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凸轮轴工作原理

 

凸轮轴的关键之处在于凸轮。当凸轮轴旋转时,凸轮随着活塞的运动会及时地打开/关闭进气门和排气门。因此,凸轮的形状与发动机在不同转速下的工作状况有着直接的联系。

为了理解其中的原因,让我们先想象一下一个正在以极为缓慢的转速运转的发动机——10或20转/分——在这种情况下,活塞需要几秒钟来完成一个运行周期。而在现实中,正常运转的发动机可不能这么慢,但我们想象一下也无妨。在这样慢的速度下,我们希望的凸轮形状是:

  • 活塞开始向下运动进入进气冲程(称为上止点即TDC)时,进气门打开。 活塞到底时,进气门就会关闭。
  • 燃烧行程结束以后,排气门在活塞到底(称为下止点即BDC)时打开,在活塞的排气冲程结束时关闭。

只要发动机一直在这种非常缓慢的速度下运行,这种良好的工作状态就会一直持续下去。 但是,如果在转速增加的情况下会如何呢?让我们来仔细地研究一下。

在转速为10-20转/分的情况下运行良好的凸轮轴的构造,在转速增加的情况下就不再适合了。发动机转速达到4000转/分时,气门每分钟要开闭2000次,即每秒33次。这样,活塞的运动速度非常快,因而空气/燃料混合气进入气缸的速度也非常快。

当进气门打开,活塞开始它的进气冲程时,空气/燃料混合气在进气流通管中开始加速,准备进入气缸。活塞在进气冲程到底时,空气/燃料混合气将以很高的速度运动。如果进气门突然关闭,所有空气/燃料混合气会因受阻而无法进入气缸。通过延长进气门开放的时间,当活塞开始压缩行程时,高速运行的空气/燃料混合气的冲力会继续迫使混合气体进入气缸。因此,发动机运转得越快,空气/燃料混合气就运动得越快,我们希望进气门打开的时间也就越长。在高转速的情况下,我们也希望气门的开口更大些,这一参数被称为气门升程,它由凸轮轮廓线决定。

下面的动画将演示常规运转的凸轮和推动气门的凸轮在气门正时方面的不同之处。 注意看,推动气门的凸轮的排气(红圈)和进气(蓝圈)的周期有更多的重叠之处。正因如此,装有这种凸轮的汽车在空转情况下震颤感更强。


两种不同的凸轮轮廓线: 按一下播放键下的按钮即可以在两个凸轮间进行切换。 圆圈表明气门打开的持续时间,蓝色代表进气红色代表排气。 气门重叠(进气门和排气阀同时打开)的情况在每个动画的开头都突出显示出来。

任何既定的凸轮轴只会在发动机以某个特定转速运转时达到完美的运行状态。当以其他转速运转时,发动机的性能就会降低。因此,固定的凸轮轴始终不是最佳之选。这就是为什么众多汽车制造商相继制定开发计划,研制可变的凸轮轮廓线来适应发动机转速的变化。

在发动机中有几种不同的凸轮轴配置方式可供采用。 接下来,我们了解一些最常见的方式。 您可能曾经听说过下列术语:

让我们先来看看单顶置凸轮轴。

单顶置凸轮轴
这种设计的特点在于发动机的每个气缸头上只有一个凸轮。因此,直列式4缸或直列式6缸发动机只有一个凸轮;而V-6或V-8发动机有两个凸轮(每个气缸头各一个)。

按下凸轮驱动摇臂并开启气门,弹簧的作用是使气门回到关闭位置。这些弹簧必须十分强劲,因为在发动机高速运转时,气门按下的速度很快,并且气门正是通过弹簧与摇臂相连的。如果弹簧不够强劲,气门可能会脱离摇臂并被猛地吸回。这种糟糕的情况将对凸轮和摇臂造成更多的磨损。


单顶置凸轮轴

单顶置和双顶置凸轮发动机上,凸轮由凸轮轴通过皮带或链条驱动,分别称为正时皮带或正时链条。这些皮带和链条需要定期更换或调整。如果正时皮带断裂,凸轮会停止旋转,活塞也会撞到开着的气门上。

