双顶置凸轮轴至今已成为大部分汽车发动机所采用的结构,它的发明使发动机配气效率得到了进一步的提升。
前面的文章中提到,配气机构是发动机中非常重要的一个机构,它的主要作用就是按照发动机工作循环和点火次序的要求,定时开闭进、排气门,给汽油引擎气缸提供可燃混合气、柴油引擎气缸提供空气,并及时排出废气。对于一台发动机来说,让更多的空气进入发动机,并使可燃混合气充分燃烧,是提高发动机性能的最主要手段。所以,配气机构性能直接决定了发动机的性能。
其中凸轮轴是发动机配气机构的重要部件,作用是控制每个缸气门的开启和闭合,让气门符合发动机的工作顺序、配气相位、开度变化规律等要求。凸轮轴的结构比较简单,外观上是在一根轴上面加工出若干个偏心的凸轮,用于驱动气门的运动。一般凸轮轴都是由优质碳素结构钢或者合金结构钢锻造而成,并且在表面做高频淬火或渗碳淬火处理,来保证凸轮轴有较高的耐磨性。
按照凸轮轴的布置方式分为:下置凸轮轴、中置凸轮轴、顶置凸轮轴。大多数汽油发动机采用顶置凸轮轴,安装在气缸盖上,曲轴通过正时皮带或正时链条来驱动凸轮轴。根据凸轮轴的数量以及对气门的控制方式,又分为单顶置凸轮轴和双顶置凸轮轴两种。
单顶置凸轮轴的发动机几乎没有了,属于老旧的技术,它直接驱动进、排气门的开启与关闭。单轴中低速性能较好,但是高速时发动机会进气不足、排气不彻底,性能稍差。随着时代的发展单顶置凸轮轴就不适应发动机的需求了。
双顶置凸轮轴英文简称为DOHC,现在汽油发动机普遍采用的凸轮轴设计,这种设计具有两个独立凸轮轴,分别对应进气门和排气门,它们巧妙地安装在汽缸盖内,确保了精确的气门操作。此外双顶置凸轮轴可以很方便的安装可变气门正时系统,大幅度提高发动机的充气系数,兼顾发动机高中低速的性能;缺点就是结构比较复杂,制造成本较高。
另外,现在的汽油引擎基本上是半球形燃烧室,半球形燃烧室的特点是:换气充足、火焰行程短、抗爆性强,能提供良好的燃油经济性与动力性。不过这种发动机的气门需要呈横向V形布置在气缸盖上,气门的尾部相距较远。这种结构最合理的驱动方式就是使用两个凸轮轴分别控制进气门和排气门的开启与关闭,因此双顶置凸轮轴得到了广泛应用。
双顶置凸轮轴技术其实早在一百多年前是作为赛车技术诞生的。1912年标致公司造出了世界上第一台双顶置凸轮轴发动机,拥有4气门设计以及7.6L的排量,并搭载在了标致当年的L76赛车上。当时的双顶置凸轮轴发动机,采用锥齿轮与传动轴帮助曲轴驱动凸轮轴顶开气门。在L76投放至赛场后,一举夺下了当年法国大奖赛的冠军。这也证实了双顶置凸轮轴为发动机带来了出色的进排气效率。
总之,双顶置凸轮轴的设计不仅提高了工作效率,还注重耐用性,优化了发动机性能、提高燃油经济性。这样,车辆可以根据驾驶条件灵活调整,为车主提供出色的驾驶体验。