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这发动机技术很牛也不过时,但我国大部分汽车都没用
玩车教授 19.8万浏览 2021-03-15

不知道你们是否有看过教授之前的文章,里面有一句很重要的话:发动机缸头的技术含量比其他部分都高。如果有细心留意你会发现:大部分能提升发动机效率、动力输出的技术都是气门的技术。

也就是说,用好空气,才是提升发动机最直接的手段。

 

例如,用一台三缸发动机达到600匹马力的科尼塞克就是使用了当家的FreeValve技术才能达到该目标水平。

目前发动机的气门结构分为OHC和OHV两种,而在我国大部分的汽车都是使用OHC结构,也就是顶置凸轮轴的设计,而使用OHV形式的目前会在美系车上看到。

 

OHC结构的发动机凸轮轴位于气缸顶部,通过链条或者皮带从发动机曲轴处取力,从而带动凸轮轴旋转,凸轮轴上的凸轮挤压气门摇臂,从而控制气门的开关;

凸轮轴离开摇臂后,由于弹簧的作用气门会关闭,而凸轮再次压迫摇臂,气门打开。此外,会有VVT、VVL等技术可以控制气门开启关闭的时间长短、开启时间、升程等,这是后话。

 

OHV跟OHC不同,OHV的凸轮轴有可能位于发动机的中部或者发动机下方,同样是通过曲轴带动。

例如雪佛兰LS3发动机,该发动机的凸轮轴和曲轴用齿轮咬合在一起,而它们之间的传动比是2:1,也就是曲轴每转2圈,凸轮轴旋转1圈。曲轴带动凸轮轴旋转,凸轮轴上的凸轮就会打开和关闭气门。

 

和凸轮轴的凸轮接触的是凸轮随动件,可以称之为接头或者气门挺柱,它也会随着凸轮的形线运动,所以当凸轮轴旋转时,凸轮就迫使挺柱抬起,跟气门摇臂是类似的工作逻辑。

挺柱会带动推杆而上下运动,推杆的另一端会推动气门摇臂,这样就使得气门打开,气门摇臂类似杠杆结构,挺杆推动一边,另一边随之运动。

 

气门悬浮现象

造成这个现象是因为一旦发动机进入高转速状态,这套机构上的零件就会产生快速的往复运动。

也正是因为这是往复性部件,而不是旋转性的,运动的速度会随着转速的提高而提高,同时也会开始做高速的往复运动,不断改变运动的方向。

 

而这个机构中唯一能让气门运动和凸轮形线保持一直的零件就是弹簧,当凸轮的形线经过峰顶回到底部时,弹簧会迫使气门关闭。

所以弹簧要负责将整个机构保持和凸轮一直接触在一起,而一旦转速过高,因为往复惯性的存在,气门弹簧将无法保持气门和凸轮运动的一致性,因此在某些时刻,挺柱会无法完美贴合凸轮的形线运行,因为弹簧无法跟上发动机运转的节奏。

 

此外,这套机构上所有的零件自身都有重量,都存在往复惯性,当惯性朝着打开气门的方向时,气门弹簧独自对抗着这个惯性,如果弹簧无法快速克服这个惯性把所有零件回位,就意味着挺柱无法完美和凸轮贴合,这就是气门悬浮现象。

 

 

最好的情况是发动机的效率下降,最坏的情况是气门和活塞会撞击,可能会对发动机造成严重的损坏。

总的来说,发动机的进排气都不是像设计时那样进行,发动机的效率就会降低,并且在高转速时换气不畅。也正是由于往复惯性造成的气门悬浮现象,OHV发动机很容易进入这个转速低的困境,而如何克服它是一个很大的挑战。

 

当然改变气门工作方式即可,就是使用OHC形式;此外,还可以使用更硬的弹簧来帮助气门运动和凸轮保持一致,但这样又会造成效率下降,因为需要消耗更多的能量来压缩弹簧,所以更硬的弹簧同样会造成效率降低。

 

此外,F1上的发动机会使用空气弹簧的设计来克服该问题,通过压缩空气去替代弹簧的工作,这样就不会出现钢丝弹簧的震颤以及出现于凸轮轴形线脱离的情况。

总的来说,采用气动弹簧的双顶置凸轮轴发动机的转速要比受往复惯性困扰的OHV发动机的转速要高得多。

 

