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VVA、VVCS、ShfitCam、DVT技術解析|機車可變汽門系統 part1

四行程引擎中,汽門機構是在汽缸缸徑與活塞行程之外,另一個影響整個動力曲線的重要部件。為了讓引擎更能兼顧不同轉速的需求,在汽車引擎上早已發展出相當成熟且多元的可變汽門機構。然而體積更小、對重量更計較的機車引擎,直到這幾年各大車廠面臨了日漸嚴苛的環保法規,作為一項不僅能提升動力性能,並且也能改善油耗的可變汽門系統,才在各種級距的量產車上慢慢多了起來。

早期由於汽門的作動時機與行程是固定的,但引擎在不同轉速下,最佳的進氣量與氣門正時也都會不同,使得引擎設計只能針對某區域轉速最佳化。隨後發展出來的可變汽門技術,便是追求更加完美的性能輸出,不妥協下的成果。


此為KYMCO官方提供的G6 VVCS動力曲線圖,可以更直接了解可變汽門對馬力曲線最佳化的幫助。

概要

在介紹現在市售量產化的機車可變汽門系統前,我們先簡單說明汽門的幾個概念,分別是汽門揚程、汽門正時與汽門數。

汽門是一個上下作動的傘狀閥門,進氣汽門往下推開時能讓油氣進入燃燒室、排氣汽門往下推開時能讓廢氣排出,而這上下移動的距離就稱為汽門揚程。而汽門開啟的時間點,需要配合活塞壓縮時間與點火,時間差太多就可能正好與往上壓縮的活塞撞在一起,這個時間就稱為汽門正時。簡單的說,汽門揚程決定汽門開啟範圍、汽門正時決定汽門何時開啟。


左右兩側長形的結構分別為進氣汽門與排氣汽門。

以引擎進氣來說,高轉速與低轉速的進氣量是不同的,因此理想情況下,我們希望低轉速時的汽門揚程較低,高轉速時的汽門揚程較高,提供適當的混合油氣。另一方面,由於混合油氣並不是在汽門開啟的瞬間就立刻衝入燃燒室,而是在活塞負壓下被吸進去,因此引擎設計上都會將汽門正時略微提早,先打開汽門,讓混合油氣能夠先行加速,達到最大化的效果。因此當進氣汽門與排氣汽門都需先行提早開啟時,就會出現進、排氣汽門同時開啟的時間點,這個時間點稱為重疊角或重疊正時。


四行程引擎一定有的汽門,根據進氣與排氣可能會有不同尺寸。

然而隨著引擎轉速的增加,活塞速度的加快,汽門能開啟的時間變短,使得汽門正時比起低轉速需要提早更多,並藉由增加重疊角,靠著排氣產生的缸內負壓,加快進氣的速度,來達到充足的混合油氣進氣量。

引擎除了透過汽門揚程與汽門正時來改善進氣量之外,還有一個更直接的方式,就是增加汽門數。原本進氣汽門只有一個不夠,那我就增加到兩個,提高整體進氣量。這在最求高轉速輸出的機車引擎中,就有包括YAMAHA FZR 與2006年之前R1上所使用的五汽門引擎(每缸進氣汽門增加至三汽門),以及HONDA為了每缸八汽門(四進四排)而設計橢圓形活塞的NR500及市售的NR750。


98年R1的引擎分解圖,在圓形活塞下,擠進了三進二出的五汽門。
 

NR500與之後的NR750,為了增加汽門數,而採用橢圓形活塞設計。

BMW 可變汽門揚程系統:ShiftCam


BMW當家仿賽S1000RR,搭載了ShiftCam並結合了其他引擎革新,相較前代多出了8匹馬力。

BMW將這套名為「ShiftCam」的汽門可變揚程系統,首次登場便是應用在BMW自豪的1254c.c.雙缸水平對臥引擎上,使用二組不同角度的凸輪改變汽門揚程,BMW採用獨特且簡單的設計來控制凸輪軸。


ShiftCam最早出現在俗稱「大鳥」的R1250 GS上。

其中的ShiftCam的機械原理我們以雙缸水平對臥引擎來解說。這套汽門可變揚程系統以電子伺服器伸出頂針推動所謂的「shift gate」來平移凸輪軸,替換不同角度的汽門凸輪,進而改變汽門揚程,已達到原廠所宣稱的「ONE ENGINE TWO FACES」。


一具引擎,兩種風貌。
 

頂針推出使凸輪軸平移。

油門開度較小時,節氣門開度也較小,電腦判定引擎需要提供較溫和的動力,電子伺服器便將頂針伸出,使用低角度凸輪來推動進氣汽門並給予較小的汽門揚程,更以不對稱的凸輪設計,給予進氣汽門不同的啟閉時間,使燃燒室內形成渦流,以達到最佳的燃燒效果並可減少燃油消耗。


