凸轮轴的工作方式

作者:Karim Nice |

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凸轮轴

如果您已经阅读了这篇文章汽车发动机的工作方式,您知道使空气/燃料混合物进入发动机和排气发动机的阀门。凸轮轴使用裂片(称为凸轮)推向阀门旋转时打开它们;阀门上的弹簧将它们返回其封闭位置。这是一项关键的工作,可以以不同的速度对发动机的性能产生重大影响。在本文的下一页上,您可以看到我们构建的动画,以真正向您展示性能凸轮轴和标准凸轮之间的区别。

在本文中,您将了解凸轮轴如何影响发动机性能。我们有一些很棒的动画,向您展示了不同的引擎布局单个高架凸轮(SOHC)和双顶凸轮(dohc),真的有效。然后,我们将仔细研究一些汽车调整凸轮轴的几种整洁方法,以便可以更有效地处理不同的发动机速度。

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让我们从基础开始。

凸轮轴基础知识

任何凸轮轴的关键部分是。随着凸轮轴的旋转,裂片随着活塞的运动而打开并关闭摄入阀和排气阀。事实证明,凸轮裂片的形状与发动机以不同速度范围的性能之间存在直接关系。

为了理解为什么是这种情况,请想象我们的运行非常缓慢 - 每分钟仅10或20转(RPM) - 这样可以花几秒钟才能完成一个周期。实际运行正常引擎是不可能的,但是让我们想象我们可以。在这种缓慢的速度下,我们希望凸轮裂片形状,以便:

  • 就像活塞开始在进气冲程中向下移动(称为顶部死亡中心或TDC),进气门会打开。当活塞触底时,进气阀将恰好关闭。
  • 当活塞向下熄灭时,排气门将右开(称为底部死亡中心,或BDC)在燃烧行程结束时,将在活塞完成排气中风时关闭。

只要它以非常慢的速度运行,这种设置就可以很好地工作。但是,如果您增加了RPM,会发生什么?让我们找出答案。

当您增加RPM时,凸轮轴的10到20 rpm配置不正常。如果发动机以4,000 rpm的速度运行,则阀门每分钟打开和关闭2,000次,或每秒33次。在这些速度下,活塞的移动非常快,因此涌入气缸的空气/燃料混合物也很快移动。

当进气门打开并开始其进气冲程时,进气管中的空气/燃料混合物开始加速进入气缸。当活塞到达进气冲程的底部时,空气/燃料正在以相当高的速度移动。如果我们要猛击关闭进气门,那么所有的空气/燃料都将停止而不进入气缸。通过使进气门打开更长的时间,随着活塞开始压缩冲程,快速移动的空气/燃料的动量继续迫使空气/燃料进入气缸。因此,发动机速度越快,空气/燃料移动的速度越快,我们希望进气门保持打开状态的时间越长。我们还希望阀门以更高的速度打开更宽 - 此参数称为阀升,由凸轮叶轮廓管理。

下面的动画显示了如何常规凸轮性能凸轮有不同的阀门正时。请注意,排气(红色圆圈)和进气(蓝色圆圈)循环在性能凸轮上的重叠更多。因此,具有这种凸轮类型的汽车往往会在空闲时大致运行。

任何给定的凸轮轴都只能在一个发动机速度下才是完美的。在其他所有发动机速度下,发动机都不会发挥其全部潜力。一个固定凸轮轴因此,永远是妥协。这就是为什么随着发动机速度变化,汽车制造商开发了用于改变凸轮轮廓的方案的原因。

发动机上有几种不同的凸轮轴布置。我们将讨论一些最常见的。您可能听说过术语:

  • 单个高架凸轮(SOHC)
  • 双顶凸轮(DOHC)
  • 推杆

在下一节中,我们将查看这些配置中的每一种。

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凸轮轴配置

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活塞撞击阀的损坏

单个高架凸轮

这种布置表示带有引擎的引擎每头一个凸轮。因此,如果它是直列的4缸或直列6缸发动机,它将具有一个凸轮;如果是V-6或V-8,它将有两个凸轮(每个头部一个)。

凸轮驱动的摇臂,向下压在阀门上,打开它们。弹簧将阀门返回其封闭位置。这些弹簧必须非常强大,因为在高发动机速度下,阀门被非常快地推下,而正是弹簧使阀门与摇臂保持接触。如果弹簧不够强壮,阀门可能会远离摇臂,然后向后弹。这是一种不受欢迎的情况,会导致凸轮和摇臂的额外磨损。

