凸轮轴为什么被移到了缸盖上?

从曲轴移动到缸盖,是内燃机130年来最持久的工程之争中的胜出之举.
从曲轴移动到缸盖,是内燃机130年来最持久的工程之争中的胜出之举.

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气门在发动机中的位置及其控制机构的问题,在整个内燃机历史上催生了持续时间最长的工程之争之一. 答案是; 从将气门保留在缸体中的 L型缸盖 布局,到通过缸体内的凸轮借助推杆开启缸盖中气门的 OHV,再到将凸轮轴移至缸盖的 OHC 和 DOHC 架构,走过了一条长达 130 年的进化路线. 本文将结合技术数据,探讨这一进化历程中的重要节点以及每种设计真实的优缺点平衡.

亮点

  • 1876: Nikolaus Otto 的第一台可运转的四冲程发动机,继承了蒸汽机留下的滑动式气门.
  • 1894: Diesel 原型机展示了已知最早的 OHV 发动机,采用凸轮轴 + 推杆 + 摇臂的布局.
  • 1904: Buick Model B 是世界上第一台量产 OHV 发动机; 同一时期,Marr Auto-Car 使用了已知最早的 OHC 发动机之一.
  • 1980: Alfa Romeo Spider 2000 是第一台配备可变气门正时的量产发动机; 这一理念的根源可以追溯到 1903 年的 Cadillac 专利.
  • 1994: Mercedes-Benz 500I 推杆发动机以巨大优势击败使用 OHC 的对手,赢得了 Indianapolis 500.

凸轮轴为何被移至气缸盖? 问题的起源

问题看起来很简单: 气门应尽可能靠近燃烧室,因为火焰传播路径越短,燃烧就越可控. 但凸轮轴需要一套驱动装置; 它必须通过齿轮或链条由曲轴带动旋转. 如果把气门放在缸体中,即燃烧室下方,就可以把凸轮轴也放在缸体中,使整个机构保持短小而简单. 如果将气门上移到缸盖,那么要么把凸轮保留在缸体中并建立一条很长的传动链,要么把凸轮也移到缸盖上并延长驱动系统. 气门架构之战的全部内容,就是围绕这一 简单性与效率 之间的张力所做的不同解决方案.

早期的参与者并非从这一张力出发. 1876 年第一台可运转的 Otto 发动机,使用的是从蒸汽机传统继承而来的滑动式气门. 随着内燃机的成熟,滑动式气门逐渐被今天意义上的菌状气门所取代; 摩擦面小,响应速度快的设计. 在 1885 年的 Daimler Reitwagen 等早期车辆上,可以看到一种有趣的过渡形式: 进气门位于缸盖,但并非由凸轮开启,而是借助进气冲程中的真空,即以 大气压式 方式开启; 而排气门仍位于缸体内,由凸轮轴控制.

L型缸盖: 简单性的黄金时代与局限

在被称为 Flathead 或 L型缸盖的布局中,两个气门都位于燃烧室下方,即缸体内部. 凸轮轴位于缸体中并直接开启气门; 没有推杆、摇臂以及穿过缸盖的传动链条. 这种发动机制造成本低,维护方便,装配几乎不费吹灰之力. 在美国,这种简单性是如此具有吸引力,以至于 Flathead 发动机一直保持普及, 直到 1950 年代中期和后期.

但简单是有代价的: 由于气门被迫安置在燃烧室边缘,燃烧室被扭曲成奇怪的倒L形. 火焰锋面拉长,热效率下降,高转速时进气不足在所难免. 工程师希望保持燃烧室紧凑且呈球形的愿望,正是将气门移至缸盖这一系列努力的全部动力来源. 这股压力最终把L型缸盖彻底赶下了历史舞台.

还有一种是介于两者之间的混合形式,也不应忘记: 在F型缸盖 (即IOE,进气门在上排气门在下)布局中,每个气缸的一个气门在缸体上,另一个在缸盖上. 它将进气门上移,同时避开了部分机械复杂性,作为一种务实的折中方案生产了许多年.

OHV: 为什么推杆成为了美国的选择?

Pushrod motoru Amerika'yı fethetti çünkü düşük kaput, düşük ağırlık merkezi ve bol tork sunuyordu; bedeli ise yüksek devirde supap yüzmesiyle ödendi.

OHV布局是一种聪明的妥协: 气门移至缸盖,燃烧室得以规整成形; 但凸轮轴仍留在缸体内,通过挺柱、推杆和摇臂的链条来控制气门. 胜负正是在这条链条上决定的. 链条的优势毋庸置疑:

  • 引擎盖高度降低,重心下移; 在V型发动机中布局优势显著.
  • 凸轮轴靠近曲轴; 通过一条短链条或直接齿轮传动驱动,不存在OHC中的皮带-链条-张紧器组合.
  • 润滑得以简化: 摇臂就够了,推杆可以做成空心的,一个更小的机油泵就能胜任工作.
  • 低转速扭矩充沛且经久耐用; 是皮卡和肌肉车的完美之选.

