BMW 318 M42B18 升級2.1升計畫
<< 規劃設計篇 >>
前言
入手1995的E36 318ti 已經3年多跑5萬公里了，說實話，這是一台省油、好開、操控性佳、沒有奇怪毛病的車子。唯一美中不足的，大概只有動力不足的問題，雖然配的是原廠5速手排，但每每在低速的山路上，要在有限的空間進行安全超車，是相當辛苦的。
1995 E36 318ti 採用M42B18這顆1.8升直列4汽缸的引擎，雙凸輪軸，在6,000轉時可以產出140匹最大馬力，4,500轉時可產出最大扭力172N.m。
依小車的標準來說，帳面數字不錯，4,000-6,000轉高轉速域引擎動力延伸相當好；但2,000-4,000轉中轉速域真的是很沒力，以一般小山路時速40-50公里時，退到2檔也很難超車，除非是較寬的路段，時速能到60公里以上，用2檔拉高轉速超車才有流利的感覺。
想想這車也已經26年了，到底要不要提升動力？心理糾結了1年多，最後因為考量日常通勤需要運動性能稍好的車，利於操控及防衛駕駛，提升主動式安全性，所以決定來提升動力。
提升動力的方案
M42 / M44 1.8/1.9升的引擎在1990年代廣泛使用於BMW多個車款，與我相同需求的人當然數量不在話下，要提升動力輸出方法有幾個：
1. 更換6缸大排氣量引擎
這是最直接且經濟實惠的方法，透過6缸大排氣量引擎，無論是低轉速扭力或是高轉速馬力都能夠很直接有效的提升；但伴隨而來的是因為引擎重量增加造成轉向不靈敏的問題。
M42 / M44 4缸1.8/1.9引擎重量95kg，M52 6缸2.8引擎重量135kg，且更換6缸引擎後，引擎重心位置向前移約15cm。聰明的你，看到這個數據大概已經能猜到結果。雖然增加拉桿、加寬輪胎、提升避震、增加後軸重量等能克服轉向不足的問題，但維持輕量才是真的王道。
PS: 引擎重量取自Realoem
更換6缸引擎將增加40kg重量且重心前移15cm，對於彎道運動性能有很大的影響。對於有操控需求的我，就不將更換6缸引擎列入我的考量了。
2. 增加渦輪或是機械增壓
透過以渦輪或是機械式壓縮機，強制增加進氣量，確實能有效提升動力。然而M42原本設計為一個自然進氣引擎的結構，要加上增壓器的話，引擎內部機械結構必須要有相應的調整，且電腦系統也要跟著改寫才能讓動力發揮並顧及耐用性，會需要使用到很多非原廠的改裝套件、轉接裝置、接線等等，而且預期改裝完成後引擎室會琳瑯滿目，不是我想要的。
3. 更換4缸2.1升引擎
4缸2.1升的引擎重量約95kg，和原本M42B18引擎相同，且重心位置不變，可以讓E36 318ti維持前中置引擎(FMR)的優勢，車身前後重量平均的分配，車子的動態可以維持最好的情況。
由於4缸2.1升引擎外觀與原廠1.8升引擎無異，預期更換完成後，引擎室仍是如原來一般樸素，看不出有任何異樣，完整度最高，後續就算直接到監理站驗車也沒有問題。
我個人喜歡用原廠流用零件升級車子，保持原廠樸素外觀，我想這個方案就是我要的。
M42 2.1升引擎那裡來？
M42 2.1升引擎BMW原廠只有測試沒有量產(因為打到自己M52 6缸2.0/2.2的產品線)；市面上曾出現過，雖然稀少但有機會取得的是原場S42B20賽車引擎和德國Hartge改裝廠調教的M42 2.1升引擎，這些引擎都是相當稀有的寶物，除了當年的賽事以外，很少人能夠有機會得到。
我搜尋了一陣子，這顆引擎真不容易取得，外國群組裡面和Ebay都沒有看到有人要釋出。
經過這陣子蒐集資料，對於M42 2.1升引擎的規格有了認識，憑著過去調教幾顆引擎的經驗，我決定自己製作1顆M42 2.1升引擎。
引擎設計 - 缸徑、衝程 (排氣量)
引擎增加排氣量，不就擴缸和加大衝程？是的，但每個細節都會影響到引擎的表現，必須全盤考慮，並注意每個細節，才能達到理想的需求。
