原來Honda VTEC引擎同時具備這兩種性格

▲早期的Honda VTEC引擎。並非使用可變氣門正時,而是使用揚程與相位皆異的兩組凸輪方式。
 
可變氣門正時 + 可變氣門揚程          
 
有別於可變氣門正時的方向,Honda VTEC追求全速域的高性能。由於重視實用速域的氣門揚程和氣門正時到了高轉速域不易發揮性能,反之,若要配合高轉速域,引擎在中低轉速域的扭力又會不足,因此VTEC使用兩組凸輪分別在實用速域和高轉速域之間切換,讓引擎在全速域皆能發揮高性能,最新的VTEC還在可變氣門正時機構上追加更精細的控制。
 

▲VTEC的核心部位。由中低速域使用的第一∕第二搖臂以及高速域使用的中間搖臂所構成。
 


▲最新的VTEC還加上可變氣門揚程、也加上可變氣門正時,進行更精密的氣門控制。

凸輪軸影響氣門正時的控制?

▲可變氣門正時
凸輪軸齒輪設有內藏油壓缸的複數葉片,藉由機油的進出控制葉片的轉動,讓葉片直接連結的凸輪軸進行順時針或逆時針方向旋轉,以改變氣門開閉的時機。本圖以設置於進氣側為例,也有設置於排氣側的引擎。

採用可變氣門正時機構的引擎已經愈來愈多,因為不採用的話就難以確保現代要求的節能減碳以及易駕性,以往只在部分高性能引擎上才有的系統,如今連在小型車引擎上都成為必備的機械科技。
 
氣門正時顧名思義,就是指進氣門和排氣門的開啟時機,變形橢圓的凸輪隨著旋轉將氣門壓下、並自動歸位,只要改變凸輪的形狀、例如尖銳或圓緩,再配合安裝於凸輪軸上的設置角度不同,就可以控制氣門的開閉時機和揚程大小。

以往的引擎氣門正時就只是依靠這種修改凸輪形狀的方式來控制,但隨著凸輪軸相位可變氣門正時機構的出現,可以因應引擎轉速高低而連續控制氣門正時。這樣看來,固定式氣門正時機構已經逐漸成為過去式了吧!

固定氣門正時
典型配備兩個凸輪軸齒輪的DOHC引擎。凸輪軸齒輪直接連結凸輪軸,每個只要負責曲軸轉速的一半,凸輪軸依旋轉角度的固定比例來驅動氣門正時。

 

氣門重疊,對引擎性能有影響嗎?

▲四行程引擎的進氣門與排氣門交互開閉,以進行進氣、壓縮、爆炸、排氣循環,決定開閉時機的就是凸輪形狀與氣門正時。
 
四行程引擎以進氣、壓縮、爆炸(燃燒)、排氣完成一次行程循環,這是由凸輪軸和氣門來掌管,從曲軸以皮帶或鍊條連結的凸輪軸各負責一半的曲軸轉速,根據行程來開閉氣門。
 
進氣行程開啟進氣門、關閉排氣門,壓縮與爆炸行程關閉所有氣門,排氣行程關閉進氣門、開啟排氣門,若照此敘述,進氣行程和排氣行程應該都是在活塞壓縮到上死點時進行開閉,但事實上,排氣門在進入進氣行程時才開始關閉,進氣門則是在排氣行程的後半段才開啟,這就是氣門重疊。
 
一般而言,如果氣門重疊的時間長,就能提昇進排氣效率、增加高轉速域的馬力,但中低轉速域的扭力就有所不足;反之,如果氣門重疊的時間短,即可增加中低轉速域的扭力,而高轉速域就訴求引擎運轉平順。
 
要在這種特性之間取得平衡,就決定依車種或引擎採用各自相應的氣門重疊。
高性能引擎的氣門重疊較多,重視進排氣效率;實用型引擎重視常用轉速域的易駕性,氣門重疊較少。
 

▲在排氣行程就開始進氣行程,在上死點時排氣門關閉,同時進氣門也不能開。而到達上死點之前就開啟進氣門、過了排氣上死點仍然開啟排氣門,此即稱為氣門重疊。

Alfa Romeo率先世界的技術是這個….

▲1991年Toyota首度搭載可變氣門正時機構的第七代Corolla。
 
最早的可變氣門正時 
1983年,Alfa Romeo的每缸雙火星塞引擎率先世界並採用可變氣門正時機構,在凸輪軸齒輪部位設置斜向齒輪和油壓缸,對斜向齒輪前後施力以旋轉凸輪軸,之後Nissan、Mercedes、Porsche、BMW等車廠亦陸續導入。
 
Toyota則是藉由1991年Levin搭載每缸五氣門的4A-GE引擎採用斜向齒輪式可變氣門正時機構的契機,進化至油壓式,成為普及的原動力。如今連小型車引擎也幾乎使用這種機構,對於提昇馬力、降低油耗、淨化排氣大有貢獻。
 

▲凸輪軸齒輪內藏斜向齒輪,根據油壓前後推動旋轉,以改變凸輪相位。
 

▲一開始並非像如今的連續可變,而是兩階段切換,油壓不介入時就是基本的氣門正時,油壓介入時則以更多的氣門重疊來改變正時。

可變氣門正時能保持全速域高性能?