活塞撞击气门造成的损害
活塞撞击气门造成的损害

上图为活塞撞击开着的气门时的情形。

双顶置凸轮轴
双顶置凸轮发动机每个气缸头有两个凸轮,所以直列发动机有两个凸轮,而V型发动机有四个。通常来讲,在每个气缸有四个或更多气门的发动机上使用双顶置凸轮轴,因为一个凸轮轴上无法安装足够的凸轮来驱动所有的气门。


之所以采用双顶置凸轮轴是为了满足更多进气门和排气门的需要。 更多的气门意味着进气和排气更顺畅,因为有更多的开孔供气体流动。 发动机的功率也随之增加。

之所以采用双顶置凸轮轴是为了满足更多进气门和排气门的需要。更多的气门意味着进气和排气更顺畅,因为有更多的开孔供气体流动,发动机的功率也随之增加。

顶杆发动机
与单顶置凸轮轴和双顶置凸轮轴发动机一样,顶杆发动机的气门位于气缸顶部的气缸头上。其主要的区别在于顶杆发动机的凸轮轴位于发动机缸体内,而不是在气缸头上。

顶杆发动机
顶杆发动机

凸轮驱动推杆通过缸体到达气缸头,进而推动摇臂。这些推杆增加了系统的惯性,使得气门弹簧的负荷也增加了。这会限制顶杆发动机的转速,顶置凸轮轴 发动机取消了顶杆,使发动机获得更高转速成为可能。


顶杆发动机

顶杆发动机的凸轮轴通常是由齿轮或短链驱动的。通常情况下,齿轮驱动与皮带驱动相比并不易断裂,所以常常用于顶置凸轮轴发动机中。

可变式气门正时
下面介绍几种凸轮制造商改变气门正时的新办法。本田发动机所使用的一种系统称为VTEC

VTEC(可变气门正时和升程电子控制系统)是部分本田发动机上使用的机电系统,它允许发动机有多个凸轮轴。VTEC发动机有一个额外的进气凸轮并有一个摇臂与之相连。与其他凸轮轮廓线相比,这种凸轮轮廓线能使进气门打开的时间更长。在发动机速度较低时,这个摇臂不与任何气门相连;当发动机处于高速运转时,活塞将额外的摇臂与控制两个进气门的两个摇臂锁定。

有的汽车采用一种特殊装置以提高气门正时性能。这种装置并不延长气门的开放时间,而是使气门的打开时间和关闭时间向后延迟,这是通过将凸轮轴多旋转几度来实现。如果进气门通常在活塞到达上止点(TDC)前旋转10度时打开,并在到达上止点(TDC)后旋转190度关上,那么总的持续时间为旋转200度所用的时间。打开和关闭的时间可以通过一个机械装置将凸轮多旋转一点来进行调整。 例如,气门可以在活塞到达上止点(TDC)后旋转10度时打开,并且在到达上止点(TDC)后旋转210度时才关上。如果能在延后20度关闭气门的基础上增加进气门打开持续时间则更加理想。

法拉利已经通过一个巧妙的办法做到了这一点。法拉利发动机上的凸轮轴有一个三维轮廓线,可以随凸轮凸角的长度而变化。在凸轮的一端是一个曲度不大的凸轮轮廓线,而在另一端是曲度较大的凸轮轮廓线,凸轮的构造使这两种轮廓线很好地融合在一起。采用一种能使整个凸轮轴横向地滑动的机械装置后,气门就能咬合凸轮的不同的部分了。轴芯仍然像普通凸轮轴一样旋转,但随着发动机速度和负荷的增加,凸轮轴会逐渐地横向滑动,从而气门正时得以优化。

部分法拉利发动机采用了这种可变凸轮系统
部分法拉利发动机采用了这种可变凸轮系统

一些发动机制造商正在试验气门正时无限可变系统。比如,为每个气门按一个电磁开关,这样就能通过计算机而不是凸轮轴来控制气门的打开和关闭。有了这类系统,无论发动机的转速如何,都能获得发动机的最大性能。这确实值得我们共同期待

 

2010-7-10 16:43:07
 
 

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