我的需求前面說過，比起高轉速的馬力，我更希望中轉速域能夠有很好的扭力，無論是上坡過彎，低速超車，都要能夠輕鬆面對。而且我喜歡用原廠流用的零件來升級車子。依照這個原則，我開始來設計引擎。設計引擎的過程中要能發揮到多好，端看對於有限的材料中有多少認識。
M42B18這顆引擎衝程(stroke)81.00mm，缸徑(bore)84.00mm，要增加排氣量，勢必都要提升。
M42B18引擎本體是鑄鐵材質，經過實際測量，缸壁的剩餘厚度還足以再擴缸。我找了同年代大排氣量M52家族的活塞，最後決定使用1996年以後S50B32(美規E36 M3 240)引擎的活塞，直徑是86.365mm。
接著是衝程的部分，M42衝程是81.00mm，M44衝程是83.50mm，很多人是藉由更換成M44的曲軸來增加衝程。但我個人覺得衝程僅增加3.09%，可能達不到我的期望。
再深入搜尋及比對引擎大小波斯的共用性後發現，國外有一顆M47D20柴油引擎的曲軸，似乎有機會可以修改上M42引擎。M47D20又分前期E39/E46時期衝程是88.00mm版本，以及後期E87/E60用衝程90.00mm的版本。經過比對，前期衝程88.00mm的曲軸，如果裝在M42上面，需要修改的東西比較少，後期90.00mm的曲軸因為內含曲軸感知器的感應輪，還有其他細節和M42差異較大，要修改上是很困難的事情。最後，我決定使用前期M47D20的曲軸，來組我的2.1升引擎。
M42 2.1升引擎目標的排氣量已定，86.40mm X 88.00MM = 2,064cc
引擎設計 - 細節
連桿/衝程長度比 (Rod Stroke Ratio)
在相同衝程也就是說相同一支曲軸的情形下，最佳連桿長度有一個黃金比率(Rod Stroke Ratio)，可以讓引擎的動力達到最好的發揮，我們定義此比率為R1。當連桿長度減短時，比率減小為R0；當連桿長度增加時，比率增加為R2。
當其他條件都不變，只調整Rod Stroke Ratio時，R0的情形因為連桿較短，連桿運動時轉動角度較大，活塞爆炸初期更容易側向推動曲軸旋轉，可以更好發揮提前點火的效果，結果就是低轉速扭力提升，拉轉速反應快。
R2的情形因為連桿較長，運動時轉動角度較小，活塞爆炸後期時更好向下推動曲軸旋轉，且和前者比較，同樣轉速下活塞運動速度較慢，可以更好的發揮延後點火的效果，結果是高轉速延伸性更好。
至於R1的黃金比率在那裡？見仁見智。我的方法是，蒐集當年幾顆我喜歡的引擎，利用仿製他們規格的方式，來得到類似他們引擎的特性。這些資料網路上都有，我這邊僅列幾個參考：
M42B18 R=1.73 (140/81)
S50B32 (240) R=1.51 (135/89.6)
S52B32 (321) R=1.53 (139/91)
B18C R=1.58 (137.9/87.2)
我最後決定用135mm的連桿，搭配行程88mm的曲軸，這樣算起來的Rod Stroke Ratio=1.53(135/88)，這個比率是和321的引擎是一樣的。
每缸活塞(含連桿) / 曲軸 重量比率 (Rw)
活塞 / 曲軸 重量比率，關係到引擎轉動的特性。如果固定一樣重量的曲軸，改變活塞的重量，越重的活塞可以提供更大的曲軸旋轉慣性(旋轉越平穩)，越輕的活塞慣性越小(爆發力大，拉轉速快)。
活塞 / 曲軸的重量也是有一個黃金比率，太大、太小都不好。我在這邊也是參考幾個引擎的參數：(原始數據網路都有，可自查)
M42B18 Rw=0.30 [(0.483kg+0.524kg)/(13.528kg/4cyl)]
M47D20 Rw=0.38 (柴油車，壓縮比大，需要強的轉動慣性)
S50B30 Rw=0.25 (前期240) (E36M3)
S50B32 Rw=0.26 (後期240) (E36M3)