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一个高架凸轮

在单个和双顶凸轮发动机上,凸轮由曲轴驱动,通过称为正时皮带或者时间链。这些皮带和链条需要定期更换或调整。如果正时皮带断裂,凸轮将停止旋转,活塞可能会撞到敞开的阀门。

双顶凸轮

双顶凸轮引擎具有每头两个凸轮。因此,内联引擎有两个凸轮,V引擎有四个。通常,每缸带四个或更多阀的发动机上使用双顶凸轮 - 单个凸轮轴根本无法安装足够的凸轮裂片来启动所有这些阀门。

使用双顶凸轮的主要原因是允许更多的进气门和排气阀。更多的阀意味着进气和排气气可以更加自由流动,因为它们有更多的开口可以流过。这增加了发动机的力量。

我们将在本文中使用的最终配置是推杆引擎。

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推杆引擎

推杆引擎

像SOHC和DOHC发动机一样,推杆发动机中的阀门位于圆柱体上方的头部。关键区别在于推杆发动机上的凸轮轴在发动机块内部,而不是头部。

凸轮驱动的长杆,穿过块,进入头部以移动摇杆。这些长杆增加了系统的质量,从而增加了阀弹簧的负载。这可以限制推杆发动机的速度;高架凸轮轴消除了系统中的推杆,是使发动机速度成为可能的发动机技术之一。

推杆引擎

推杆发动机中的凸轮轴通常由齿轮或短链。齿轮驱动器通常比皮带驱动器易于破裂,这些皮带驱动器通常在高架凸轮发动机中发现。

设计凸轮轴系统的一件大事是改变每个阀门的时机。我们将在下一部分中调查阀门时间。

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可变阀正时

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一些法拉利的可变凸轮系统

汽车制造商有几种新颖的方式改变了阀时机。某些本田发动机上使用的一个系统称为VTEC

VTEC(可变阀时正时和提升电子控制)是某些本田发动机中的电子和机械系统,可允许发动机具有多个凸轮轴。VTEC引擎有一个额外的进气凸轮与自己的摇杆,跟随此凸轮。此凸轮上的轮廓使进气门的打开时间比其他凸轮轮廓更长。在低发动机速度下,该摇杆没有连接到任何阀门。以高发动机速度,活塞将多余的摇杆锁定到控制两个进气门的两个摇杆。

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有些汽车使用可以推进阀时机。这不会使阀门保持更长的时间;相反,它稍后打开它们,然后将其关闭。这是通过将凸轮轴旋转几个度来完成的。如果进气阀通常在顶部死亡中心(TDC)之前的10度打开,而在TDC之后的190度关闭,则总持续时间为200度。开放时间和关闭时间可以使用将凸轮旋转一点点旋转的机制移动。因此,阀门可能在TDC后10度打开,在TDC后关闭210度。在20度之后关闭阀门很好,但是最好能够增加进气门打开的持续时间。

法拉利有一种非常整洁的方式。某些法拉利发动机上的凸轮轴用三维轮廓这沿着凸轮叶的长度不同。在凸轮叶的一端是最不侵略性的凸轮轮廓,另一端是最具侵略性的。凸轮的形状将这两个轮廓平滑地融合在一起。一种机制可以横向滑动整个凸轮轴,以使阀门接合凸轮的不同部位。轴仍然像普通的凸轮轴一样旋转 - 但是,通过随着发动机速度和负载的增加而逐渐滑动凸轮轴,可以优化阀门正时。

几家发动机制造商正在尝试使用允许阀门定时无限变化的系统。例如,想象每个阀的螺线管上都可以使用计算机控制,而不是依靠凸轮轴打开和关闭阀门。使用这种类型的系统,您将在每个RPM处获得最大的发动机性能。将来值得期待的东西...

有关凸轮轴,阀正时和相关主题的更多信息,请查看下面的链接。

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最初出版:2000年12月13日

凸轮轴常见问题解答

凸轮轴传感器做什么?
凸轮轴传感器向引擎提供有关空气,燃料和火花点火的组件和条件的信息。
凸轮轴会增加马力吗?
是的,凸轮轴可以增加发动机的马力,多达50 hp。
不良凸轮轴的迹象是什么?
凸轮轴故障的迹象包括登机引擎灯亮起,车辆不像以前那样行驶(大致闲置,缓慢加速,失速或减少气体里程),或者车辆根本不会启动。
柴油发动机中凸轮轴的功能是什么?
凸轮轴在汽油发动机和柴油机上都做同样的事情,但是,由于柴油机需要大量压缩,因此凸轮轴持续时间往往更短。

特色

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