圖解汽車（2） 發(fā)動(dòng)機(jī)可變氣門原理解析

前面已經(jīng)了解過發(fā)動(dòng)機(jī)的基本構(gòu)造和動(dòng)力來源。其實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)速度并不是一成不變的，而是像人跑步一樣，時(shí)而急促，時(shí)而平緩，那么調(diào)節(jié)好自己的呼吸節(jié)奏尤其重要，下面我們就來了解一下發(fā)動(dòng)機(jī)是怎樣“呼吸”的。

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● 凸輪軸的作用

　　簡(jiǎn)單來說，凸輪軸是一根有多個(gè)圓盤形凸輪的金屬桿。這根金屬桿在發(fā)動(dòng)機(jī)工作中起到什么作用？它主要負(fù)責(zé)進(jìn)、排氣門的開啟和關(guān)閉。凸輪軸在曲軸的帶動(dòng)下不斷旋轉(zhuǎn)，凸輪便不斷地下壓氣門（搖臂或頂桿），從而實(shí)現(xiàn)控制進(jìn)氣門和排氣門開啟和關(guān)閉的功能。

● OHV、OHC、SOHC、DOHC代表什么意思？

　　在發(fā)動(dòng)機(jī)外殼上經(jīng)常會(huì)看到SOHC、DOHC這些字母，這些字母到底表示的是什么意思？OHV是指頂置氣門底置凸輪軸，就是凸輪軸布置在氣缸底部，氣門布置氣缸頂部。OHC是指頂置凸輪軸，也就是凸輪軸布置在氣缸的頂部。

　　如果氣缸頂部只有一根凸輪軸同時(shí)負(fù)責(zé)進(jìn)、排氣門的開、關(guān)，稱為單頂置凸輪軸（SOHC）。氣缸頂部如果有兩根凸輪軸分別負(fù)責(zé)進(jìn)、排氣門的開關(guān)，則稱為雙頂置凸輪軸（DOHC）。

　　底置凸輪軸的凸輪與氣門搖臂間需要采用一根金屬連桿連接，凸輪頂起連桿從而推動(dòng)搖臂來實(shí)現(xiàn)氣門的開合。但過高的轉(zhuǎn)速容易導(dǎo)致頂桿折斷，因此這種設(shè)計(jì)多應(yīng)用于大排量、低轉(zhuǎn)速、追求大扭矩輸出的發(fā)動(dòng)機(jī)。而凸輪軸頂置可省略頂桿簡(jiǎn)化了凸輪軸到氣門的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，更適合發(fā)動(dòng)機(jī)高速時(shí)的動(dòng)力表現(xiàn)，頂置凸輪軸應(yīng)用比較廣泛。

● 配氣機(jī)構(gòu)的作用

　　配氣機(jī)構(gòu)主要包括正時(shí)齒輪系、凸輪軸、氣門傳動(dòng)組件（氣門、推桿、搖臂等），主要的作用是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作情況，適時(shí)的開啟和關(guān)閉各氣缸的進(jìn)、排氣門，以使得新鮮混合氣體及時(shí)充滿氣缸，廢氣得以及時(shí)排出氣缸外。

● 什么是氣門正時(shí)？為什么需要正時(shí)？

　　所謂氣門正時(shí)，可以簡(jiǎn)單理解為氣門開啟和關(guān)閉的時(shí)刻。理論上在進(jìn)氣行程中，活塞由上止點(diǎn)移至下止點(diǎn)時(shí)，進(jìn)氣門打開、排氣門關(guān)閉；在排氣行程中，活塞由下止點(diǎn)移至上止點(diǎn)時(shí)，進(jìn)氣門關(guān)閉、排氣門打開。

　　那為什么要正時(shí)呢？其實(shí)在實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)工作中，為了增大氣缸內(nèi)的進(jìn)氣量，進(jìn)氣門需要提前開啟、延遲關(guān)閉；同樣地，為了使氣缸內(nèi)的廢氣排的更干凈，排氣門也需要提前開啟、延遲關(guān)閉，這樣才能保證發(fā)動(dòng)機(jī)有效的運(yùn)作。

