
BMW M3的自然進汽傳奇歷史,起始於著名的S14族引擎。
與賽道緊密相連的血統,使其有著跳越時空的性能演出。
隨著首代E30 M3在1986年上場的,是S14B23引擎,它採用了M10系列的直列四汽缸本體架構,並將排氣量由1.8提升到2.3升,搭配來自M88/S38的雙凸輪軸氣缸上座,並導入了四喉直噴進氣系統,以高轉化設定,創造出195ps/6750rpm、210Nm/4750rpm的輸出,後期車型則提升到215ps/6750rpm、244Nm/4750rpm;這兩款車型都曾經推出了不含觸媒的EVO進階型車款,動力則各自成長5ps,分別達到200ps/6750rpm、240Nm/4750rpm與220ps/6750rpm、245Nm/4750rpm。
凸輪軸上方有蛋型的凸輪塊,在旋轉的時候可以推動汽門開啟。
汽門的運作機制,由曲軸帶動鏈條(或皮帶),再轉動凸輪軸,上方的凸輪塊則會用突出的蛋尖部分,推開汽門。
雖然雙凸輪軸在今天,已經相當普遍的架構,然而在1980年代,這還是屬於相當高檔,並具有高度跑車意味的設計。
單凸輪軸則僅使用一根凸輪軸,同時控制進、排汽門,比較適合中低轉數訴求的引擎。
所謂凸輪軸,就是上面裝置有凸輪的長軸,而凸輪則是類似蛋型的不規則金屬塊;它們位於引擎氣門上方,當凸輪軸旋轉的時候,就會帶動凸輪以接近蛋底的部份為軸心,一併進行旋轉。從側邊截切面觀察,可以發現凸輪軸塊在轉動的時候,會與控制氣門的挺桿或氣門本身,保持著些微接觸的狀態。當凸輪軸轉到突出的蛋尖部分時,則會推動氣門的相關機構,讓氣門開啟;相對的,當凸輪軸塊傳動到較平滑的蛋底部分時,則會放開氣門的相關機構,讓氣門關閉。
氣門則是空氣進出汽缸的門戶,依照功能又分為進氣門與排氣門;當引擎在運作的時候,會依序進行奧圖循環(Otto cycle)的四個動作,它們依序的排列與相對氣門的位置狀態分別是:進氣(進氣門開)、壓縮(關)、爆炸(關)、排氣(排氣門開),所謂的單凸輪軸,則是利用一根凸輪軸,在上面裝置了相對應的進、排氣凸輪塊,控制氣門的關閉。這裝置從理論上看來是無懈可擊,但在實際運作的時候,卻會遭受到某些問題。
一般的進氣系統,進由單節氣門釋放空氣進入,然後由各汽缸的負壓,去「搶吸」空氣。
我們把奧圖循環(Otto cycle)串連兩次可以發現順序是:進氣(進氣門開)、壓縮(關)、爆炸(關)、排氣(排氣門開)、進氣(進氣門開)、壓縮(關)、爆炸(關)、排氣(排氣門開),它有一個重點是進排氣門集中在第一次循環結束、第二次循環起始的時候開閉;我們把整個過程從第一次排氣開始,截取一循環來看:排氣(排氣門開)、進氣(進氣門開)、壓縮(關)、爆炸(關)更可以發現,凸輪軸的工作受力狀態,集中在前半圈,而在這前半圈的短暫時間內,還必需密集的承兩次壓力升降;這還只是對應一對進排氣門而言,由於每個氣缸的運作都有些微差異,實際的受力狀況更加複雜。
雙凸輪軸與多喉直噴,是E30 M3得以稱霸一方的重要利器。
不難理解將這些工作,全部加諸一根凸輪軸之上,將會造成機件的負擔,特別是隨著轉速的提高,相關的不對稱受力效應也會逐漸放大,造成震動、噪音與高度耗損;因此在高轉速的車款上,則逐漸導入了雙凸輪軸架構,讓兩根凸輪軸分別負責進排氣的氣門控制。如此一來,每根凸輪軸的負擔除了立刻減半,細部的受力狀態也更加單純,能夠減少震動與噪音,相對有利於高轉速的運作。
另一方面,S14引擎所使用的四喉直噴系統,則是在今日也不常見的豪華配備。
多喉直噴系統,則讓每個氣缸都擁有獨立節氣門與進氣管道,大家都可以吸個飽足。
在尋常的引擎架構中,大多僅使用一個節氣門,讓所有汽缸內部爆炸所需要的空氣進入,並在經過各汽缸的歧管造成旋流之後,混合燃油再經由氣門進入燃燒室;至於多喉直噴系統,則是使用了多個節氣門(通常與汽缸數目相同),並縮短進氣管道,讓每個汽缸都能夠自由的吸取更大量的空氣,對動力輸出與馬力上攻都有正面幫助。
以四汽缸單節汽門引擎,對四汽缸四喉直噴而言,前者就像只有一個鼻子,卻要負責四個肺葉的空氣需求,而後者則是有四個鼻子,對應四個肺葉,汽缸的填充效率自然來得比較高;相對的,多喉直噴引擎的反應、輸出表現都比較好,但油耗需求也會更高,這也是追求性能的基本代價。多喉直噴系統,則讓每個氣缸都擁有獨立節氣門與進氣管道,大家都可以吸個飽足。
由於E30 M3屬於競技量產車型,因此引擎架構會受到WTCC、DTM比賽與對手Mercedes-Benz 190E的影響,而最強的Sport Evolution也在1990年現身,本車裝置了排氣量提升到2.5升的S14B25心臟,輸出也再度攀升到238ps/7000rpm、240Nm/4750rpm,限量600部。另外BMW也曾經針對義大利、葡萄牙等排氣稅制較嚴苛的地區,推出了2.0升(S14B20)車型的M3,這批引擎有195ps/6900rpm、210Nm/4900rpm實力,除了轉數稍高,數值表現與初期的2.3車型相當接近。
雙凸輪軸與多喉直噴,是E30 M3得以稱霸一方的重要利器。
隨著各地排氣規範的日益嚴苛,日後要出現這樣的硬漢,已經不再有可能。 S14族引擎,在當時就能夠利用自然進氣架構,創造出每公升高達0.95ps的輸出,非僅在當時足以與渦輪增壓對抗,就算以今日眼光審視,仍是相當強悍。
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