以精練金屬表面的分子結構，有點像是針對其表面的金屬分子做小規模鍛造的動作。把外圍一層的金屬分子用力向內擠壓，可以在連桿受應力時避免裂痕的產生。要知道，小裂痕一但形成很快地就會變大。這就是 shotpeen 如何增強金屬零件，提高其毀壞臨界點。基本上，對日系引擎中的連桿來說 shotpeen 並不是那麼重要(不同於國產引擎)，因為常常它們出產的時候就已經做過這個處理啦。
連桿螺栓該如何強化？可以用一些高強度的社外品取代它們，好比說SPS或APR的產品。通常你買不到直接跟原廠大小一樣的零件，但總之去找SPS或APR就對了。原廠連桿可以稍微擴大其螺栓的孔洞，來配合這些較粗的改裝螺栓。通常啦，原廠螺栓強度就很好了。有多好咧？好到當你認為螺栓強度可能不夠時，你反而應該看看連桿，是該被換掉的時候了。
如果你打算打造一顆純粹競技用途的賽車引擎或是起笑快的街車，你可能得考慮搞一套真正競技級的連桿。競技用的連桿都用上了極高檔的鋼材好比說其強，卻又有延展性的4340合金鋼。這些連桿可能是從鋼坯上切割成形，或是像 Cunningham 生產的連桿，用4340鋼材鍛造而成。競技用連桿通常都經過很完整的拋光程序，移除掉容易集中應力的尖銳面以及鍛造時的模線。它們大部分也都經過 shotpeen 的處理。連桿螺栓也用上了高強度的鋼材，如H11，並且有著對應超過200,000psi 拉扯應力的強度。通常說來這些連桿都是精密製造而成的，所以也不需要再配重。
競技用連桿可以輕易承受超過15psi(1bar)的增壓值或是8000rpm的轉速。這些連桿的橫樑通常有兩種斷面設計：Ｉ斷面或Ｈ斷面。Ｈ斷面一般說來較佳，因為這種設計在連桿的受力向橫切面有著較佳的"斷面模數"(section modulus，工程用語，係指針對某一斷面而言的硬度大小)。Carrillo 和 Eagle 生產的連桿就是典型的Ｈ斷面連桿。至於 Crower 和 Cunningham 生產的則是典型的Ｉ斷面連桿。
因為連桿倘若變形就代表著整顆引擎的報銷，所以競技用的連桿對於馬力狂熱者而言，絕對是個划算的投資。競技級的連桿幾乎不太可能出問題，最常見到的問題則是出在軸承上；倘若波司燒掉，或是汽缸床墊片燒掉機油混進冷卻水，又進入軸承處，那最終引擎只有報銷一途。
另一個有趣的事是：因為連桿的拉扯力隨著轉速而 以指數方式增加，所以一顆拉到10,500轉，280匹馬力的自然進氣引擎，其連桿所承受的負荷將比另一顆500匹，8500轉的渦輪增壓引擎內的連桿還來的大。連桿較能夠承受渦輪增壓的強大爆炸壓力，勝於高轉速時其螺栓被拉扯時的應力。這也是為什麼原廠引擎改的好的話，可以藉由增壓獲得這麼多的馬力。
下次...
除了活塞連桿之外下半座還有更多東西要講，下次再談！下篇文章會提到所有還沒講到的，曲軸和缸體本身以及汽缸床墊片、機油幫浦、水幫浦等等。
補充：
1) 波司，台灣用語... 就是bearing，片狀軸承，又稱軸瓦
2) align bore 另請強者補充吧，小弟知識淺薄
3) quench area： babylon's dictionary of automotive terms 的解釋
見這顆加工過的B16A汽缸頭 & H22A原廠汽缸頭 前者在各汽門後有明顯的 quench area﹔後者則只有類 quench area 的設計
4) PIM，plastic injection molding，塑膠射出成形
5) sand blasting & bead blasting，噴沙處理 & 噴珠處理，用在磨光、去毛邊等等，不算是表面處理
6) 珠擊法(Shot peeping)是在工作物表面用大量的鑄鋼、玻璃、或陶瓷製成的圓珠加以衝擊，在表面形成部分重疊的凹坑。
此種作法引起塑性變形，深度可達1.25mm，所使用的圓珠尺寸範圍為直徑0.125mm到5mm。由於此種塑性變型並非均勻遍佈整個零件的厚度，
珠擊法會在作物表面形成壓縮的殘留應力，因此可增進元件的疲勞壽命。可參考此網頁：http://sunws.nhit.edu.tw/~metal/book3.htm
7) 非常棒的連結，幫助了解活塞各部位的名詞解釋：From arias piston's website
倘若有任何意見或想要指證錯誤，歡迎來信指教，我會非常感激你的！
