Google+ 機動學論壇(TALKING MECHANISMS): 引擎概論

2007年6月14日 星期四

引擎概論

(我已說過,不要再以引擎當題目!)
凸輪與汽門
B94611006 周之琪

引擎的基本構造─凸輪軸與汽門


凸輪軸:

在一支軸上有許多宛如「蛋形」凸輪,其被安裝在汽缸蓋的頂部,用來驅動進氣汽門和排氣汽門做開啟與關閉的動作。

在凸輪軸的一端會安裝一個傳動輪,以鏈條或皮帶與位在曲軸上的傳動輪連接。在以鏈條傳動的系統中此傳動輪為一齒輪;在以皮帶傳動的系統中此傳動輪為一具齒槽的皮帶輪。

一般雙頂置凸輪軸(DOHC)設計的引擎,其進氣和排氣的凸輪軸均掛上一個傳動輪,由鏈條或皮帶直接帶動凸輪軸轉動。有些引擎為了減少汽門夾角,而將凸輪軸的傳動方式改變成以鏈條傳動方式帶動進氣或排氣的凸輪軸,再藉由安裝在進氣和排氣的凸輪軸上的齒輪以鏈條帶動另外一支凸輪軸。

Toyota獨特的「TWIN CAM」設計方式,則是以鏈條或皮帶去帶動位在進氣或排氣的凸輪軸上的傳動輪,之後再以安裝在進氣和排氣的凸輪軸上的無間隙齒輪機構帶動另外一支凸輪軸。

汽門:

控制空氣進出汽缸的閥門。讓空氣或混合氣進入的稱為「進氣汽門」。讓燃料後的廢氣排出的稱為「排氣汽門」

<a href=" http://tech.toyota.com.tw/techdetail.asp?tm=4" >內部結構示意圖</a>



引擎的基本構造─缸徑、衝程、排氣量與壓縮比

引擎是由凸輪軸、汽門、汽缸蓋、汽缸本體、活塞、活塞連桿、曲軸、飛輪、油底殼…等主要組件,以及進氣、排氣、點火、潤滑、冷卻…等系統所組合而成。以下將各位介紹在汽車型錄的「引擎規格」中常見的缸徑、衝程、排氣量、壓縮比、SOHC、DOHC等名詞。

缸徑:

汽缸本體上用來讓活塞做運動的圓筒空間的直徑。

衝程:

活塞在汽缸本體內運動時的起點與終點的距離。一般將活塞在最靠近汽門時的位置定為起點,此點稱為「上死點」;而將遠離汽門時的位置稱為「下死點」。

排氣量:

將汽缸的面積乘以衝程,即可得到汽缸排氣量。將汽缸排氣量乘以汽缸數量,即可得到引擎排氣量。以Altis 1.8L車型的4汽缸引擎為例:

缸徑:79.0mm,衝程:91.5mm,汽缸排氣量:448.5 c.c.

引擎排氣量=汽缸排氣量×汽缸數量=448.5c.c.×4=1,794 c.c.

壓縮比:

最大汽缸容積與最小汽缸容積的比率。最小汽缸容積即活塞在上死點位置時的汽缸容積,也稱為燃燒室容積。最大汽缸容積即燃燒室容積加上汽缸排氣量,也就是活塞位在下死點位置時的汽缸容積。

Altis 1.8L引擎的壓縮比為10:1,其計算方式如下:

汽缸排氣量:448.5 c.c.,燃燒室容積:49.83 c.c.

