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冷知識:和你一起「深呼吸」,發動機進氣系統的秘密

冷知識:和你一起「深呼吸」,發動機進氣系統的秘密

眾所周知,四衝程發動機的名稱來自於一個循環的4個衝程,即進氣、壓縮、做功、排氣。其中,進氣衝程是發動機運轉的前提和基礎——汽缸里吸入了多少油氣混合物,決定了有多少能源可以燃燒。在同等情況下,汽缸如果能夠吸到更多的空氣,意味著可以燃燒更多的油氣混合物、做更多的功,從而提高發動機輸出功率,正所謂「吃得多、幹得多」。

但是這並不容易,因為進氣門的開閉時間非常短,特別是高轉速大功率發動機,留給空氣進入的時間更是短得不可思議。比如,現代機車發動機轉速達到10000r/min很常見,概略來說,進氣時間只有0.003s!正因如此,百年來人們持續研究,研發出各種裝置,讓發動機呼吸得更多、更深、更順暢,目的就是榨取更強的動力!

【代表車型:哈雷-戴維森Breakout】

頂置氣門(OHV)

1899年,法國人比歇為了提高發動機轉速和功率,率先推出了頂置氣門機構(OHV)。在頂置氣門機構中,凸輪軸安裝在汽缸的側面下部,通過較長的推桿把搖臂往上推,再通過搖臂向下壓開氣門;氣門則可以設置在汽缸頭上,這樣燃燒室可以優化為半球型或楔型,從而提高了發動機的壓縮比和熱效率,實現高轉速、高功率的目的。在提高轉速和功率方面,頂置氣門機構明顯優於側置氣門機構,發動機的轉速普遍由1200r/min以下提高到6000r/min,功率獲得顯著提高。

此外頂置氣門發動機還具有低轉速、大扭矩的優勢,且能夠通過調整V型雙缸的夾角以獲得不同的震動節奏和排氣聲浪,具有很強的個性,這也是為什麼雖然以後出現了更先進的頂置凸輪軸(OHC)發動機,但是仍有廠家堅持生產技術「落伍」的OHV發動機緣故,這方面最典型的代表就是哈雷機車。

【代表車型:本田SH300i

單頂置凸輪軸(SOHC)

雖然頂置氣門發動機優於側置氣門發動機,但是頂置氣門發動機也有自身局限:由凸輪軸通過氣門挺桿驅動氣門,增加的氣門挺桿相應增加了傳動損耗。上個世紀60年代起,更加先進的單頂置凸輪軸(SOHC)發動機開始大行其道。SOHC與OHV相比,最大的不同是:OHV是氣門的位置在凸輪軸上方,凸輪軸利用氣門挺桿驅動氣門;SOHC則是凸輪軸的位置在氣門上方,發動機飛輪通過皮帶或鏈條帶動凸輪軸齒輪,從而實現凸輪軸直接驅動氣門。因此,SOHC比OHV減少了氣門挺桿和相應的傳動損耗,且可以設計出更高的壓縮比和發動機轉速,同等排量下SOHC發動機比OHV發動機的動力大、油耗小、易修護。現代的單缸機車發動機配置的基本上是單頂置凸輪軸。

【代表車型:本田VTR250

雙頂置凸輪軸(DOHC)

頂置凸輪軸發動機細分為單頂置凸輪軸(SOHC)發動機和雙頂置凸輪軸(DOHC)發動機。SOHC是進氣門和排氣門的開啟、關閉均由同一根凸輪軸來完成開關動作;DOHC則是利用兩條凸輪軸來分別驅動進氣門和排氣門完成開閉動作。總體來說,DOHC的好處就是可以輕易的改變進排氣門的開閉時間,每隻氣門的慣性質量比較低,因此具有高轉速、大功率的特性,但是結構比較複雜,造價成本較高,維護也比較困難,一般來說,多缸、大排量的高速發動機多採用DOHC氣門機構,單缸、小排量的普通發動機多採用SOHC氣門機構。

【代表車型:杜卡迪Monster821

機械氣門機構(Desmodromic)

Desmodromic是杜卡迪招牌式氣門控制機構,其優勢是:絕大多數四衝程發動機都依賴於彈簧來閉合氣門,但隨著發動機轉速的提高,特別是高轉速的賽車型發動機中,彈簧閉合氣門的時間變得很苛刻,從而經常出現氣門無法精確地按照凸輪形狀來運轉的情況,這導致了發動機性能的下降;而Desmodromic氣門系統由於取消了彈簧,改為直接機械閉合氣門,從而實現了發動機全轉速範圍內的精確氣門動作,能夠防止發動機高轉速時出現性能下降的現象。

【代表車型:本田VFR800F

可變氣門系統(VTEC)

VTEC全名是Variable valve Timing & lift Electronic Control system,即可變氣門正時/升程電子控制系統,簡稱可變氣門系統,主要應用於本田中量級V4發動機。當轉速低於設定值時,這台V型四缸的16隻氣門中,只有8隻氣門在工作;一旦轉速超過限值,16隻氣門全部激活,全力以赴榨取最大動力。VTEC兼具2氣門和4氣門發動機之特長,在中低轉速時輸出強韌扭矩,同時降低了油耗;高轉速時則酣暢淋漓地輸送充沛動力。

【代表車型:Kawasaki 1400 GTR

可變氣門正時系統(VVT)

川崎的可變氣門正時系統(VVT)能在發動機不同轉速範圍內,優化最合適的氣門開啟、關閉時間,以提高燃燒效率,實現低轉速時扭矩豐沛、高轉速時功率酣暢的目標。具體實現過程是:進氣凸輪軸的尾端裝配了可變正時驅動裝置。來自發動機機油泵的低壓機油,被機油控制閥(OCV)調節方向後進入可變正時驅動裝置的腔內,驅動進氣凸輪軸在0°~23.8°角度範圍內偏轉;具體偏轉角度的數值,則由32位的電控單元ECU綜合比較曲柄位置、凸輪軸位置、扼流閥開度和扼流閥感測器、水溫等信息后,計算出最佳的實時進氣門正時,再發出指令讓OCV閥驅動進氣凸輪軸偏轉到相應角度,從而實現相應的進氣提前或延遲。

【代表車型:Kawasaki H2/H2R

機械增壓(Supercharged)

所謂機械增壓,就是在發動機上安裝了迷你空氣壓縮機,提高供應給發動機的空氣壓力或密度。這一做法,讓發動機在進氣時獲得更多的氧氣,可以燃燒更多的油氣混合物、做更多的功,從而提高發動機的功率。機械增壓器的驅動力來自於發動機的曲軸,連接方式可能是皮帶、齒輪、鏈條或軸等方式。

【代表車型:Roehr 1250sc

渦輪增壓(Turbocharged)

發動機上的增壓器,其實是一種強制進氣的裝置。在不改變排量的前提下,安裝了增壓器的發動機,比起自然吸氣的發動機,能在相同的時間內,讓汽缸填充更多的油氣混合物,因此效率更高、動力更強。

常見的增壓器有兩種,除了上述的機械增壓器之外,另一種則是渦輪增壓器。兩種增壓器的核心區別,在於它們的驅動力來源不同。機械增壓器的工作動力來自於發動機,而渦輪增壓器則是藉助排氣管的高速氣流來驅動渦輪。

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