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[凸輪軸專題連載2/5]一支還是兩支凸輪軸好?

SOHC為「Single Over-Head Camshaft」的頭字母縮寫,DOHC的D則是Double。在DOHC尚不普及的1970年代,很多時候也不叫SOHC,而是以OHC來代表。SOHC的凸輪軸為一支,DOHC則有兩支。

以一支凸輪軸包辦進氣門和排氣門的驅動,是有箇中學問的,古早時代的回流式引擎凸輪軸上設有多個凸輪,直接壓動氣門挺桿,橫流式則將氣門以V形配置,因此使用了蹺蹺板狀的搖臂,但回流式也有為了降低引擎高度而使用搖臂的例子。

SOHC的凸輪軸驅動方式由早期使用齒輪進化到鍊條驅動,然後再到使用鋼帶。DOHC是在進氣門及排氣門各自設有專屬的凸輪軸,這種布局會讓氣門成為V形配置,因此必然是橫流結構,這種布局可以優化進排氣的效率,所以採用DOHC較佳。

兩支凸輪軸各自負責進氣門和排氣門的驅動。圖為使用每汽缸四氣門的橫流式引擎,如今大多數的引擎皆採用此種布局。

SOHC和DOHC的前身 

在凸輪軸設置於引擎頂部的概念出現以前,早期開發的引擎氣門布局為側置式,朝向上方的氣門由下方的推桿來控制開閉。接著出現的OHV是將氣門設置於引擎頂部,由更長的推桿來驅動。從1960年代開始普及的SOHC則將凸輪軸也設置於引擎頂部,當時DOHC還是很特殊款式的引擎才有的機械結構。

早期的引擎氣門設置於汽缸頂的側面,然後進化至圖中的OHV(Over-Head Valve)。

1900年代Mercedes的側置氣門引擎,推桿設置於汽缸本體之外。

Gottlieb Daimler最早取得專利的內燃機結構圖。排氣門位於汽缸側面朝下。

直壓式DOHC vs搖臂式DOHC同為DOHC也有不同的機械結構?

進氣門和排氣門有各自的凸輪軸驅動,稱為DOHC,早期是以凸輪軸的凸出部直接壓動氣門挺桿的直壓式,另外也有在中間插入氣門搖臂的方式。


1. 原來DOHC引擎是Peugeot開發的?

2. 直接壓、間接壓,哪個比較好?

3. 直壓式受到滑輪的干涉,搖臂式的自由度較高?

4. 直壓式更換墊片來調整間隙,搖臂式則不用?


原來DOHC引擎是Peugeot開發的?

DOHC引擎首次面世是於1912年由Peugeot開發,在當時是非常先進的機械結構,因此首先採用於賽車,然後才導入市售車,而在Peugeot開發出DOHC之前最先進的氣門驅動方式是SOHC,再以前是OHV,更往前則使用側置氣門等方式。進氣門和排氣門各自以專屬凸輪軸驅動的DOHC引擎反應比SOHC更快,對傳動系統的質量慣性也小,因此有利於高轉速,這樣的特性讓DOHC成為賽車引擎必備的機械結構,然後在市售性能車的引擎上也普及了。

Peugeot開發的DOHC氣門驅動方式是稱為連控軌道閥的強制開閉式,但後來進化成以凸輪直接壓動氣門挺桿的簡單方式,這種方式長期為DOHC固定使用的構造,但在開發出與SOHC相同的搖臂式之後,如今直壓式與搖臂式都有車廠使用。搖臂式是Honda在F2賽車引擎上開發的,然後導入於F1引擎、並採用於市售B16系列引擎,這款引擎在四個氣門內側支點使用搖臂式,是全世界最早將這種方式導入市售車的引擎。

直壓式

以凸輪軸的凸出部直接壓動氣門挺桿,稱為直壓式,自從有DOHC引擎開發以來,首先以此種方式為主流,相較之下,這種方式更適合高轉速引擎。

搖臂式

與SOHC引擎同樣於凸輪和氣門之間插入搖臂,最大特徵是應用槓桿原理增加氣門揚程、同時在與凸輪的接觸點加入滾珠軸承以降低摩擦損耗。

與SOHC引擎同樣於凸輪和氣門之間插入搖臂,最大特徵是應用槓桿原理增加氣門揚程、同時在與凸輪的接觸點加入滾珠軸承以降低摩擦損耗。

直接壓、間接壓,哪個比較好?

