Qccoo 2012-2-14 13:29
F1動力科技大觀～氣門系統（上）
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根據FIA的2012年F1賽制，引擎排氣量限制為2400c.c.，結構方面為單一V8規格，採用NA自然進氣設計，不能加裝渦輪或機械增壓器，允許使用KERS動能回收機構，但不強迫使用。然而在這些規格背後，F1引擎最可怕的部分，還是在於「超高轉速」設計。以2012年RENAULT F1 RS27引擎為例，可於18000rpm輸出750hp以上的馬力，換算排氣量單位容積的功率輸出，高達312.5hp/L以上！目前市售車NA引擎突破100hp/L關卡，已經可以用跑車動力形容，頂尖超級跑車大約是120hp/L的水準，比起F1引擎還差遠了！
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為了讓氣門於高轉速運作下，能以最短時間關閉，避免被高速移動的活塞擊中，因此許多高性能引擎採用雙彈簧設計加速汽門回彈作動。
為何市售車引擎不能和F1動力一樣，來個瘋狂的18000rpm超高轉速，就算未能達到312.5hp/L的水準，突破200hp/L大關也很驚人！跑車玩家都將趨之若鶩，如此一來，增壓引擎就沒有那麼大的優勢，但事實上沒有這麼簡單，首先來談談氣門機構。目前市售車引擎的氣門結構，幾乎都採用DOHC設計，每汽缸擁有四只氣門，氣門上方有彈簧、氣門帽與凸輪軸，某些引擎還具備複雜的連桿設計。
姑且不論活塞能不能達到18000rpm高轉速（事實上要破萬轉都不是一件容易的事，此點之後再來探討），基本上氣門結構要突破萬轉就是一個很大的門檻。傳統的氣門結構採用鋼材打造，氣門彈簧也是以鋼條捲成，具有剛性佳、耐高溫、抗磨損等優點，而且金屬疲乏問題輕微，耐用度佳，不過在慣性方面相對吃虧，當轉速高達萬轉時，氣門與彈簧的慣性過高，當活塞移到到上死點前夕，氣門往往還來不及關閉，於是活塞就這樣撞上氣門，進氣系統就此報銷，這就是所謂的「出怪手」！
此外氣門彈簧也是高轉速的障礙，因轉速愈高，彈簧所需要的回彈力道就要更強，簧線直徑必須加粗，然而粗彈簧在擠壓過程容易被擠扁，影響氣門揚程表現，加上彈簧本身的慣性，一般彈簧很難設計出理想的彈性表現，於是需要不同簧距與捲度的特殊彈簧，或是大、小雙彈簧設計來解決此問題。
在超級跑車名門中，因為牽扯到低轉速扭力輸出等匹配問題，再加上耐用度與成本考量，廠商並無意願推出破萬轉的市售引擎，因此目前還未有「F1氣門系統移植到市售引擎」的案例；不過在摩托車引擎中，破萬轉的引擎並不稀奇，然而箇中關鍵在於鈦合金氣門、曲軸與特殊彈簧的應用。鈦合金的剛性表現與鋼材相當，但是質量少了一半以上，具備耐高溫、抗腐蝕、低慣性等優點，應用在氣門系統上，搭配彈簧設計，最高可承受約14000rpm的轉速，沒錯！目前F1引擎的氣門系統，就是以鈦合金材質打造，某些車隊如Ferrari，甚至將使用過的鈦合金氣門拿出來拍賣，讓車迷們更貼近F1科技！
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許多高轉速摩托車引擎採用特殊的不等距彈簧，搭配鈦合金氣門，達到「破萬」的高轉速境界。