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凸輪軸工作原理

 

凸輪軸的關鍵之處在于凸輪。當凸輪軸旋轉時,凸輪隨著活塞的運動會及時地打開/關閉進氣門和排氣門。因此,凸輪的形狀與發動機在不同轉速下的工作狀況有著直接的聯系。

為了理解其中的原因,讓我們先想象一下一個正在以極為緩慢的轉速運轉的發動機——10或20轉/分——在這種情況下,活塞需要幾秒鐘來完成一個運行周期。而在現實中,正常運轉的發動機可不能這么慢,但我們想象一下也無妨。在這樣慢的速度下,我們希望的凸輪形狀是:

  • 活塞開始向下運動進入進氣沖程(稱為上止點即TDC)時,進氣門打開。 活塞到底時,進氣門就會關閉。
  • 燃燒行程結束以后,排氣門在活塞到底(稱為下止點即BDC)時打開,在活塞的排氣沖程結束時關閉。

只要發動機一直在這種非常緩慢的速度下運行,這種良好的工作狀態就會一直持續下去。 但是,如果在轉速增加的情況下會如何呢?讓我們來仔細地研究一下。

在轉速為10-20轉/分的情況下運行良好的凸輪軸的構造,在轉速增加的情況下就不再適合了。發動機轉速達到4000轉/分時,氣門每分鐘要開閉2000次,即每秒33次。這樣,活塞的運動速度非?,因而空氣/燃料混合氣進入氣缸的速度也非?。

當進氣門打開,活塞開始它的進氣沖程時,空氣/燃料混合氣在進氣流通管中開始加速,準備進入氣缸;钊谶M氣沖程到底時,空氣/燃料混合氣將以很高的速度運動。如果進氣門突然關閉,所有空氣/燃料混合氣會因受阻而無法進入氣缸。通過延長進氣門開放的時間,當活塞開始壓縮行程時,高速運行的空氣/燃料混合氣的沖力會繼續迫使混合氣體進入氣缸。因此,發動機運轉得越快,空氣/燃料混合氣就運動得越快,我們希望進氣門打開的時間也就越長。在高轉速的情況下,我們也希望氣門的開口更大些,這一參數被稱為氣門升程,它由凸輪輪廓線決定。

下面的動畫將演示常規運轉的凸輪和推動氣門的凸輪在氣門正時方面的不同之處。 注意看,推動氣門的凸輪的排氣(紅圈)和進氣(藍圈)的周期有更多的重疊之處。正因如此,裝有這種凸輪的汽車在空轉情況下震顫感更強。


兩種不同的凸輪輪廓線: 按一下播放鍵下的按鈕即可以在兩個凸輪間進行切換。 圓圈表明氣門打開的持續時間,藍色代表進氣,紅色代表排氣。 氣門重疊(進氣門和排氣閥同時打開)的情況在每個動畫的開頭都突出顯示出來。

任何既定的凸輪軸只會在發動機以某個特定轉速運轉時達到完美的運行狀態。當以其他轉速運轉時,發動機的性能就會降低。因此,固定的凸輪軸始終不是最佳之選。這就是為什么眾多汽車制造商相繼制定開發計劃,研制可變的凸輪輪廓線來適應發動機轉速的變化。

在發動機中有幾種不同的凸輪軸配置方式可供采用。 接下來,我們了解一些最常見的方式。 您可能曾經聽說過下列術語:

讓我們先來看看單頂置凸輪軸。

單頂置凸輪軸
這種設計的特點在于發動機的每個氣缸頭上只有一個凸輪。因此,直列式4缸或直列式6缸發動機只有一個凸輪;而V-6或V-8發動機有兩個凸輪(每個氣缸頭各一個)。

按下凸輪驅動搖臂并開啟氣門,彈簧的作用是使氣門回到關閉位置。這些彈簧必須十分強勁,因為在發動機高速運轉時,氣門按下的速度很快,并且氣門正是通過彈簧與搖臂相連的。如果彈簧不夠強勁,氣門可能會脫離搖臂并被猛地吸回。這種糟糕的情況將對凸輪和搖臂造成更多的磨損。


單頂置凸輪軸

單頂置和雙頂置凸輪發動機上,凸輪由凸輪軸通過皮帶或鏈條驅動,分別稱為正時皮帶或正時鏈條。這些皮帶和鏈條需要定期更換或調整。如果正時皮帶斷裂,凸輪會停止旋轉,活塞也會撞到開著的氣門上。