▲可變氣門正時
以此圖為例,進氣門在上死點前44度到上死點後3度的範圍皆開啟,且不會像早期那樣只有兩階段,而是因應運轉狀況和負荷情形自動無段控制,其數據則依引擎不同而有異。
圖8
 
 
如果氣門重疊多,排氣側的惰性氣體就會吹回進氣側,這樣就會減慢進氣速度、降低進氣效率,主要會在怠速、低轉速、輕負荷時發生扭力降低的弊病;如果氣門重疊少,吹回的惰性氣體也少,燃燒更穩定。
 
但氣門重疊多並不是只有弊害,也有好處:到了中轉速以上,未燃燒的油氣回流至進氣側,會降低燃燒溫度、減少氮氧化物,未燃燒的油氣重新燃燒也會降低碳氫化物,此外,因此減少進氣管的負壓,還能減少爆震損耗、優化油耗。
各車廠依據引擎的訴求不同,會對氣門重疊的大小進行細微的設定,而有了可變氣門正時機構,便可根據運轉狀況隨時控制氣門重疊的大小,讓引擎在全轉速域皆能發揮性能,也就是實現了讓實用引擎和性能引擎合為一體。
 

▲固定氣門正時
固定氣門正時的氣門開閉時機只有一種模式,這種方式很難因應多種運轉速域,重視高轉速域的話就是降低低轉速域的性能,重視低轉速域的話則是降低高轉速域的性能。

可變系統的也有油壓式和電磁式?

▲可變氣門正時
油壓式的凸輪軸齒輪內藏三葉片油壓總成,油壓室分為進角室和遲角室,根據油壓的施加決定凸輪軸往進角側或遲角側旋轉,以改變氣門正時。

可變機構的原理並不複雜,就是凸輪軸旋轉的問題罷了。從正時滑輪的正前方看去,凸輪軸逆時針旋轉就會讓氣門開啟時機變晚,順時針旋轉則會讓氣門開啟時機變早。
 

▲由彈簧和電磁復位器所組成的電磁式可變系統結構。因螺絲彈簧而停在規定位置的凸輪軸因電磁復位器而旋轉,斷電後因應螺絲彈簧的作動而回到規定位置。
 
 凸輪軸旋轉的動力來源有兩種,即油壓和電動。早期的可變機構是在滑輪和凸輪軸之間插入斜向樣條,以油壓施力讓斜向齒輪前後作動,進而操作凸輪軸旋轉;如今的引擎幾乎都採用葉片型式,油壓室分為進角用和遲角用,藉由兩邊油壓的高低差來控制進角和遲角,由於機油直接來自引擎油路,因此引擎停止時就會固定在最遲角狀態。
 

▲由於以油壓進行氣門控制,機油灌入遲角側油壓室時就向遲角轉動。
 
 
電動馬達式則是依賴強力彈簧讓凸輪軸鎖定在遲角位置,通電之後抵抗彈簧力量的凸輪軸就會向進角側旋轉,斷電之後凸輪軸便因彈簧的力量而回到原來位置。馬達式具備不受氣溫影響、作動反應快等特性,主要運用在排氣側。
 

▲機油灌入進角側則讓氣門正時偏向進角。機油與引擎共用。
 

▲電磁式的例子幾乎都使用在排氣側,在進角與遲角間連續控制,優點在於不像油壓室會受到氣溫以及初始慣性的影響。

愈來愈多引擎在排氣側導入?

▲進氣側和排氣側皆有可變氣門正時機構的引擎。開發當初僅使用於高級車引擎,如今連輕型車引擎也已採用。
 
可變氣門機構原本只採用在進氣側,為了更精密地提昇燃燒效率,愈來愈多引擎在排氣側也採用,世界最早開發的是BMW,就是於1995年採用於直列六缸M52引擎的Double VANOS,開發理由是為了讓引擎高性能化,因此在高轉速時必須增加排氣速度,如果進排氣都能均衡控制,不僅提昇馬力,還可望產生淨化排氣、降低油耗、增進易駕性等正面影響。
 

▲僅有進氣側採用可變氣門正時機構的引擎。許多引擎仍採用此種方式。
 
在BMW之後許多車廠也陸續採用,日本的首例則是1998年Toyota Altezza搭載3S-GE引擎採用的Double VVTi。Double VANOS和Double VVTi原本在進排氣側皆使用油壓式,後來則由電磁式、馬達式取代,油壓式的機油黏度會受到氣溫影響,作動反應也會受到初始慣性影響,電磁式則不受氣溫影響、也不受機油泵浦的作動狀況影響,一啟動立即就能進行精密的控制,使得如今連輕型車也予以採用。
 

▲排氣側亦採用可變氣門正時機構引擎的氣門正時變化。主要目標是提昇低速域的扭力以及降低油耗。