前言：
這部分呢，我們要來看看是什麼東東把男人跟小鬼／專業車手跟業餘玩家／笨蛋跟瘋子給區分開來的....嗯，隨便啦。我們會探討引擎的下半座，這個主要在運轉的部分，對於引擎輸出有極大的重要性，雖然是最重要卻常常被忽略和誤解的地方。
引擎的下半座包括了缸體、曲軸、連桿、活塞、活塞環、大小波司、機油幫浦、和水幫浦。它主要的工作就是承受爆炸時氣體膨脹的壓力，轉變成柔順的往復運動。現在，我們先來看幾個作往復運動的零件：活塞，活塞環，和曲軸。
對於引擎下半座的改裝可以分成兩部分來看：一種是增強強度來讓缸體可以承受動力提昇所面臨時的嚴苛工作環境﹔另一種則是以增進機械效率為目的，為了提高輸出以及針對特殊引擎用途而作的改裝。另外，渦輪增壓，機械增壓，和重度改裝NOS時，如果你想要引擎活久一點，就必須針對其下半座來作特殊的準備動作。呵，耐不住性子了嗎？準備大幹一場了嗎？那就看下去吧，準備好你的鈔票，接下來要開始認真了。
打造一顆強壯耐久的引擎！
在我認為呢，大多數的日系引擎跟那些行之有年的美系國產引擎比起來，實在勇健太多了。好比說幾顆豐田的老古董：2T、3T、還有較新的3SG、20R、22R、三菱的4G63、以及日產的SR20DE、L系引擎，這些引擎都是惡名昭彰的強壯。舉例好了，SR20DE，可以輕易承受渦輪增壓直到輸出原本2.5倍的馬力而不需要改裝肚內。事實上只要正確的改裝和設定很多引擎都可以達到這種訴求。本田可敬的H系和B系引擎也是出名的金剛不壞。就算是本體稍為虛弱的一些引擎，像是豐田4AG、本田D16、日產GA16DE，它們的結構還是有一定的品質，所以這些引擎也有著相當不錯的強度。
雖然聽起來很矛盾，但這可不是"進口貨就一定比較好"的狗屁理論。我從小就一直不斷的操爆一顆又一顆的福特/雪弗蘭 small block 引擎，相對而言，這些日系引擎的強度和品質則是讓我一次又一次的感到吃驚。以福特來說，small block 5.0，這顆引擎原廠的連桿螺栓比Dave Coleman的腿還細(lol, Dave Coleman是SCC的主編)，連桿本身不但脆弱，甚至連汽缸床都容易變形。這顆福特5.0搭配的汽缸頭流量也是極差。而那可畏的雪弗蘭 small block ，國產引擎的中流砥柱，雖然沒有先天上的嚴重缺陷，但其強度也只是勉勉強強罷了。當要改裝這些引擎時，首先基本要做的是動手加工每一個零件，從連桿螺栓到正時鏈條，如果你想壓榨大馬力又要它耐用的話。我不知道花了多少時間耗在拋光連桿橫樑，給引擎缸體去毛邊，在上面鑽洞，車削掉了超多的肉來給每個零件做平衡。當時可是花了很多錢在塘缸店裡來車削缸體，重新改變連桿大端的孔徑，因為原廠這些零件的間隙值實在太大啦！我們把螺栓換成stud或是高強度的APR產品。曲軸和連桿拿去做shotpeen和氮化(nitrided)加工。這些國產引擎現在看來有太多的爛設計，像是正時鏈條普利上的牙竟然是用塑膠做的，好像只要罵它一兩句就會崩掉一樣，還有驅動機油幫浦的部分，更是弱到不行，常常莫名的斷裂然後就沒了機油壓力。
然而，因為這些引擎從設計到問世已經過了四十幾年了，所以改裝品倒是不虞匱乏，種類很多也很便宜，來彌補這些引擎先天上的缺陷。好笑的是，當你要改裝這些引擎時，基本上就是把90%的原廠零件都給丟到垃圾桶去，然後全部換上改裝品。汽缸頭，曲軸，連桿，甚至汽缸體本身都能在市面上找到改裝品(！)。
這些引擎仍然是國產性能引擎的代表，經過適當的改裝也能夠壓榨出可觀的馬力，但是這些引擎就像史前生物一樣，它們被設計出來時我們都還沒出生咧(甚至某些我們的父母)。但它們還是很厲害的唷，因為合理的設計，讓它們能夠經過四十年之後還屹立不搖，在一流技師的手裡仍然被壓榨出大馬力。然而呢，這些老不死的引擎時日不多了，除非是在鄉村裡，或因為某些條件限制非用它們不可的地方才能生存。街道上，來了一群新血，就是這些進口的日系引擎。
