21世紀的250cc 4汽缸引擎性能就該是這樣!

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如果以現在技術打造250cc 4汽缸引擎的話,到底會出現一顆怎麼樣的引擎呢?它的結構是?機械原理是?還有最大馬力及最大轉速是?如果讓專門設計引擎的專家來替我們想出一款「理想中的250cc 4汽缸引擎」的話,一定會非常有說服力!

來復活250cc 4汽缸引擎吧!

就讓我們打開天窗說亮話吧!我是超高轉速引擎的死忠粉絲,不只現在從事引擎設計的工作,過去30年來也參與過無數款引擎的研發及製造,但是我從年輕時候開始就最喜歡超高轉速引擎。

 

我這裡說的超高轉速指的是轉速能達到15000rpm以上的引擎,符合這個條件的只有摩托車的複數汽缸引擎以及四輪的F1引擎而已。那麼,這種引擎到底有什麼魅力呢?

 

會聊這個話題也是因為我們這次的主題是250cc 4汽缸引擎,根據編輯部入手的情報指出在不久的將來,摩托車業界應該有望推出全新的4汽缸引擎250cc車款,所以以下就讓我以引擎設計師兼死忠粉迷的立場來討論一下。

 

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稻垣一德:經常被各大廠牌委託進行引擎設計及協商諮詢的引擎專家,雖然參與設計的引擎有許多都不能公開,但Team Kenny Roberts在1990年代後半參加WGP500的二行程V型三汽缸引擎就是他所設計的。

 

 

 

 

 

 

 

大家應該都還依稀記得那個250cc 4汽缸引擎車款發光發熱的年代吧!在30多年前,當各大廠牌都順著仿賽風潮推出摩托車款,不管是二行程還是四行程引擎的250cc車款,最大馬力都達到45ps的大幅提升性能。

 

搭載二行程250cc引擎的車款幾乎都是仿賽車款,只要馬力全開,性能甚至能夠贏過大排氣量車款;而四行程4汽缸引擎250cc車款,在轉速達15000rpm左右時的速度相當快速,但車重卻比二行程還要笨重、車身也比較寬,所以在感覺上就沒有二行程那麼快速;即使如此,包括我在內,還是有許多人都深深被四行程4汽缸引擎250cc車款所吸引。

 

說一點比較偏私人的事情,我家有一台KAWASAKI的BALIUS(而且還是最大馬力45ps的第一代)。那台是我兒子的摩托車,是根本不曉得那個狂熱年代的他自己選擇的摩托車。

 

因為我對他會選那台車感到很神奇,所以問了一下理由,其中一個原因就是「排氣音浪聽起來很棒」。我兒子喜歡音樂也會吹薩克斯風,而250cc 4汽缸引擎的確聽起來就非常接近管樂器般的聲音;一個汽缸的排氣量大約只有62cc的250cc 4汽缸引擎,進、排汽門的直徑也在φ20mm以下,所以的確就是管樂器的大小沒錯。

 

所以如果250cc 4汽缸引擎真的重返市場的話,最讓人擔心的就是它那令人無法抗拒的排氣音,由於現在推出的引擎都必須要符合從2020年開始實施的Euro 5廢氣排放標準,因此必須要設置各式各樣的廢氣處理裝置。

 

但觸媒轉換器在淨化空氣時會讓聲音消失,為了二次進氣以及EGR裝置而鑽開的進氣及排氣孔又會妨礙超高速流過的進氣與排氣過程,再加上觸媒如果是放在淨化效果最好的地方的話,就自然會對引擎輸出馬力及排氣音影響極大的排氣管長度與形狀產生限制。

 

但是,筆者還是很想要能在這個時代重新看見搭載250cc 4汽缸引擎車款!希望各摩托車廠牌在製作出符合Euro 5廢氣排放標準的同時,還能兼具超高轉速並能夠響起管樂器般聲音的引擎。

以現代技術製作的話,能製作出60ps/20000rpm?!

接下來就來描述一下我想像中理想的新款250cc 4汽缸車款吧!因為編輯部的要求,所以基本上會忽略掉製造成本的考量,著重在「夢想中的引擎」這一點上。

 

首先,我非常想要實現那個狂熱年代所辦不到的事情,那就是引擎可以再小一點、更輕一點,希望能夠做出和現在的250cc並列雙缸引擎同樣大小的體積,參考範本就是現在的1000cc排氣量超級運動車款的引擎,還希望是以前那種曲軸/主軸/副軸等三軸呈現三角排列的設計,藉此製作出前後長度較短的引擎。

 

此外,為了符合現代的底盤裝置,因此重心位置就非常重要,同時為了縮短缸徑並提高冷卻性能,所以要採用鋁合金電鍍汽缸。

 

因為是市售車款,所以沒辦法完全無視低中轉速的表現,因此缸徑與行程比就維持在和之前一樣的大概將缸徑設定在48mm左右。

 

002-21▲因為成本過高,所以近年來只有HONDA的RC213V-S才採用凸輪齒輪系統。照片是在1986年登場的HONDA CBR250Four。

 