四行程的內燃機以進氣、壓縮、(爆炸)燃燒、排氣這四個行程完成一次循環,進氣行程開啟進氣門,壓縮行程和燃燒行程關閉全部氣門,排氣行程開啟排氣門。

控制氣門開閉的是凸輪軸上一體成型構造、蛋型變形的凸輪,凸出部因應四個行程和汽缸數目做出相合的設定,隨著凸輪軸的旋轉依序壓開各氣門,凸出部通過後,氣門即回復關閉狀態,四行程是曲軸每轉兩圈時凸輪軸轉一圈。至於壓開氣門的部分,由凸輪軸的凸出部直接壓動氣門閥上的氣門挺桿者為直壓式,像SOHC一樣有搖臂介入,如蹺蹺板一樣壓動氣門閥稱為「搖臂式」,目前採用的就這兩種。

如同先前提到,早期的DOHC引擎全為直壓式,構造簡單、零件數目少、反應快速,這種方式看來似乎沒有缺點,但它其實有兩個主要的弱點:一是無法控制改變氣門揚程,一是磨擦損耗令人在意,因此以搖臂間接壓動氣門閥的搖臂式誕生。

直壓式,由凸輪軸的凸出部直接壓動,特徵是反應直接、零件數目少,因此受到質量慣性的影響也小,而且可靠性高、成本較低,這些都是優點。

搖臂式 以較小的凸輪卻能控制更大的氣門揚程,這是搖臂式的首要特徵。DOHC引擎率先由Honda採用於F2賽車,然後再普及到市售車引擎。最近凸輪軸的接觸點上新加了滾珠軸承,讓滾動阻力趨近於零,旋轉時的感受有口皆碑,對於降低油耗也有貢獻。


日本最早搭載DOHC引擎的車款是輕型貨卡

超輕型貨卡車Honda T360

為了在賽車中獲勝而開發的DOHC引擎,在歐洲也搭載於運動型車款、以發揮高性能,但在日本最早搭載DOHC引擎的卻是輕型貨卡車,Honda T360就是日本的第一款,Honda在重機賽就已經具備DOHC的經驗,而為參加四輪賽車所開發的引擎也是DOHC,原本預定搭載於雙座位的S360,但這款車並未投入量產,改以S500上市,因此這具最早開發的354c.c. DOHC引擎就搭載於T360上市。

日本最早搭載DOHC引擎的是Honda輕型貨卡車T360,354c.c.直列4缸,最高轉速8500rpm可得馬力30ps。

擴大至531c.c.的引擎搭載於S500,是日本首先使用DOHC引擎的小客車。

AS280E型引擎,直壓式、單汽缸、2氣門、四連裝化油器。

直壓式受到滑輪的干涉,搖臂式的自由度較高?

氣門揚程對引擎性能有很大的影響,倘若進氣門的揚程小,進氣量就小,為了達到最佳的空燃混合比,供給的燃油也必須少,結果就無法提昇動力。引擎的開發史其實也可說是如何吸進更多空氣的研究史,為了增加氣門面積,每個汽缸採用了4個氣門,但凸輪的揚程也是重要的元素,直壓式要做到大揚程的話,就必須使用大凸輪,大凸輪的質量也大,連帶就會產生必須加大氣門挺桿面積的問題,因此直壓式只能在有限的尺寸中盡量設計最大的揚程。

直壓式 將屋頂型的燃燒室緊緻化並提高燃燒效率,就必須縮窄氣門夾角,但直壓式的左右受到正時齒輪的干涉,能縮窄的角度也很有限。

相較之下,搖臂式的自由度就比較高,來自於蹺蹺板的發想,若將中央的支點做為左右的中心,左右的上下距離就相同,轉移支點的位置就可以改變左右的上下距離,也就是說搖臂式應用了槓桿的比例,讓小凸輪產生大揚程,即在小凸輪的前提下擴大氣門揚程特性或是正時,這也是它的優點。還有一個特徵,就是因應支點偏外的型式而縮窄氣門夾角,就可以形成緊緻的燃燒室;而支點偏內的型式則有縮窄汽缸頂的優點。

搖臂式 將支點設置在外側的搖臂式,由於採行氣門挺桿在內側的佈局,因此避開了正時滑輪的干涉,氣門夾角得以縮得更窄。

直壓式的凸輪面光滑

搖臂式的滾珠軸承降低滾動阻力

驅動系統都有摩擦損耗,氣門驅動也不例外,即便已有機油提供潤滑,但是金屬和金屬之間接觸部分的摩擦仍然不可避免,就發生了磨擦損耗。直壓式凸輪軸的凸出部在氣門挺桿的表面以滑移的方式作動,高轉速時摩擦損耗並不小,因此要將氣門挺桿的表面予以平滑化,還要進行硬質薄膜等方式處理,也有引擎使用最新的DLC類鑽石碳膜處理來降低摩擦損耗。