從光明面來看，新一代設計的國產引擎像福特 modular 系，以及在福特 Contour 上找到的 Duratec V6 ，GM Northstar，甚至是高科技的雪弗蘭LS-1(雖然仍然是OHV和汽門頂桿設計)，它們用上了許多日本率先採用的工程技術。有趣的事情：日本的山葉(Yamaha)幫福特設計了在 Taurus 上的SHO V6。這些新一代的引擎採用了鍛造/高密度鑄造的技術， 用了許多鍛造品，有較精密的間隙容忍度，和真正合適搭配的零件。它們很多都用上了每缸多汽門的汽缸頭、頂置凸輪軸、下半座大型的曲軸座(block girdle)、 以及藉橫向與縱向的螺栓，加強機件(如曲軸軸承座)的固定方式(cross-bolting 見圖一、 二 、三)，和很多以往只用在進口日系引擎上的東西。
當我二十年前頭一次拆開我朋友的Datsun(就是日產啦，後來才叫Nissan)L18引擎時，我猜想這些小日本的廉價玩意都是模仿我們的國產引擎才做出來的，永遠都不會變。但我一拆開後發現，它的連桿比任何一顆雪弗蘭Pink或是福特Ｋ系的連桿都來的好 － 原廠的情況下耶！它的連桿是用品質很棒的鋼材鍛造而成，有粗壯的螺栓，螺孔附近還有多出來的肉用以增進強度(bolt boss) ，有著那些國產同等引擎絕對看不到的設計。缸體本身，在主軸承蓋和汽缸床的肉厚足夠，汽缸床也不易變形。這些鑄造而成的零件表面是光滑的，沒有如同小沙粒或其他的垃圾附著其上。連桿大端非常逼近真圓﹔曲軸主軸承蓋的連結部分也一樣 － 沒有必要重新變跟尺寸。而上下做著往復運動的零件們(連桿活塞)出廠時就被平衡過了，裝在全平衡(fully conterweighted)的鍛造曲軸上面。幾年後我接觸到了豐田的引擎，基本上差不多，沒有更動連桿大端和做align bore的必要。零件常常原廠配重就相等，所以也不需要平衡。汽缸本體常常用了十萬英哩以上還看的到當初原本打磨的痕跡。這些實在強過我當時在搞的福特和雪弗蘭引擎甚多，於是，我開始愛上這些日系引擎了。而這些處理日系引擎的經驗更讓我對其的信仰日益加深。
直到今日，雖然國產引擎在品質和設計層面跨出了一大步，但這些進口貨卻還是有著很大的優勢，在強度上是如此，另外下半座也不需經過太多的加工，就能夠輸出大馬力。
在中度改裝的情況下，好比說所有引擎外部的套件(bolt-on 例如香菇頭和排氣管)，低增壓(10psi內，0.7bar)渦輪或是機械增壓，和約略加100匹馬力的NOS，只要你能夠避免爆震的發生，這些日系引擎的下半座幾乎都可以維持原廠設定不必更動。我已經在這一系列的文章跟你提起過Ｎ次了，爆震是我們的頭號大敵。
有些引擎是特例，本體非常的強壯。例如：日產SR20DE、VG30DETT 、豐田3SGTE、以及三菱的4G63，這些引擎原廠就可以承受前所未聞的惡搞，並且還能生存下來。這些引擎可以承受20psi(1.35bar) ─ 有些時候甚至更多 ─ 的增壓值，在原廠肚內未改的情況下，輸出將近400匹的輪上馬力。(譯者註：怎麼沒提到2JZ-GTE？肚內不用改就可以上一千匹唷！)當然啦，在這種情況下對於燃料和點火正時的要求要特別小心，一次爆震就會立即地毀掉一顆高增壓的引擎，但這樣搞也還ok啦，只要你知道自己在做什麼。這種玩法就好像要雪弗蘭或福特的 small block 引擎壓榨出1000匹馬力一樣。你可以試試看呀，打20psi的增壓值到那種引擎去，我沒有辦法想像這些 small block 可以支撐超過幾秒鐘。
但是也有一些少數不同的例子唷。本田D系引擎、豐田4AG、和日產GA16DE。以上幾顆跟那些較粗勇的引擎來比，連桿比較細。它們相對而言結構上比較弱。但其強度還是有一定的水準，也有著相當不錯的輸出表現，只是肚內零件相較之下弱了些。在這些引擎上，不要拉轉超過7500rpm，噴NOS時應該被限制在50匹內，增壓值也應被限制在8~10psi。雖然它們強度也不錯，但是為了長久的耐用度著想，這些限制還是要有的。
什麼是"藍圖設計"？(blueprinting)
這個問題我聽過Ｎ次了。blueprint 不是什麼神奇的魔術，也不是什麼印度阿三的神油(err...)。blueprint 是把機械上的間隙值改變成最能發揮馬力的設定。blueprint 這項程序通常可以在國產引擎上發揮極大的效用，因為這些國產貨本身的機械間隙實在太寬鬆了，至於在這些日系引擎上，對於馬力上的影響就非常的有限。
很多專家認為對於這些日系引擎而言，blueprint 最重要的部分是把大小波司的間隙值改大，藉此以降低摩擦阻力。他們還認為說活塞環和缸壁的間隙應該越小越好，以維持較佳的氣密。當然，其他人也會有不同的意見，但總之最重要的是確定各項間隙值都相等，而且都被良好地控制。
