圖解汽車（2） 發動機可變氣門原理解析

前面已經了解過發動機的基本構造和動力來源。其實發動機的實際運轉速度並不是一成不變的，而是像人跑步一樣，時而急促，時而平緩，那麼調節好自己的呼吸節奏尤其重要，下面我們就來了解一下發動機是怎樣“呼吸”的。

 

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● 凸輪軸的作用

　　簡單來說，凸輪軸是一根有多個圓盤形凸輪的金屬桿。這根金屬桿在發動機工作中起到什麼作用？它主要負責進、排氣門的開啟和關閉。凸輪軸在曲軸的帶動下不斷旋轉，凸輪便不斷地下壓氣門（搖臂或頂桿），從而實現控制進氣門和排氣門開啟和關閉的功能。

● OHV、OHC、SOHC、DOHC代表什麼意思？

　　在發動機外殼上經常會看到SOHC、DOHC這些字母，這些字母到底表示的是什麼意思？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負責進、排氣門的開、關，稱為單頂置凸輪軸（SOHC）。氣缸頂部如果有兩根凸輪軸分別負責進、排氣門的開關，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搖臂來實現氣門的開合。但過高的轉速容易導致頂桿折斷，因此這種設計多應用於大排量、低轉速、追求大扭矩輸出的發動機。而凸輪軸頂置可省略頂桿簡化了凸輪軸到氣門的傳動機構，更適合發動機高速時的動力表現，頂置凸輪軸應用比較廣泛。

● 配氣機構的作用

　　配氣機構主要包括正時齒輪系、凸輪軸、氣門傳動組件（氣門、推桿、搖臂等），主要的作用是根據發動機的工作情況，適時的開啟和關閉各氣缸的進、排氣門，以使得新鮮混合氣體及時充滿氣缸，廢氣得以及時排出氣缸外。

● 什麼是氣門正時？為什麼需要正時？

　　所謂氣門正時，可以簡單理解為氣門開啟和關閉的時刻。理論上在進氣行程中，活塞由上止點移至下止點時，進氣門打開、排氣門關閉；在排氣行程中，活塞由下止點移至上止點時，進氣門關閉、排氣門打開。

　　那為什麼要正時呢？其實在實際的發動機工作中，為了增大氣缸內的進氣量，進氣門需要提前開啟、延遲關閉；同樣地，為了使氣缸內的廢氣排的更干淨，排氣門也需要提前開啟、延遲關閉，這樣才能保證發動機有效的運作。

● 可變氣門正時、可變氣門升程又是什麼？

 　　發動機在高轉速時，每個氣缸在一個工作循環內，吸氣和排氣的時間是非常短的，要想達到高的充氣效率，就必須延長氣缸的吸氣和排氣時間，也就是要求增大氣門的重疊角；而發動機在低轉速時，過大的氣門重疊角則容易使得廢氣倒灌，吸氣量反而會下降，從而導致發動機怠速不穩，低速扭矩偏低。

　　固定的氣門正時很難同時滿足發動機高轉速和低轉速兩種工況的需求，所以可變氣門正時應運而生。可變氣門正時可以根據發動機轉速和工況的不同而進行調節，使得發動機在高低速下都能獲得理想的進、排氣效率。

　　影響發動機動力的實質其實與單位時間內進入到氣缸內的氧氣量有關，而可變氣門正時系統只能改變氣門的開啟和關閉的時間，卻不能改變單位時間內的進氣量，變氣門升程就能滿足這個需求。如果把發動機的氣門看作是房子的一扇“門”的話，氣門正時可以理解為“門”打開的時間，氣門升程則相當於“門”打開的大小。

● 豐田VVT-i可變氣門正時系統

　　豐田的可變氣門正時系統已廣泛應用，主要的原理是在凸輪軸上加裝一套液力機構，通過ECU的控制，在一定角度范圍內對氣門的開啟、關閉的時間進行調節，或提前、或延遲、或保持不變。

　　凸輪軸的正時齒輪的外轉子與正時鏈條(皮帶)相連，內轉子與凸輪軸相連。外轉子可以通過液壓油間接帶動內轉子，從而實現一定范圍內的角度提前或延遲。 　　

● 本田i-VTEC可變氣門升程系統

　　本田的i-VTEC可變氣門升程系統的結構和工作原理並不復雜，可以看做在原來的基礎上加了第三根搖臂和第三個凸輪軸。它是怎樣實現改變氣門升程的呢?可以簡單的理解為，通過三根搖臂的分離與結合一體，來實現高低角度凸輪軸的切換，從而改變氣門的升程。

　　當發動機處於低負荷時，三根搖臂處於分離狀態，低角度凸輪兩邊的搖臂來控制氣門的開閉，氣門升程量小;當發動機處於高負荷時，三根搖臂結合為一體，由高角度凸輪驅動中間搖臂，氣門升程量大。 

● 寶馬Valvetronic可變氣門升程系統

 

　　寶馬的Valvetronic可變氣門升程系統，主要是通過在其配氣機構上增加偏心軸、伺服電機和中間推桿等部件來改變氣門升程。當電動機工作時，蝸輪蝸桿機構會驅動偏心軸發生旋轉，再通過中間推桿和搖臂推動氣門。偏心輪旋轉的角度不同，凸輪軸通過中間推桿和搖臂推動氣門產生的升程也不同，從而實現對氣門升程的控制。

● 奧迪AVS可變氣門升程系統

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

　　發動機處於高負荷時，電磁驅動器使凸輪軸向右移動，切換到高角度凸輪，從而增大氣門的升程;當發動機處於低負荷時，電磁驅動器使凸輪軸向左移動，切換到低角度凸輪，以減少氣門的升程