气流


另一个导致OHV发动机转速不高的原因是气流,因为高转速意味着很大的气流量,如果OHV发动机使用四气门结构,设计结构就会变得非常复杂,所以大部分OHV发动机只有两个气门,而正是因为这种结构限制了它在高转速时的气流量。

 

在低转速时两气门发动机跟四气门区别不大,甚至两气门发动机还有一些好处,例如进气速度更快,油气混合效果更好。

但来到高转速时,气流量就会增加,理论上10000转时交换的气流量是5000转时的2倍,因为转速是2倍,燃烧做工的次数也是2倍。

 

因此通过增加气门数量,实际上是增大了气流进入气缸的面积,让它在高转速下的瞬间能吸入更多空气。OHV发动机通常通过气缸头的设计以及让气门开度变大来改善换气问题,但总的来说,四气门结构在高转速时的换气效率肯定是比两气门更好的。

 

气门正时


同样以LS3为例,凸轮轴位于发动机中部、曲轴上方,通过这一根曲轴控制所有的推杆的运动,因为该发动机只有单凸轮轴,所以大大限制了对气门的控制。

2014年,雪佛兰确实在科尔维特的LT1发动机上引入了气门调整技术,但是只能同时调整所有气门的正时,而无法单独控制某个气门,所有气门打开时间、气门重叠角、气门升程都是一样的。

 

可以想象一下,假如在两个缸头上各有一对凸轮轴,就可以分别控制进气门和排气门,同时还能在凸轮轴上设置更多的形线来改变气门在高转速时的升程和打开时间,以获得更好的换气效果;

还能最大化气门正时的控制,改变进排气门的重叠时间,在任何转速下获得最好的换气效果;但只有一根凸轮轴就难以实现这种效果了。

 

上文说过,OHV发动机有各种的缺点,但是很多厂家例如雪佛兰和道奇仍然在制造OHV发动机,实际上这些发动机经常被称为过时产品,但实际上他们还有很多的优点。

 

低扭强



OHV发动机通常具备很好的低扭性能,而这要归功于气流。大部分的OHV发动机每个气缸只有2个气门,这样的结构对可以提高低转速时的气流速度,混合气混合得更加车底,燃烧更加充分,最后就能产生更大的扭矩。

 

结构简单


越简单的东西越可靠,同样以LS3为例,凸轮轴和曲轴之间的距离非常近,这样就可以直接用齿轮传统或者皮带、链条等,传动链就会比OHC结构更短,如果使用DOHC结构,这样在缸头就会有四根凸轮轴,需要四个驱动齿分别布置在凸轮轴的末端,还需要两根单独的链条,所以可以看出,OHV发动机比DOHC的结构会简单许多。

 

重量和大小


布置在V型气缸中间靠吓的单凸轮轴和布置在缸头上的双凸轮轴相比,OHV结构的气缸头会比OHC结构的更小,导致OHV的整体尺寸宽度更小,高度也更矮,一台尺寸小且低矮的发动机可以让发动机舱的布局更加灵活,无论是留给悬挂更多的空间还是把发动机尽量后移,靠近车辆的重心,增加车辆的操控性。

 

体型更小,意味着相比起同排量的OHC结构发动机,OHV的重量会更轻,更因为凸轮轴位于发动机中央,缸头上没有复杂的双凸轮轴结构,所以发动机的重心会更低,进一步降低车辆的重心。

 

成本

根据2004年Car&Driver杂志采访通用总工程师谈到关于小缸体发动机的内容,通用总工程师说:他们的发动机相比双顶置凸轮轴每台便宜400美元左右。

虽然400美元听起来并不是一个很大的数字,但是“小数怕长计”,面对数量庞大的量产化发动机来说,即便是便宜一丝一毫都是优势。

 

OHV发动机在今天看起来虽然没有OHC发动机般流行,但是存在即合理,OHV发动机凭借低扭强、结构简单、成本低等优点,让OHV发动机至今仍然在售,大排量V8又如何?我巡航转速1000出头,要动力有动力,强悍的低扭加速超车挡都不用降,何乐而不为?

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