我個人認為為了長久的活塞環氣密，和為了維持波司上的油壓，各部位的間隙應該要保有一定的最小值(不能太大的意思)。倘若在SCCA的原場組參加賽事，我可能會把大小波司的間隙稍微設定的大一些，此外，活塞環和缸壁間隙則改小一些。
blueprint 各個波司的間隙在這些日系引擎上相對而言是很簡單的，因為原廠都有生產各種不同厚度的波司。因為這樣，所以各個波司的間隙都可以被精密的控制。在這些需要用到波司的零件上，如連桿，曲軸，都被蓋印上了編號來指定要用多大尺寸的波司，你可以在原廠的維修手冊上上找到圖表來解讀這些編號。如果你要變更間隙值，改變一號就好了。
因為大多數的這些日系引擎的曲軸都很粗勇，所以在拆解精修引擎時發現曲軸主柄或曲軸銷因磨損而變小的情形不容易發生，但是這種事在國產引擎卻是很常見說。如果引擎已經有相當的里程數，一般說來只要在稍微拋光主柄或曲軸銷部分，換上較原廠規格緊密一號的波司就好了。
另外一個重要的東西是要控制各缸的活塞環至缸壁的間隙相等。這要讓塘缸店精密的測量缸徑、活塞直徑、然後做到每一缸的間隙都一樣。好的塘缸店可以輕鬆的把各缸塘到一樣的大小，就像波司一樣，汽缸本體上都有刻蓋上了相對應的活塞編號，可以從原廠的維修手冊上來解讀。如果你還想用原廠活塞的話，原廠都會提供大一號活塞供塘缸過的汽缸使用(如本田就有大25條的原廠活塞)。塘過缸後，缸壁變的極為光滑，要記住的是不能拿新活塞環配舊的沒塘過的缸 ─ 這樣根本就不會氣密，這也是塘缸的目的之一。當採用的是非原廠的改裝用活塞時，未必都有合適的尺寸能夠搭配你的引擎缸徑，缸壁或活塞可能還要再經過車削 ─ 但這對一家好的塘缸店根本不是問題。每一缸的活塞環間隙差異值都應該被控制在0.0001~0.0002英吋以內(一條內)。用改裝活塞時，人們常常會順便擴缸來加大排汽量。一般而言日系引擎缸壁塘大0.04英吋或1mm都還不是問題。
每一顆引擎都應該做精密的(重量)平衡。平衡可以減輕震動對各零件造成的負擔。一顆粗糙沒經過平衡的引擎，或許在某零件只有多出幾克的重量，但實際運轉時卻會造成某處受力多出數英磅重的差異。如果這些不平衡的重量全部累積起來，可是會對引擎肚內零件造成不小的負荷。平衡包括了曲軸動態平衡，等重化各活塞/連桿大端和小端。怎麼做平衡呢？可以用鑽洞或車削的方式來平衡曲軸葉片，打磨連桿大端的軸蓋(rod cap)和連桿小端，以及小心車削活塞底部和活塞銷補強處(pin boss)周圍部分的肉。尤其注意活塞頂部肉厚不得少於0.200英吋(500條)並且不可以車削到 pin boss。在國產引擎上，通常為了平衡活塞我可以車削掉10公克以上的重量，這讓平衡活塞變得相當不易，唯恐減弱它的強度，而在這些容忍度要求較高的日系引擎上，各活塞的重量差異常常只有一兩克，至多不會超過三公克。現在你又知道我愛這些進口貨的另一個理由了。
活塞、活塞環、這些往復運動的零件
如果你在打造一台零四專用的賽車或是瘋狂的街車，為了一定必須的耐用度你得換掉更多的零件。原廠引擎通常用的是鋁合金活塞。日系引擎的活塞大多是高壓鑄造而成，反觀國產引擎，用的則是低壓鑄造的活塞。高壓鑄造的分子結構較為緊密，其弱點較少。鑄造活塞不硬，相較於較硬的汽缸壁來的容易磨損。鑄造活塞還有遇熱較不易膨脹的特質，所以活塞和缸壁間隙可以較為緊密(介於0.0005~0.003英吋，1~7條)，因為如此也可以降低排廢，減少吃機油的情況，對於活塞環造成的負擔小所以撐的也比較久，在引擎未達到工作溫度時也不會亂吵發出噪音。
而鑄造活塞的缺點是他們相對而言很"脆"，就算是體質較強的高壓鑄造活塞也是一樣。鑄造活塞都很容易碎而且遇到爆震或是引擎負荷重時便容易裂開。為了避免這些問題，如果你想要打造一顆大馬力輸出的引擎 ─ 或許渦輪/機械高增壓，或者噴很多的NOS ─ 這時強度更強的活塞並成必需品了，你需要的是鍛造活塞。
