[凸輪軸專題連載3/5]--DOHC適合高轉速引擎?慣性質量愈少愈好嗎?

汽車動力產生的震動和噪音都是愈小愈好,然而引擎開發的歷史不只有提昇動力,還有大量時間和經費投入在提昇舒適性,為了降低震動和噪音,關鍵當然就是活動部分的零件精密度提昇,減少活動零件的數目也有很大效果。

OHV引擎的凸輪軸設置於汽缸本體的側面或下面,藉由長長的推桿來驅動搖臂,因此各零件之間的接觸點較多,成為產生噪音的原因。SOHC去掉了推桿,但驅動氣門重要的搖臂仍然有質量,因此有噪音的問題,而且在高轉速時無法避免傳動的損耗。相較之下,直壓式DOHC不但沒有推桿,連搖臂也省了,精密的傳動過程到高轉速也沒問題。使用搖臂的DOHC也不少,但DOHC使用的搖臂體積非常小,甚至可以無視質量問題,再將它整合至氣門間隙調節器,就連噪音也沒了。

 
 
由於DOHC是直接驅動氣門,因此有利於動力傳輸。雖然搖臂式DOHC也日益增加,但比起SOHC的搖臂仍然小得很多,所以不利的因素也較少。
 
 

[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。

[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。