S52B32 Rw=0.26 (321) (E36M3)
我的設計Rw=0.25 (0.445kg+0.535kg)/(15.888kg/4cyl)，和240的數據相仿，希望能得到240的低速扭力。
設計的過程中，找了好多種類的活塞和連桿回來配對。
蒐集材料
引擎的基本配置決定後，開始蒐集材料。我的計畫是先找一顆M42引擎回來，整體組裝完成後，再換上車，這樣能夠減少車子在架上的時間。
說來好笑，我從龐德那邊買回1顆M42B18引擎，這顆引擎是龐德1台黑色318ti原車上的引擎，他是因為更換6缸引擎所以才拆下，我卻是要把這顆引擎升級成2.1升，再裝回白色318ti。我和龐德的訴求是恰恰相反，而這顆引擎則是逃脫不了服務318ti的宿命。
經由我的朋友小蔡找到，龐德換下的M42引擎。
當天龐德的公子大偉也在我朋友小蔡的車庫，我跟他借了一些工具，在小蔡的車庫把引擎拆解到剩下本體，然後用E36 ti運回我的車庫。
後車廂放了顆100公斤左右的鐵塊，沿路都小心駕駛，保持安全距離，避免急減速。
為了接這顆引擎回車庫，我也重新把吊具從倉庫拿出來。
耗材的部分，台灣的材料行多有，可以直接叫引擎大修包。
活塞/連桿的部分，原本在國內找，在社群網站發布訊息徵求，但因效果不好，最後向Ebay在美國紐約州的賣家買，本來以為因為疫情會拖很久，沒想到下單後4天就收到了，寄來的東西比拍賣網頁的敘述更佳，而且運費還真便宜，以後有其他中古零件需求可以再找他。
曲軸的部分，實在不好找，最後也是透過Ebay的介面，找到義大利有一家解體廠，他們有留幾支E46 320d的曲軸。老義傳了同一支曲軸40多張高解析度照片給我，然後給我3組也就是總共1百多張照片，讓我挑選。其實3支曲軸品像都不錯，我最後挑了一支，請他寄過來。曲軸的運費就不便宜囉，而且歐洲線確實受到疫情影響，就在我快要忘掉這檔事的時候，終於收到曲軸了，從義大利到台灣，差不多2個月。曲軸到的時候，我其他的材料也都到齊，可以開始動手組裝引擎了。
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前言
入手1995的E36 318ti 已經3年多跑5萬公里了，說實話，這是一台省油、好開、操控性佳、沒有奇怪毛病的車子。唯一美中不足的，大概只有動力不足的問題，雖然配的是原廠5速手排，但每每在低速的山路上，要在有限的空間進行安全超車，是相當辛苦的。
1995 E36 318ti 採用M42B18這顆1.8升直列4汽缸的引擎，雙凸輪軸，在6,000轉時可以產出140匹最大馬力，4,500轉時可產出最大扭力172N.m。
依小車的標準來說，帳面數字不錯，4,000-6,000轉高轉速域引擎動力延伸相當好；但2,000-4,000轉中轉速域真的是很沒力，以一般小山路時速40-50公里時，退到2檔也很難超車，除非是較寬的路段，時速能到60公里以上，用2檔拉高轉速超車才有流利的感覺。
想想這車也已經26年了，到底要不要提升動力？心理糾結了1年多，最後因為考量日常通勤需要運動性能稍好的車，利於操控及防衛駕駛，提升主動式安全性，所以決定來提升動力。
提升動力的方案
M42 / M44 1.8/1.9升的引擎在1990年代廣泛使用於BMW多個車款，與我相同需求的人當然數量不在話下，要提升動力輸出方法有幾個：
1. 更換6缸大排氣量引擎
這是最直接且經濟實惠的方法，透過6缸大排氣量引擎，無論是低轉速扭力或是高轉速馬力都能夠很直接有效的提升；但伴隨而來的是因為引擎重量增加造成轉向不靈敏的問題。
M42 / M44 4缸1.8/1.9引擎重量95kg，M52 6缸2.8引擎重量135kg，且更換6缸引擎後，引擎重心位置向前移約15cm。聰明的你，看到這個數據大概已經能猜到結果。雖然增加拉桿、加寬輪胎、提升避震、增加後軸重量等能克服轉向不足的問題，但維持輕量才是真的王道。