活塞撞擊氣門造成的損害
活塞撞擊氣門造成的損害

上圖為活塞撞擊開著的氣門時的情形。

雙頂置凸輪軸
雙頂置凸輪發動機每個氣缸頭有兩個凸輪,所以直列發動機有兩個凸輪,而V型發動機有四個。通常來講,在每個氣缸有四個或更多氣門的發動機上使用雙頂置凸輪軸,因為一個凸輪軸上無法安裝足夠的凸輪來驅動所有的氣門。


之所以采用雙頂置凸輪軸是為了滿足更多進氣門和排氣門的需要。 更多的氣門意味著進氣和排氣更順暢,因為有更多的開孔供氣體流動。 發動機的功率也隨之增加。

之所以采用雙頂置凸輪軸是為了滿足更多進氣門和排氣門的需要。更多的氣門意味著進氣和排氣更順暢,因為有更多的開孔供氣體流動,發動機的功率也隨之增加。

頂桿發動機
與單頂置凸輪軸和雙頂置凸輪軸發動機一樣,頂桿發動機的氣門位于氣缸頂部的氣缸頭上。其主要的區別在于頂桿發動機的凸輪軸位于發動機缸體內,而不是在氣缸頭上。

頂桿發動機
頂桿發動機

凸輪驅動推桿通過缸體到達氣缸頭,進而推動搖臂。這些推桿增加了系統的慣性,使得氣門彈簧的負荷也增加了。這會限制頂桿發動機的轉速,頂置凸輪軸 發動機取消了頂桿,使發動機獲得更高轉速成為可能。


頂桿發動機

頂桿發動機的凸輪軸通常是由齒輪或短鏈驅動的。通常情況下,齒輪驅動與皮帶驅動相比并不易斷裂,所以常常用于頂置凸輪軸發動機中。

可變式氣門正時
下面介紹幾種凸輪制造商改變氣門正時的新辦法。本田發動機所使用的一種系統稱為VTEC。

VTEC(可變氣門正時和升程電子控制系統)是部分本田發動機上使用的機電系統,它允許發動機有多個凸輪軸。VTEC發動機有一個額外的進氣凸輪并有一個搖臂與之相連。與其他凸輪輪廓線相比,這種凸輪輪廓線能使進氣門打開的時間更長。在發動機速度較低時,這個搖臂不與任何氣門相連;當發動機處于高速運轉時,活塞將額外的搖臂與控制兩個進氣門的兩個搖臂鎖定。

有的汽車采用一種特殊裝置以提高氣門正時性能。這種裝置并不延長氣門的開放時間,而是使氣門的打開時間和關閉時間向后延遲,這是通過將凸輪軸多旋轉幾度來實現。如果進氣門通常在活塞到達上止點(TDC)前旋轉10度時打開,并在到達上止點(TDC)后旋轉190度關上,那么總的持續時間為旋轉200度所用的時間。打開和關閉的時間可以通過一個機械裝置將凸輪多旋轉一點來進行調整。 例如,氣門可以在活塞到達上止點(TDC)后旋轉10度時打開,并且在到達上止點(TDC)后旋轉210度時才關上。如果能在延后20度關閉氣門的基礎上增加進氣門打開持續時間則更加理想。

法拉利已經通過一個巧妙的辦法做到了這一點。法拉利發動機上的凸輪軸有一個三維輪廓線,可以隨凸輪凸角的長度而變化。在凸輪的一端是一個曲度不大的凸輪輪廓線,而在另一端是曲度較大的凸輪輪廓線,凸輪的構造使這兩種輪廓線很好地融合在一起。采用一種能使整個凸輪軸橫向地滑動的機械裝置后,氣門就能咬合凸輪的不同的部分了。軸芯仍然像普通凸輪軸一樣旋轉,但隨著發動機速度和負荷的增加,凸輪軸會逐漸地橫向滑動,從而氣門正時得以優化。

部分法拉利發動機采用了這種可變凸輪系統
部分法拉利發動機采用了這種可變凸輪系統

一些發動機制造商正在試驗氣門正時無限可變系統。比如,為每個氣門按一個電磁開關,這樣就能通過計算機而不是凸輪軸來控制氣門的打開和關閉。有了這類系統,無論發動機的轉速如何,都能獲得發動機的最大性能。這確實值得我們共同期待

 

2010/7/10 16:43:07
 
 
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