較小的汽門揚程與不同的進氣汽門啟閉時間,給予最佳的燃燒效果。

隨著路況許可,油門大開欲恣意狂奔時,節氣門全開,電子伺服器將另一根頂針伸出使凸輪軸平移,同時將高角度凸輪接手推動進氣汽門的工作,並且增加其揚程以引進大量的空氣進入燃燒室,在排氣量1254c.c.的雙缸引擎中完整發揮最大馬力136匹、最大扭力143牛頓米的動力潛能。


高角度凸輪軸給予最大的汽門揚程,完全發揮出136匹的最大馬力。

KYMCO 可變汽門揚程系統: VVCS


KYMCO G6 150 VVCS。

KYMCO在2015年中推出了搭載可變汽門揚程的G6車款,整個系統的運作方式是透過增加一個進氣凸輪的方式,來改變進氣汽門的揚程。原本凸輪軸上有一個進氣凸輪與排氣凸輪,分別透過汽門搖臂去控制汽門。而G6 VVCS將增加一組進氣凸輪與一個可活動、對應高角度凸輪的汽門搖臂。


A、B 分別是低角度與高角度汽門搖臂。
 

凸輪軸上增加一組同樣角度但更高的進氣凸輪。
 

控制油路的閥門機構。

在6500rpm以前,這組活動式的汽門搖臂是獨立運作,當轉速到6,500rpm,電磁閥會開啟OCV油路,將活動式的汽門搖臂與主要的進氣汽門搖臂固定。由於高角度凸輪產生的行程較長,因此低角度凸輪在此時就失去功用,汽門揚程也跟著改變,提供更多的進氣量,達到可變汽門揚程的目的。

可變汽門揚程作動簡圖


低轉速時,高角度凸輪對應的汽門搖臂是獨立活動,汽門主要還是由低角度凸輪所帶動的汽門搖臂控制。
 

高轉速時,高角度汽門搖臂會與低角度汽門搖臂鎖定,因此汽門搖臂會以高角度凸輪為主,汽門揚程也就增加。

YAMAHA 可變汽門揚程: VVA


YAMAHA YZF-R15 V3。

說到了YAMAHA的可變汽門揚程系統,就不能不提到眾人所津津樂道的性能輕跑YZF-R15 V3,在VVA的加持之下,不僅在最大馬力上達到了20ps的傲人成績,14.7Nm的最大扭力也早在8,500rpm就全數爆發。不過其實YAMAHA早在2015年就以全球戰略車款NMAX作為平台,將可變氣門揚程VVA強殖於NMAX的Blue Core引擎。


YAMAHA NMAX。

這具引擎採用SOHC的設計,在機構上,與剛剛提到的KYMCO VVCS相當類似,但鎖定機構不同。同樣是利用一組對應高角度可活動或上鎖的進氣汽門搖臂,當轉速大於6,000rpm時,會將對應高角度凸輪的汽門搖臂與低角度凸輪的汽門要臂鎖定,改變汽門揚程。

DUCATI 連控軌道可變正時: DVT


Testastretta DVT 引擎。

與上面所提到針對車款的可變汽門揚程不同,DUCATI的DVT運用在非Superbike車系上,目前有Multistrada 1260與Daivel使用。同時,DVT也是機車界第一款連控軌道可變正時的機構。


DUCATI Multistrada 1260 Enduro。

DVT的運作方式是在進氣正時齒輪中,加入一個可透過油壓控制改變的機構,一般正時齒輪是一個單獨的零件,連結到凸輪軸,而DVT將正時齒輪變成內、外兩個零件。可以想成外環與內環,外環就是連接正時鍊條有齒的部份,而內環就是與凸輪軸連接的部份。內環與外環可以做小角度的滑移,因此當外環跟著正時鍊條規律的轉動時,內環的角度偏移就可以讓凸輪與正時鍊條的相對位置改變,達到汽門正時的改變。


DUCATI使用的連控軌道汽門系統和OHC系統不同,汽門本身的開啟與關閉都由凸輪控制。

而這個機構採用無段設計,因此在做動上感受不到分別,但卻能提供引擎更全面的動力輸出,同時DUCATI使用獨立的油壓閥與感應器來控制,因此凸輪正時透過設計可以提早或延後。


汽門正時改變機構作動方式,隨著中心零件的轉動,凸輪角度也跟著改變,因而改變正時。
 

可變機構就在正時齒輪之中。

由於在下一篇將介紹取經自MotoGP的可變汽門技術,並且討論眾家技術之間的差異,以及更要帶讀者了解到這些技術異中求同的最高理想。

授權轉載自:Moto7

原文:VVA、VVCS、ShfitCam、DVT技術解析|機車可變汽門系統 part1

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