PS: 引擎重量取自Realoem
更換6缸引擎將增加40kg重量且重心前移15cm，對於彎道運動性能有很大的影響。對於有操控需求的我，就不將更換6缸引擎列入我的考量了。
2. 增加渦輪或是機械增壓
透過以渦輪或是機械式壓縮機，強制增加進氣量，確實能有效提升動力。然而M42原本設計為一個自然進氣引擎的結構，要加上增壓器的話，引擎內部機械結構必須要有相應的調整，且電腦系統也要跟著改寫才能讓動力發揮並顧及耐用性，會需要使用到很多非原廠的改裝套件、轉接裝置、接線等等，而且預期改裝完成後引擎室會琳瑯滿目，不是我想要的。
3. 更換4缸2.1升引擎
4缸2.1升的引擎重量約95kg，和原本M42B18引擎相同，且重心位置不變，可以讓E36 318ti維持前中置引擎(FMR)的優勢，車身前後重量平均的分配，車子的動態可以維持最好的情況。
由於4缸2.1升引擎外觀與原廠1.8升引擎無異，預期更換完成後，引擎室仍是如原來一般樸素，看不出有任何異樣，完整度最高，後續就算直接到監理站驗車也沒有問題。
我個人喜歡用原廠流用零件升級車子，保持原廠樸素外觀，我想這個方案就是我要的。
M42 2.1升引擎那裡來？
M42 2.1升引擎BMW原廠只有測試沒有量產(因為打到自己M52 6缸2.0/2.2的產品線)；市面上曾出現過，雖然稀少但有機會取得的是原場S42B20賽車引擎和德國Hartge改裝廠調教的M42 2.1升引擎，這些引擎都是相當稀有的寶物，除了當年的賽事以外，很少人能夠有機會得到。
我搜尋了一陣子，這顆引擎真不容易取得，外國群組裡面和Ebay都沒有看到有人要釋出。
經過這陣子蒐集資料，對於M42 2.1升引擎的規格有了認識，憑著過去調教幾顆引擎的經驗，我決定自己製作1顆M42 2.1升引擎。
引擎設計 - 缸徑、衝程 (排氣量)
引擎增加排氣量，不就擴缸和加大衝程？是的，但每個細節都會影響到引擎的表現，必須全盤考慮，並注意每個細節，才能達到理想的需求。
我的需求前面說過，比起高轉速的馬力，我更希望中轉速域能夠有很好的扭力，無論是上坡過彎，低速超車，都要能夠輕鬆面對。而且我喜歡用原廠流用的零件來升級車子。依照這個原則，我開始來設計引擎。設計引擎的過程中要能發揮到多好，端看對於有限的材料中有多少認識。
M42B18這顆引擎衝程(stroke)81.00mm，缸徑(bore)84.00mm，要增加排氣量，勢必都要提升。
M42B18引擎本體是鑄鐵材質，經過實際測量，缸壁的剩餘厚度還足以再擴缸。我找了同年代大排氣量M52家族的活塞，最後決定使用1996年以後S50B32(美規E36 M3 240)引擎的活塞，直徑是86.365mm。
接著是衝程的部分，M42衝程是81.00mm，M44衝程是83.50mm，很多人是藉由更換成M44的曲軸來增加衝程。但我個人覺得衝程僅增加3.09%，可能達不到我的期望。
再深入搜尋及比對引擎大小波斯的共用性後發現，國外有一顆M47D20柴油引擎的曲軸，似乎有機會可以修改上M42引擎。M47D20又分前期E39/E46時期衝程是88.00mm版本，以及後期E87/E60用衝程90.00mm的版本。經過比對，前期衝程88.00mm的曲軸，如果裝在M42上面，需要修改的東西比較少，後期90.00mm的曲軸因為內含曲軸感知器的感應輪，還有其他細節和M42差異較大，要修改上是很困難的事情。最後，我決定使用前期M47D20的曲軸，來組我的2.1升引擎。
M42 2.1升引擎目標的排氣量已定，86.40mm X 88.00MM = 2,064cc
引擎設計 - 細節
連桿/衝程長度比 (Rod Stroke Ratio)
