动力之心——发动机(1)

  自从内燃机发明之后,一台车最重要的动力心脏,其基本构造及作动原理就鲜有变化,改变及进化的,是加工的精密度及材料的机械特性,控制进气,油气的精确度,使得发动机的动力输出值、精致度及耐用度得以不断提升。
 

  基本构造

  一台发动机由外而内,由下而上包括了八个基本构件:从外观上,可以看到曲轴箱外壳,汽缸本体及其上方的汽缸头。在发动机内部由下而上则可看到飞轮、曲轴、连杆、活塞,若为四冲程发动机则还可以看到气门机构及凸轮轴。

  曲轴箱

  曲轴箱在外观上十分容易辩视,基本上,只要看见发动机下方有圆型的盖子,上面可能打印着厂名,如Yamaha、Honda,那就是曲轴箱了。四冲程发动机曲轴箱的最重要目的,就是装了用来润滑整台发动机的机油,这里的机油除了负责润滑转动的曲轴,也必须润滑活塞、凸轮轴及气门。

  汽缸体

  汽缸体内除了汽缸的缸套之外,还包含了润滑油道,水冷车则包括冷却水道以在设计上,除了左右冷却效能之外,还会影响发动机运转时的震动大小。

  曲轴和连杆
 
  曲轴可说是发动机运转的中心,曲轴可以将活塞的上下直线运动改变为转动运动。曲轴的外形设计决定了曲轴的配重,关系到发动机运转时的震动大小,也就是精致度。连杆在发动机内扮演了传递力量的角色,其两头常被称为大头及小头,大头与曲轴相连,中间以轴瓦做为润滑的媒介,当轴瓦有磨损或是破裂时,润滑作用将大打折扣,造成直接磨损,进而可能使发动机失效。另一小头则以活塞销与活塞相连。整体而言连杆的作用是将活塞所承受的爆炸推力传递至曲轴。

  汽缸头

  在二冲程发动机上,汽缸头并不负责进气及排气,只是单纯地提供了油气爆炸的空间。在四冲程发动机上,汽缸头负责了进气及排气,必须有汽门机构及凸轮轴,常听到的DOHC及SOHC(或称OHC)即为双凸轮轴及单凸轮轴之意。汽缸头所占的比例非常大,内部机械构造也复杂了许多。尤其是目前主流大马力车所使用的DOHC双凸轮轴发动机,其汽缸头更是雄壮威武。早期在二冲程发动机中,汽缸头便没有任何复杂的机械结构,只是单纯一个盖子而已,并让火花塞可以锁在上头。若是再复杂一些,也仅是挖通水道,使冷却水可以进入汽缸头中,降低爆炸带来的高温。若以较早期的四冲程发动机来说,汽缸头也没有繁琐的机械结构,气门机构是放在汽缸旁,称为侧气门式发动机。在发展的过程中,气门机构开始移至汽缸头上,许多往复作动的零件也陆续改为转动运作的零件,使气门运作的效率更好,动力得以提升。

  以下就来看看几种不同、结构由简单变至复杂的汽缸头设计

  OHV

  Over Head Valve,翻译成中文便是顶置气门。和早些年侧气门式的发动机作比较,这类型的发动机是把气门机构放置到发动机顶上(汽缸头)。在这个阶段,虽然发动机的气门已经移至了汽缸头上,但驱动气门的凸轮仍放置于汽缸旁。

  OHC

  Over Head Cam,顶上凸轮。发动机进化至此,除了气门已经被放置于汽缸头上,凸轮也被移至汽缸的头上了,也据此命名。将凸轮移至汽缸头上之后,好处便是凸轮轴可以较直接地控制气门的开启动作,更为精准的气门控制也带来动力的提升。一般而言,OHC指的是单凸轮轴,也常以SOHC来表示。

  DOHC

  Dual Over Head Cam,顶置双凸轮轴。在SOHC发动机上,一根凸轮轴必须同时控制进气门及排气门。若能以两支凸轮轴分别控制两种气门,不需透过摇臂来直接开启气门,便能提升运转的精确度。除此之外,采用双凸轮轴可以将火花塞放置于发动机燃烧室的正中央,增加燃烧效率。DOHC带来更复杂的缸头机械构造,同时也大幅度增加了制造成本。

  气门的相关技术

  相对于汽缸头构造的演变,气门数目也日益增加。以目前来看,大部分的四汽缸车种采用了DOHC搭配十六气门的设计,增大进气及排气效率。气门的基本配置至少需要一个进气门及一个排气门,也就是常听到的2V设计,其中V也就是Valve气门。演变过程中,工程师发现进气效率不够好,于是在进气端加了第二个气门,成为三气门的发动机,也就是两个进气门,一个排气门的搭配。为了能有效地利用汽缸头的面积,衍生出四气门,两进两排的设计。

  气门重叠

  为了提升进气及排气效率,进气门及排气门并非关了一个才开另一个的顺序在运作,而是有互相重叠的情形。举上例子,在排气行程及进气行程交替时,在排气门还没完全关上时,进气门便会提早开启,以获利更多的进气量,提升容积率。

  可变气门技术

  如果想要兼顾各转速域的动力输出,便需要可变机构来对气门作即时的调整。以气门重迭角度来说,若想在高转速域发挥马力,则必须采用更多的气门重叠角,想要在低转发挥扭力,便需要采取较少的重叠角度。若一台发动机需要能兼顾高、低转速的动力输出,凸轮轴便必须切换或是在转速升高的过程略作改变。Honda的CB400便利用VTEC可变气门技术,使凸轮轴会提供不同模式的气门控制。进而使400mL的发动机在高转速能达到较大功率的输出,中低转速也不会流失应有的扭力。(待续)(来源:摩托车趋势)