鍛造活塞是由鋁材經由模具用極大的壓力沖壓而成。這個鍛造的程序可以讓活塞周圍的分子結構排列的更緊密，進而達到最大的強度。用非常簡單的話講，金屬，就像木材般，由一粒粒的小型分子所構成(這裡木材構成的分子是植物細胞)，而我們要的是讓這些小分子之間的作用力能夠鏈結彼此，而非排斥。當你沖壓一片鋁材時(冷沖壓)，這個壓力將精湅這些金屬分子，讓彼此之間更加緊密，這個冷沖壓的動作同時增進了其強度和硬度。我接下來不會討論這些冶金學的玩意了，畢竟這脫離了這篇文章的範疇，總之，鍛造可以讓金屬強度變得更強，延展性也變得更好就是了。
鍛造活塞有兩種類：高矽含量的和低矽含量的。高矽含量的活塞比較脆，比較容易碎；但是遇熱膨脹卻不易膨脹。這種活塞強度比一般原廠鑄造活塞來的強，但不是最強的。使用這種活塞時活塞環間隙被允許可以緊密一些，通常是0.002~0.003英吋(5~7條)左右，比低矽含量活塞的間隙來的小，因此這些活塞便成了耐力賽和重改街車的最佳選擇。間隙小，對於活塞環和缸壁都能夠起保護作用，爆炸行程時因為間隙而產生的噪音也較小。
低矽含量的活塞是強度最強的。它的合金最具延展性，讓活塞可以處在極度惡劣環境下工作，好比說零四賽事，高增壓的引擎。然而最大的不利點是：遇熱較容易膨脹，所以活塞環間隙得大些，好比0.003~0.006英吋(7~14條)。這便造成了冷車發車時，引擎發出活塞左右敲擊缸壁卡拉卡拉的響聲(甚至在引擎達到工作溫度後也會...)。用這種活塞的引擎聽起來就跟柴油車沒兩樣，尤其是冷車時。較大的活塞間隙長期下來也會有較嚴重的磨損問題，畢竟活塞環和缸壁總是在打架咩。所以這種低矽含量的鍛造活塞通常用於非持續性的賽事，好比說零四。
鍛造活塞通常要訂製而成﹔除了本田引擎，國內的製造廠商大多沒有庫存貨，畢竟其他引擎的需求量不大。一些有生產日系引擎活塞的有名廠商：JE、Aries、Wiseco、Coswoth、Ross。
選購活塞時要謹記在心的方針為：如果你的情況是渦輪車，或其他種類的增壓(機械或NOS)，最好活塞頂平面到第一環的距離(ring land)能間隔0.250英吋(635條)。這樣能夠讓你的ring land有足夠的強度去承受這種嚴酷的工作環境。絕對不要讓這個厚度小於0.200英吋(508條)。我相信最好的活塞環還是原廠生產的活塞環。這些從年代較晚的日系車上拆下來的原廠活塞環，其較細的厚度減少了本身的質量和運轉時的造成的慣量，以避免高轉速時 "Flutter" (拍打，擺動之意)的產生。這 Flutter 的意思是，活塞在通過上死點快速改變方向時，活塞環在溝槽內上下浮動，造成和汽缸間多餘的間隙，然後喪失些許氣密的行為。質量較輕的活塞環較不容易發生這種現象。原廠活塞環也比較有彈性，能夠減少摩擦阻力，和在溝槽內的浮動。這些活塞環外圍也都鍍上了一層鉻來幫助維持氣密。(譯者補充：活塞環外圍通常會鍍一層特殊材質幫助順利跟汽缸磨合，可能是石磨，可能是磷酸鹽類，可能是鉬或者是錫，其本身材質通常是一般的鑄鐵... 而某些高檔的活塞裙部也會鍍上一層鎳矽化合物之類的玩意... 像是本田 Type-R 系列引擎的活塞都可以看到。)
還是有很多經驗老到的引擎技師不認同我這點(譯者：秀夫是絕對的當代大師...)。很多人採用一種社外品，叫Speed Pro gapless ring(沒有開口的活塞環)。它的第二壓縮環很特殊，是用特殊的方法把開口給堵起來。這種活塞環可以測出極佳的缸壓，但我還是喜歡比較高科技的原產活塞環，因為它們的品質和本身的結構較佳。
這些訂製的鍛造活塞還可以動一些手腳：gas port 和 gas trap。Gas port (活塞上的氣孔)是數個活塞頂部上的孔洞，這氣孔直通到第一壓縮環之後的環槽。當爆炸行程時氣體壓力可以直通到環槽內，推擠活塞環緊貼缸壁，用以增進氣密，尤其在高轉速時幫助頗大。這種設計呢，只適用於短程非持續性的賽事中(如零四)，因為這會加速活塞環的磨損。見圖：Gas port
Gas trapping 是在第一壓縮環和第二壓縮環之間另闢一道環槽﹔目的是讓爆炸時已經通過第一環的氣體"減壓"而不再漏過第二環。這也可以在高轉速時幫助活塞環維持氣密。這招本是從印地賽車和F1以及某些機車上學來的。這樣設計並沒什麼不利點，唯一的缺點就是必須用上多餘的空間(例如，這部分原本可以用在增進連桿長度上)，但是國內的活塞製造商好像並不愛玩這招，除了Cosworth。