在相同衝程也就是說相同一支曲軸的情形下，最佳連桿長度有一個黃金比率(Rod Stroke Ratio)，可以讓引擎的動力達到最好的發揮，我們定義此比率為R1。當連桿長度減短時，比率減小為R0；當連桿長度增加時，比率增加為R2。
當其他條件都不變，只調整Rod Stroke Ratio時，R0的情形因為連桿較短，連桿運動時轉動角度較大，活塞爆炸初期更容易側向推動曲軸旋轉，可以更好發揮提前點火的效果，結果就是低轉速扭力提升，拉轉速反應快。
R2的情形因為連桿較長，運動時轉動角度較小，活塞爆炸後期時更好向下推動曲軸旋轉，且和前者比較，同樣轉速下活塞運動速度較慢，可以更好的發揮延後點火的效果，結果是高轉速延伸性更好。
至於R1的黃金比率在那裡？見仁見智。我的方法是，蒐集當年幾顆我喜歡的引擎，利用仿製他們規格的方式，來得到類似他們引擎的特性。這些資料網路上都有，我這邊僅列幾個參考：
M42B18 R=1.73 (140/81)
S50B32 (240) R=1.51 (135/89.6)
S52B32 (321) R=1.53 (139/91)
B18C R=1.58 (137.9/87.2)
我最後決定用135mm的連桿，搭配行程88mm的曲軸，這樣算起來的Rod Stroke Ratio=1.53(135/88)，這個比率是和321的引擎是一樣的。
每缸活塞(含連桿) / 曲軸 重量比率 (Rw)
活塞 / 曲軸 重量比率，關係到引擎轉動的特性。如果固定一樣重量的曲軸，改變活塞的重量，越重的活塞可以提供更大的曲軸旋轉慣性(旋轉越平穩)，越輕的活塞慣性越小(爆發力大，拉轉速快)。
活塞 / 曲軸的重量也是有一個黃金比率，太大、太小都不好。我在這邊也是參考幾個引擎的參數：(原始數據網路都有，可自查)
M42B18 Rw=0.30 [(0.483kg+0.524kg)/(13.528kg/4cyl)]
M47D20 Rw=0.38 (柴油車，壓縮比大，需要強的轉動慣性)
S50B30 Rw=0.25 (前期240) (E36M3)
S50B32 Rw=0.26 (後期240) (E36M3)
S52B32 Rw=0.26 (321) (E36M3)
我的設計Rw=0.25 (0.445kg+0.535kg)/(15.888kg/4cyl)，和240的數據相仿，希望能得到240的低速扭力。
蒐集材料
引擎的基本配置決定後，開始蒐集材料。我的計畫是先找一顆M42引擎回來，整體組裝完成後，再換上車，這樣能夠減少車子在架上的時間。
說來好笑，我從龐德那邊買回1顆M42B18引擎，這顆引擎是龐德1台黑色318ti原車上的引擎，他是因為更換6缸引擎所以才拆下，我卻是要把這顆引擎升級成2.1升，再裝回白色318ti。我和龐德的訴求是恰恰相反，而這顆引擎則是逃脫不了服務318ti的宿命。
為了接這顆引擎回車庫，我也重新把吊具從倉庫拿出來。耗材的部分，台灣的材料行多有，可以直接叫引擎大修包。
活塞/連桿的部分，原本在國內找，在社群網站發布訊息徵求，但因效果不好，最後向Ebay在美國紐約州的賣家買，本來以為因為疫情會拖很久，沒想到下單後4天就收到了，寄來的東西比拍賣網頁的敘述更佳，而且運費還真便宜，以後有其他中古零件需求可以再找他。
曲軸的部分，實在不好找，最後也是透過Ebay的介面，找到義大利有一家解體廠，他們有留幾支E46 320d的曲軸。老義傳了同一支曲軸40多張高解析度照片給我，然後給我3組也就是總共1百多張照片，讓我挑選。其實3支曲軸品像都不錯，我最後挑了一支，請他寄過來。曲軸的運費就不便宜囉，而且歐洲線確實受到疫情影響，就在我快要忘掉這檔事的時候，終於收到曲軸了，從義大利到台灣，差不多2個月。曲軸到的時候，我其他的材料也都到齊，可以開始動手組裝引擎了。
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