● 可變氣門正時(shí)、可變氣門升程又是什么？

 　　發(fā)動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速時(shí)，每個(gè)氣缸在一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)，吸氣和排氣的時(shí)間是非常短的，要想達(dá)到高的充氣效率，就必須延長(zhǎng)氣缸的吸氣和排氣時(shí)間，也就是要求增大氣門的重疊角；而發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)，過大的氣門重疊角則容易使得廢氣倒灌，吸氣量反而會(huì)下降，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)怠速不穩(wěn)，低速扭矩偏低。

　　固定的氣門正時(shí)很難同時(shí)滿足發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速和低轉(zhuǎn)速兩種工況的需求，所以可變氣門正時(shí)應(yīng)運(yùn)而生。可變氣門正時(shí)可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和工況的不同而進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得發(fā)動(dòng)機(jī)在高低速下都能獲得理想的進(jìn)、排氣效率。

　　影響發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的實(shí)質(zhì)其實(shí)與單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入到氣缸內(nèi)的氧氣量有關(guān)，而可變氣門正時(shí)系統(tǒng)只能改變氣門的開啟和關(guān)閉的時(shí)間，卻不能改變單位時(shí)間內(nèi)的進(jìn)氣量，變氣門升程就能滿足這個(gè)需求。如果把發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門看作是房子的一扇“門”的話，氣門正時(shí)可以理解為“門”打開的時(shí)間，氣門升程則相當(dāng)于“門”打開的大小。

● 豐田VVT-i可變氣門正時(shí)系統(tǒng)

　　豐田的可變氣門正時(shí)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用，主要的原理是在凸輪軸上加裝一套液力機(jī)構(gòu)，通過ECU的控制，在一定角度范圍內(nèi)對(duì)氣門的開啟、關(guān)閉的時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)，或提前、或延遲、或保持不變。

　　凸輪軸的正時(shí)齒輪的外轉(zhuǎn)子與正時(shí)鏈條(皮帶)相連，內(nèi)轉(zhuǎn)子與凸輪軸相連。外轉(zhuǎn)子可以通過液壓油間接帶動(dòng)內(nèi)轉(zhuǎn)子，從而實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的角度提前或延遲。 　　

● 本田i-VTEC可變氣門升程系統(tǒng)

　　本田的i-VTEC可變氣門升程系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理并不復(fù)雜，可以看做在原來的基礎(chǔ)上加了第三根搖臂和第三個(gè)凸輪軸。它是怎樣實(shí)現(xiàn)改變氣門升程的呢?可以簡(jiǎn)單的理解為，通過三根搖臂的分離與結(jié)合一體，來實(shí)現(xiàn)高低角度凸輪軸的切換，從而改變氣門的升程。

　　當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于低負(fù)荷時(shí)，三根搖臂處于分離狀態(tài)，低角度凸輪兩邊的搖臂來控制氣門的開閉，氣門升程量小;當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于高負(fù)荷時(shí)，三根搖臂結(jié)合為一體，由高角度凸輪驅(qū)動(dòng)中間搖臂，氣門升程量大。 

● 寶馬Valvetronic可變氣門升程系統(tǒng)

　　寶馬的Valvetronic可變氣門升程系統(tǒng)，主要是通過在其配氣機(jī)構(gòu)上增加偏心軸、伺服電機(jī)和中間推桿等部件來改變氣門升程。當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)會(huì)驅(qū)動(dòng)偏心軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)，再通過中間推桿和搖臂推動(dòng)氣門。偏心輪旋轉(zhuǎn)的角度不同，凸輪軸通過中間推桿和搖臂推動(dòng)氣門產(chǎn)生的升程也不同，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣門升程的控制。

● 奧迪AVS可變氣門升程系統(tǒng)

　　奧迪的AVS可變氣門升程系統(tǒng)，主要通過切換凸輪軸上兩組高度不同的凸輪來實(shí)現(xiàn)改變氣門的升程，其原理與本田的i-VTEC非常相似，只是AVS系統(tǒng)是通過安裝在凸輪軸上的螺旋溝槽套筒，來實(shí)現(xiàn)凸輪軸的左右移動(dòng)，進(jìn)而切換凸輪軸上的高低凸輪。

　　發(fā)動(dòng)機(jī)處于高負(fù)荷時(shí)，電磁驅(qū)動(dòng)器使凸輪軸向右移動(dòng)，切換到高角度凸輪，從而增大氣門的升程;當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于低負(fù)荷時(shí)，電磁驅(qū)動(dòng)器使凸輪軸向左移動(dòng)，切換到低角度凸輪，以減少氣門的升程