而活塞頂部的設計則是一個最終影響引擎壓縮比的重要因素。壓縮比能看出引擎在壓縮行程的表現，這個比例的測量是：活塞在下死點時汽缸的容積 / 活塞在上死點時汽缸的容積。一個輕度改裝的自然進氣引擎，沒有可程式化的供油電腦輔助，倘若吃92的油，壓縮比設定到10:1都沒有太大問題。如果你能改寫你的ECU(燒另外的晶片)或是使用可程式化的供油電腦，那壓縮比即使到11.5:1都沒有問題。一台非街道用途的使用自然進氣引擎、並只吃賽車用油、純粹競技用的賽車，好比說 All Motor 八秒俱樂部或是道路賽用車，壓縮比可以從13:1甚至高到15:1。
較高的壓縮比大幅增進了一顆引擎的熱效應，且少量的增進了容積率。壓縮比每提昇1，你的引擎就大概增進了3~4個百分比的馬力。這個馬力的提昇是整體的唷，從所有可用的轉速域。而增加壓縮比時同時增進的熱效應，也提高了BSFC(brake speific fuel consumption，意義是每一磅的汽油每一小時能搾出多馬力)。當壓縮比超過14:1時，本來等量增加3~4%的輸出就會突然下降，變成較不容易看到有效的馬力提昇，而且說實在的，壓縮比到了這麼高，無論你是用什麼燃料，都很難去避免爆震的發生。
高壓縮比活塞就是凸頂活塞；這種活塞頂部會減少活塞於上死點時汽缸的容積，所以提高了壓縮比。其實活塞頂是越平越好，因為活塞頂太高會妨礙火焰的擴散並造成不安定的燃燒，甚至引起爆震或是喪失些許馬力。理想中的活塞是平頂設計的。平頂活塞燃燒得最棒，但是為了達到高壓縮比，凸頂常常是必須的設計。
強制進氣的情況下(通常是指機械增壓或是渦輪增壓，但NOS也可算在內，我們稱之 chemical induction ，化學增壓？)，需要較低的壓縮比來避免爆震的產生，尤其在吃一般汽油的情況。降低壓縮比可以打高增壓值而不需要大幅退點火。點火角度延遲太多，會讓燃燒室、汽門、以及渦輪本體都產生難以避免的高熱。當嚴重時，因為這種高熱，退點火甚至成為爆震的原因之一。所以降低壓縮比，可以保有一定的點火提前角，以避免這種退點火過頭爆震的情形產生，這時，需要考慮的爆震因素就只剩下過高的燃燒室溫度囉。
有些很有名的引擎技師們好比說 JG Engine Dynamics 他們反對這點，並且提倡在那些僅使用賽車燃料的引擎，採用高壓縮比配上強制進氣的設定(JG在渦輪引擎用上了11:1的壓縮比)。但一般傳統的觀念告訴我們，低壓縮比像是8.5:1才是一個健康的渦輪引擎不可或缺的東西。要到這麼低的壓縮比，通常是靠凹頂活塞來達成。凹頂活塞﹔望文生義就是把活塞頂部刻出凹底，來增加上死點時的燃燒室總容積。凹頂活塞的設計，應該是要讓活塞頂部沒有凹的部分(圓周部分啦) ─ 也就是最高的那一部份 ─ 越靠近燃燒室淬熄區越好。這樣設計的凹頂活塞才能讓燃燒室淬熄區的作用發揮出來。這種活塞我們叫他 reverse deflector 活塞(譯者按：說實在我不會翻，顛倒變流活塞？)，因為淬熄區能夠發揮作用，廢氣得以有效地被掃出，便降低爆震的產生。(譯者補充：燃燒室淬熄區英文為 quench area，quench係撲滅之意) 見圖：Reversed deflector & Gas trap
活塞銷，是鋼鐵做的，用以連接活塞和連桿。最好的活塞銷是用高強度，抗磨損的鋼材如H11(此為車床刀具用的鋼材)製成的。因為H11本身強度很強，所以可以讓活塞銷做的更細，更輕，當它跟一般的鋼材比較時優劣立見分曉。活塞銷是非常重要的，倘若因為活塞銷發生問題而造成損害，那這種損害將會是災難性的，幾乎整個引擎都會報銷了。最好的活塞銷是 taper walled 形式的。Taper walled 活塞銷就是中間和連桿小端部分最粗，而越靠近活塞外圍則越細。這種設計讓真正需要強度的中央有足夠的肉厚並且又在不必要的地方能減少重量，減少負擔。
日系引擎有種設計叫浮動式活塞銷。浮動式活塞銷可以在連桿小端內自由轉動，被一層青銅波司銅套包圍著。而我們的國產引擎都是直接把活塞銷壓入連桿小端的，不能轉動。浮動式活塞銷在高轉速時的好處立見分明，這種設計最不容易造成硬體上的失敗，因為高轉速時 pin boss 的負擔頗大，且浮動式比固定式的摩擦阻力來的小多了。唯一的問題就是，如果沒固定好活塞銷就會跑出活塞來然後摧毀汽缸壁， 而固定活塞銷通常有三種方式。