壓縮比=(49.84+448.5):49.84=9.998:1≒10:1

<a href="http://tech.toyota.com.tw/techdetail.asp?tm=5" >動畫</a>



引擎基本構造─SOHC單凸輪軸引擎

引擎的凸輪軸裝置在汽缸蓋頂部,而且只有單一支凸輪軸,一般簡稱為OHC (頂置凸輪軸,Over Head Cam Shaft)。凸輪軸透過搖臂驅動汽門做開啟和關閉的動作。

在每汽缸二汽門的引擎上還有一種無搖臂的設計方式,此方式是將進汽門和排汽門排在一直線上,讓凸輪軸直接驅動汽門做開閉的動作。有VVL裝置的引擎則會透過一組搖臂機構去驅動汽門做開閉的動作。

<a href="http://tech.toyota.com.tw/techdetail.asp?tm=6" >動畫</a>



引擎基本構造─DOHC雙凸輪軸引擎

此種引擎在汽缸蓋頂部裝置二支凸輪軸,由凸輪軸直接驅動汽門做開啟和關閉的動作。僅有少數引擎是設計成透過搖臂去驅動汽門做開閉的動作。有VVL裝置的引擎則會透過一組搖臂機構去驅動汽門做開閉的動作。

DOHC較SOHC的設計來得優秀的主要原因有二。一是凸輪軸驅動汽門的直接性,使汽門有較佳的開閉過程,而提升汽缸在進氣和排氣時的效率。另一則是火星塞可以裝置在汽缸蓋中間的區域,使混合氣在汽缸內部可以獲得更好更平均的燃燒。

<a href="http://tech.toyota.com.tw/techdetail.asp?tm=7" >動畫</a>



直壓式與搖臂式

我們在「引擎概論」單元中,對凸輪與汽門之間的作動、何謂DOHC及SOHC、可變汽門正時等題目,其實已經有很詳細的論述,在「引擎詳論」中僅再作一些補充。對於凸輪如何帶動汽門的啟閉,最常見的是「直壓式」與「搖臂式」。直壓式汽門通常見於DOHC引擎,此式汽門彈簧座上會會有一圓形套筒,凸輪則直接置於套筒上,所以當凸輪尖端與套筒接觸時,會透過套筒把汽門往下壓,使汽門開啟;而搖臂式汽門通常使用在SOHC引擎上,因為SOHC引擎缸頭內只有一支凸輪軸,卻要驅動多個汽門,所以會以搖臂方式,由一個凸輪帶動兩個汽門。搖臂是利用槓桿原理,當凸輪尖端將搖臂一端挺起時,另一端會向下將汽門壓下以使汽門開啟。


搖臂式與直壓式汽門驅動設計各有其優缺點,以力量傳遞效率來說,直壓式比搖臂式來的直接、精確;以維修保養來說搖臂式則容易的多,因為直壓式之凸輪與汽門上之套筒的間隙,是靠不同厚度的填隙片來調整,所以當引擎使用一定時數,汽門間隙增大時,要再調整較不易;而搖臂式之汽門間隙通常都以一螺栓調整,只要一支扳手就能搞定。然而目前直壓式汽門的填隙片材質皆有一定的耐磨度,磨損的機率很低。
DOHC的迷思

早期強調高性能的引擎多會採DOHC設計,因為DOHC的設計在高速運轉時仍有相當高的精確性,使得引擎能在高轉速輸出較大的功率。近來各家車廠在車輛的性能數據上競爭,使一般家庭房車的引擎也多採用DOHC的設計,甚至造成消費者認為SOHC引擎為過時設計,而非DOHC不買的迷思。其實引擎在一般使用下,不論SOHC、DOHC、一缸兩汽門的設計或是一缸多汽門的設計,都足敷使用,甚至很多八汽門引擎 (四缸) 在低速表現會優於多汽門引擎。再者,DOHC引擎比SOHC引擎多出一支凸輪軸 (V型引擎多出兩支),引擎就需要多克服一倍的摩擦力,及承擔多一支凸輪軸的重量。所以像Mercedes-Benz等歐洲車廠,仍有許多現役的SOHC引擎。

筆者在此並非貶低DOHC引擎的價值,而是要讓讀者瞭解,SOHC並非過時的設計。一個適合自己駕駛習慣、省油且耐用的引擎,就是好引擎;當然,如果您是性能派的熱血份子,DOHC的引擎是您最佳的選擇。

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