在功能方面,把狂熱年代的最大馬力轉速從15000rpm提高到18000rpm左右,最高轉速容許值(轉速紅線區開始的轉速)則定在20000rpm。輸出馬力的話,希望賽道版是60ps、公路版則是以220ps/L換算的55ps。雖然加了許多期望,但供油系統也會從化油器改成電子控制燃油噴射,所以應該會變得更強才是。

 

至於如果要實現以上期望的機械原理的話,最關鍵的就是節氣門。轉速18000rpm的話,4汽門引擎當然需要進氣凸輪開度有300度,但是這種開度大的凸輪,通常會出現超高轉速引擎特有問題,也就是活塞的汽門凹陷會很深、汽門揚程量和壓縮比也不會太大,汽門揚程最大大概只有10mm、壓縮比則是12.0~12.5左右。

 

因為汽門揚程並不高的關係,所以節氣門並不需要使用進氣歧管、節氣門的重量也最好能夠輕一點。雖然希望汽門能採用鈦合金,但因為是250cc 4汽缸引擎的關係,所以只能選擇鋼鐵作為主要材質。

希望可變凸輪可以加上鈦合金連桿還有乾式潤滑系統!

還有一點就是凸輪齒輪系統,因為如果是採用正時鏈條的話,那麼在轉速10000rpm左右就會讓鏈條逐漸無法負荷,這樣節氣門想要正確作動就會變得很困難,所以想要以18000rpm轉速驅動超高轉速的節氣門,就必須要使用齒輪驅動才行;即使是在30年前的狂熱年代,也只有HONDA的4汽缸250cc車款採用齒輪驅動凸輪。

 

還有就是,如果是全新世代的250cc 4汽缸引擎的話,也挺希望它的汽門能採用可變裝置,雖然像SUZUKI GSX-R1000那種可變汽門正時的感覺也很不錯,但原則上還是希望能有效果更好的凸輪切換裝置。

 

舉例來說,開度300度與250度依照轉速切換,然後揚程及汽門正時也配合跟著改變,這種技術大概就和HONDA汽車車款用的VTEC以及BMW摩托車款所使用的「ShiftCam」可變汽門揚程系統是一樣的。

 

由於250cc 4汽缸引擎在低轉速時有著出力疲乏的弱點,所以只要能搭載可變汽門揚程系統的話,不僅能夠改善低轉速時的扭力讓車子變得更容易駕馭,在油耗與廢氣排放標準處理上應該也不成問題。

 

003-17▲BMW的「ShiftCam」可變汽門揚程系統是讓凸輪軸左右滑動來切換低/高速凸輪,這項裝置和HONDA汽車車款採用的VTEC裝置一樣,優點是不會增加節氣門的重量。

 

主要驅動系統方面則是希望能夠減少動力損失、特別是磨擦損失的重新檢討設計每個零件,活塞插銷也比30年前還要更短,設計成可以讓摩擦力變得更小,活塞環也要設計得薄一點來減少摩擦力,但最重要的還是刮油環,希望能夠讓厚度及張力在可行範圍內降到最低。

 

而在活塞連桿的部分,狂熱年代因為是使用鋼鐵材質製造又細又輕的活塞活桿,所以必須經過一種叫做滲碳熱處理的表面硬化處理,但如果是現在的話,就一定是鈦合金活塞連桿。

 

因為活塞連桿並不是小零件,所以可以選擇和汽門使用不同的鈦合金材料,連桿比(活塞桿中心的長度÷行程半徑)最少也需要5,因為如果沒有的話,引擎就無法作動。

 

曲軸的話,希望能夠讓曲軸銷的直徑及軸頸直徑變得非常細來減少摩擦力,但變細後為了確保強度,就必須要使用現代品質優秀的鋼鐵材料,並透過熱處理的加工方式來強化曲軸。

 

潤滑系統則是可以使用最近1000cc排氣量超級運動車款開始使用的乾式潤滑系統,或是半乾式潤滑系統也可以。進氣系統方面則改成了電子控燃油噴射裝置,比起以前那個狂熱年代更好用,除了能夠有更細緻的供油設定外,最大優點就是油門和引擎的距離變近。

 

老實說,如果剛剛提到的零件及想法全都採用的話,售價應該會貴到和1000cc排氣量的超級運動車款差不多。但是超高轉速引擎本來就不是靠一項技術就可以完成,需要累積許多技術一點點地完成。

 

所以,如果有摩托車廠商研發新款引擎,而且想要讓大家看到「這才是全新世代的4汽缸250cc車款!」的話,絕對推薦採用凸輪齒輪系統以及乾式潤滑系統!

 

至於性能方面,雖然55ps的最大馬力難度頗高,但至少也要超過以前那個狂熱年代的45ps才行。

 

在這裏要呼籲各大摩托車廠牌,我非常期待新世代250cc 4汽缸引擎車款的出現!如果到時候真的出現出色的250cc 4汽缸引擎的話,我就要換掉我兒子的BALIUS(笑)。

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「Webike台灣」編輯部編譯

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