直壓式 以凸輪軸的凸出部直接壓動氣門挺桿表面的直壓式,儘管有用機油潤滑,仍不可避免摩擦損耗發生。

搖臂式和直壓式同樣有金屬與金屬的摩擦點,早期的搖臂式在搖臂上有滑片與凸輪軸的凸出部接觸,因此產生摩擦損耗,但現在的搖臂式採用滾珠軸承,摩擦損耗無限趨近於零。今天直壓式和搖臂式仍在服役,直壓式擁有零件數目少、成本低的巨大優勢,但最重視油耗表現的引擎款式則大多傾向摩擦損耗少的滾珠搖臂式。

 

搖臂式 搖臂式早期使用滑片的部分會產生摩擦損耗,但在改用滾珠搖臂式之後得以解決,對於改善油耗也有貢獻。

 

 直壓式更換墊片來調整間隙,搖臂式則不用?

凸輪最底部和氣門挺桿之間必須有適當的間隙,理由是為了因應受熱時產生的形變,金屬會隨著高溫而膨脹,氣門系統主要是氣門閥膨脹的影響很大,如果冷車時氣門間隙是零,溫度上昇時氣門挺桿就會經常處於受壓狀態,造成氣門開閉的時機失準。

SST專用工具

為了防範這個狀況,冷車時必須保持規定的空隙、也就是調整氣門間隙。直壓式在氣門挺桿上方設有凹處,藉由更換插入此處的墊片來調整,墊片的厚度為0.05公厘,以規定值為準、有十幾種類型;直壓式也有無縫型式,這種方式則是更換氣門挺桿本體;另外還有搭配氣門挺桿內部的間隙調節器的方式。

直壓式藉由更換插入氣門挺桿上方的墊片來調整間隙,墊片厚度以0.05公厘為準、有十幾種類型,更換時要使用特殊工具。

搖臂式則在氣門閥一側的活動樞紐上設置螺栓,藉由轉動螺栓來調整間隙,但採用這種方法的不多,如今的主流引擎在末端樞紐上搭配油壓式間隙調節器,自動調整間隙並常保持為零。

直壓式也有採用無縫氣門挺桿的引擎,優點是有效面積廣、氣門揚程大,但在整備便利性上不如墊片式。

早期的搖臂式也有採用螺栓來調整的,如今則是在末端樞紐上搭配油壓式間隙調節器,就不需要手動調整氣門間隙。

搖臂式也有各種型式?

搖臂式大致分有兩種型式,一種是將搖臂支點設於內側,另一種是支點設於外側。2氣門引擎例如Toyota的5M-GE採用在內側支點搭配液壓式間隙調節器的方式,4氣門引擎則是Honda的ZC為世界首創採用內側支點搖臂,內側支點的優點是凸輪軸位於氣門內側的佈局,令汽缸頂得以縮窄。另一方面,外側支點在不用減少進排氣凸輪軸間隔的前提下,就能縮窄氣門夾角,優點是能營造緊緻的燃燒室,但也要避免正時滑輪的干涉。

外側支點型搖臂,為了解決搭配間隙調節器的空間問題以及縮窄氣門夾角,採用這種型式的引擎愈來愈多。

Honda採用的內側支點型搖臂,VTEC版本為了追求高剛性,因此選擇這種方式。

[凸輪軸專題連載1/5]--從OHV成長到DOHC...

對於四行程引擎來說,氣門機構是不可或缺的機械,因為需要氣門開閉才能完成四個行程,早期採用側置氣門,然後依序進化至OHV、SOHC、DOHC。

對於進氣、壓縮、燃燒、排氣的四行程引擎來說,氣門是不可或缺的機械結構,進氣行程開啟進氣門、關閉排氣門,壓縮及爆炸行程關閉所有氣門,排氣行程開啟排氣門。由Gottlieb Daimler開發的初期引擎,進氣門為自動進氣式,排氣門為凸輪推桿式,設置於引擎本體的側面。

氣門系統即以此為根基,發展出進排氣的側置氣門,然後進化至OHV,比起側置氣門由下方進氣,OHV是由燃燒室的上方進氣,不僅提高了進氣效率,燃燒室也成為更利於燃燒的成熟形狀。曾經處於時代尖端的OHV,又因為SOHC的登場而逐漸成為被淘汰的歷史,後者不但省去又長又重的推桿而大幅減少傳動損耗,更能承受高轉速環境。1960年代OHV和SOHC引擎同時存在,進入1970年代OHV遭到淘汰,如今SOHC甚至DOHC皆已普及,只剩下極少部分的車輛還有使用OHV。

一排汽缸體擁有兩支凸輪軸,稱為DOHC,進氣門及排氣門各自由專屬的凸輪軸負責驅動。原本是為了賽車而設計的方案,但如今連小型車都有採用,成為氣門驅動的主流布局。