首先第一種叫做 cosworth clip (clip 是夾子的意思)因為這是由 Cosworth 的賽車引擎所率先採用的。它是一圈簡單的圓形彈簧，被固定在活塞銷孔四周的溝槽內。這種止滑環必須要配合特殊成斜面的活塞銷使用，這種活塞銷才能有效的把止滑環推進其溝槽內(譯者：你買活塞套件時都會附送活塞銷啦，不用擔心)。一般的活塞銷可能會把 clip 給推出溝槽外而導致嚴重的後果。(譯者：實在抱歉，我根本沒看過這種 cosworth clip 長什麼樣！無從推敲起。這段翻譯是在沒有圖片參考逕自翻的，可能詞不達意或詞意全亂，你們...就湊合著看吧)
另一種就是在活塞內部的扣環(snap ring，也可翻做止滑環)。這扣環基本上跟平常的扣環沒兩樣，不過是加強版罷了。這種扣環強度不錯，配合專用的扣環鉗也很好安裝。它們可以配合兩端全平的活塞銷使用。有些活塞甚至用上了兩層的扣環以備安全。需要注意的是，組裝這種扣環時需留意將較鋒利的一面朝外，如果該鋒利面朝內，可能會抓不住溝槽而彈出。美國許多的改裝品活塞製造商，都大量採用這種設計。
最後一種是一種螺旋狀的鎖環(spiral lock)。Spiral lock 基本上就是一小段彈簧。這是固定活塞銷最保險的一種方式，某些活塞甚至採用兩層鎖環的設計，然而，當拆解活塞時這鎖環必須破壞才能拆解，安裝時也不太容易。這也是被美國的活塞製造廠商大量採用的設計。以上任何一種方法都比固定式活塞銷來的優良。見圖：Spiro locks & 固定式、半浮式、全浮式比較
那連桿又該如何呢？
可能一顆引擎中最重要的部分就是連桿了。連桿必須要很強壯，因為它所承受的負荷，是依照轉速而成指數增加的。因為其承受的負荷改變量也極大，連桿必須得輕，但強度不能減少。連桿必須得是無堅不摧的，因為一但連桿毀壞了，通常整顆引擎也就報銷了。日系引擎的連桿比起國產引擎來的強壯許多，這些日系品，通常是鍛造而成或是用PIM技術熱鍛而成的。我們國產的汽車製造商則是用鑄造的方式生產了一堆連桿。日系連桿都有著粗勇的軸承蓋，和平面的肩部設計。
國產連桿卻常常使用細長的連桿螺栓，還有又瘦弱，被引擎運轉時的應力集中，形狀逐漸變尖細的肩部。這種逐漸變尖細的設計，會讓連桿強度變弱，和產生至少兩個地方讓負荷集中於此。為了怕你不知道，邊緣鋒利狀的零件會讓運轉時的應力集中，最後常常造成零件毀壞破裂。郵票四周的孔眼，和經過摺疊數次的紙張邊緣，這些都是很好的例子。見圖：連桿比較
因為日系引擎中的連桿都有著不錯的設計，所以說除非你準備要瘋狂的改造你的引擎，好比說超高的增壓值，NOS，或是打算拉到瘋狂的轉速，你才需要換掉原廠連桿。另外某些普遍的日系引擎如本田Ｄ系(廣大的喜美眾)、豐田4AG(1985~1988年份的Corolla GT-S即AE86、MKI MR2、FX16)、日產GA16DE(1991~1999年份的Sentra、200sx)這些引擎的連桿並不太強健。在只改改進排氣這種程度的改裝，原廠連桿堪稱夠用(...有不夠用的嗎?)，但倘若目標是極大馬力的輸出，一下子就達到它們的極限了。當馬力超過200匹或是轉速超過7500轉，原廠連桿就撐不住啦。這也代表著你應該把增壓值控制在8~10psi(0.55~0.7bar，說到這，真不知道台灣那些原廠吹1 bar以上的喜美是怎麼惡搞出來的)內或是噴僅增加五十匹馬力NOS。就算如此改法，改出來的車卻也是相當快！而在本田B系和H系、日產SR20、豐田3SG、和三菱4G63引擎上找到的連桿，則是近乎金鋼不摧了，然而，對於某些極度強化過的引擎來說它們還有進步的空間。
如果你還要再強化這些原廠連桿，你可以拋光連桿橫梁或是經過 shotpeen(珠擊法) 處理。拋光連桿橫梁，可以移除掉鍛造時的模線，這通常是應力最容易集中的地方，而 shotpeen 處理可以增強連桿抵抗金屬疲勞的程度達100%。Shotpeen 之後，你必須仔細檢查連桿，來看有沒有必要再變更其尺寸或是把它拉直，因為 shotpeen 時的力量可能讓連桿變形。Shotpeen 的過程包括了一連串拿鐵球敲打連桿的動作(撞擊時，速度和力量大小都是被控制好的)﹔這跟 sand blasting(噴沙處理) 或 bead blasting(噴珠處理) 是有所區別的喔。冷處理 Shotpeen 的動作，可以精練金屬表面的分子結構，有點像是針對其表面的金屬分子做小規模鍛造的動作。把外圍一層的金屬分子用力向內擠壓，可以在連桿受應力時避免裂痕的產生。要知道，小裂痕一但形成很快地就會變大。這就是 shotpeen 如何增強金屬零件，提高其毀壞臨界點。基本上，對日系引擎中的連桿來說 shotpeen 並不是那麼重要(不同於國產引擎)，因為常常它們出產的時候就已經做過這個處理啦。
連桿螺栓該如何強化？可以用一些高強度的社外品取代它們，好比說SPS或APR的產品。通常你買不到直接跟原廠大小一樣的零件，但總之去找SPS或APR就對了。原廠連桿可以稍微擴大其螺栓的孔洞，來配合這些較粗的改裝螺栓。通常啦，原廠螺栓強度就很好了。有多好咧？好到當你認為螺栓強度可能不夠時，你反而應該看看連桿，是該被換掉的時候了。
如果你打算打造一顆純粹競技用途的賽車引擎或是起笑快的街車，你可能得考慮搞一套真正競技級的連桿。競技用的連桿都用上了極高檔的鋼材好比說其強，卻又有延展性的4340合金鋼。這些連桿可能是從鋼坯上切割成形，或是像 Cunningham 生產的連桿，用4340鋼材鍛造而成。競技用連桿通常都經過很完整的拋光程序，移除掉容易集中應力的尖銳面以及鍛造時的模線。它們大部分也都經過 shotpeen 的處理。連桿螺栓也用上了高強度的鋼材，如H11，並且有著對應超過200,000psi 拉扯應力的強度。通常說來這些連桿都是精密製造而成的，所以也不需要再配重。
競技用連桿可以輕易承受超過15psi(1bar)的增壓值或是8000rpm的轉速。這些連桿的橫樑通常有兩種斷面設計：Ｉ斷面或Ｈ斷面。Ｈ斷面一般說來較佳，因為這種設計在連桿的受力向橫切面有著較佳的"斷面模數"(section modulus，工程用語，係指針對某一斷面而言的硬度大小)。Carrillo 和 Eagle 生產的連桿就是典型的Ｈ斷面連桿。至於 Crower 和 Cunningham 生產的則是典型的Ｉ斷面連桿。
因為連桿倘若變形就代表著整顆引擎的報銷，所以競技用的連桿對於馬力狂熱者而言，絕對是個划算的投資。競技級的連桿幾乎不太可能出問題，最常見到的問題則是出在軸承上；倘若波司燒掉，或是汽缸床墊片燒掉機油混進冷卻水，又進入軸承處，那最終引擎只有報銷一途。
另一個有趣的事是：因為連桿的拉扯力隨著轉速而 以指數方式增加，所以一顆拉到10,500轉，280匹馬力的自然進氣引擎，其連桿所承受的負荷將比另一顆500匹，8500轉的渦輪增壓引擎內的連桿還來的大。連桿較能夠承受渦輪增壓的強大爆炸壓力，勝於高轉速時其螺栓被拉扯時的應力。這也是為什麼原廠引擎改的好的話，可以藉由增壓獲得這麼多的馬力。
下次...
除了活塞連桿之外下半座還有更多東西要講，下次再談！下篇文章會提到所有還沒講到的，曲軸和缸體本身以及汽缸床墊片、機油幫浦、水幫浦等等。
補充：
1) 波司，台灣用語... 就是bearing，片狀軸承，又稱軸瓦
2) align bore 另請強者補充吧，小弟知識淺薄
3) quench area： babylon's dictionary of automotive terms 的解釋
見這顆加工過的B16A汽缸頭 & H22A原廠汽缸頭 前者在各汽門後有明顯的 quench area﹔後者則只有類 quench area 的設計
4) PIM，plastic injection molding，塑膠射出成形
5) sand blasting & bead blasting，噴沙處理 & 噴珠處理，用在磨光、去毛邊等等，不算是表面處理
6) 珠擊法(Shot peeping)是在工作物表面用大量的鑄鋼、玻璃、或陶瓷製成的圓珠加以衝擊，在表面形成部分重疊的凹坑。
此種作法引起塑性變形，深度可達1.25mm，所使用的圓珠尺寸範圍為直徑0.125mm到5mm。由於此種塑性變型並非均勻遍佈整個零件的厚度，
珠擊法會在作物表面形成壓縮的殘留應力，因此可增進元件的疲勞壽命。可參考此網頁：http://sunws.nhit.edu.tw/~metal/book3.htm
7) 非常棒的連結，幫助了解活塞各部位的名詞解釋：From arias piston's website
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