而代价则隐藏在配气机构活动部件的数量之中. 挺柱、推杆和摇臂组成的质量惯性,会使气门在高转速下跟不上凸轮,导致气门悬浮 (valve float). 此外,推杆在缸盖上占用空间,实际上将每缸气门数量限制在两个; 四气门OHV缸盖之难,可以说是实践中几乎不可能实现.

历史顺序也颇为有趣: OHV是一个比我们想象中更古老的想法. 1894年的柴油样机,是已知最早的采用由凸轮轴-推杆-摇臂链条控制的顶置吊挂式气门的OHV发动机. 1896年,William F. Davis为一种液冷缸盖的OHV获得了美国专利(但从未制造出可工作的样机); 1898年,Walter Lorenzo Marr制造了他的OHV三轮汽车,并在1899至1902年间于当时尚在初创阶段的别克公司中完善了这一设计. 其成果便是1904年别克Model B: 世界上第一台量产OHV发动机,一台每缸两气门的水平对置双缸发动机. 1905年售出750台,从那时起别克几乎一直坚持使用OHV. 到1911年,连雪佛兰也像别克一样几乎只生产OHV发动机.

OHV天花板的两次亮相值得关注. 在1994年印第安纳波利斯500大赛中,Team Penske车队的Mercedes-Benz 500I顶杆式发动机凭借规则漏洞带来的排量和增压优势,从杆位发车,以巨大差距击败了OHC对手. 而到了2008年,第四代Dodge Viper搭载了首款采用VVT技术的量产式顶置气门(pushrod)发动机问世; 21 世纪初,通用汽车和克莱斯勒为了降低油耗,开始为他们的推杆式V8发动机增加闭缸技术. 每当有人宣称推杆发动机已死时,它都会再度焕发生机.

OHC的崛起: 来自欧洲的挑战

OHC的历史与OHV一样悠久,而且颇具悖论意味的是,它同样源自同一个名字: 继承Walter Marr设计遗产的1904 Marr Auto-Car采用了已知最早的OHC发动机之一. 凸轮位于缸盖上,直接在气门正上方工作; 推杆链条被彻底取消,气门正时获得了严格的精度. 但几十年来,这种方案仅用于高性能车辆; 对于量产经济性而言,它实在过于昂贵.

平衡在20 世纪下半叶发生了改变. 从1950年代到1990年代,OHC以缓慢而稳定的曲线普及开来,到21 世纪初(某些北美V8发动机除外),大多数汽车发动机都采用了顶置凸轮设计. 需要区分两个层次: 在SOHC布局中,每组气缸列只有一根凸轮轴; 同时控制进气和排气,大多受限于每缸两气门,成本低且易于维护. 而DOHC则采用两根独立的凸轮轴分别控制进气和排气; 每缸四气门、优异的气流、高转速耐受性以及对VVT的支持,正是这一布局的天然领域.

一个小小的脚注,也使架构分类变得复杂: 在某些设计(如Ford CVH和Opel CIH)中,凸轮位于缸盖内,但处于气门的下方或侧面. 从机械原理来看,这些本质上仍被视为OHV——决定性因素在于控制链条,而不仅仅是凸轮的物理位置.

每缸多少气门? 效率竞赛的诞生

当凸轮移至缸盖后,下一步的举措显而易见: 为每个气缸配备更多的气门. 多气门设计的根源可追溯至1912年的赛车,但这一概念真正成为事实上的标准却要到1980年代中期. Ferrari 308 GTB Quattrovalvole (1982)和BMW M635CSi (1983)证明了每缸四气门在高性能领域几乎是必不可少的. 四气门 意味着进气和排气可以分别优化,火花塞得以靠近燃烧室中心,高转速下的呼吸能力也随之提升.

四气门也并非终点: 从1980年代到2000年代初,五气门发动机一度流行,但始终显得与众不同. 随着复杂性的增加,收益却在递减; 五气门设计仍停留在工程表演的层面,并未成为行业标准.

DOHC的经典范例不胜枚举: Alfa Romeo Twin Cam (1954)、Chrysler Hemi (1964)以及本田于1972年推出的CVCC架构,都是这一名单中的经典之作. CVCC随着1975年款Civic投入量产,使Honda在动力传递创新领域占据领先地位,并成为日本工程对全球气门架构发起挑战的象征. 而Honda则在1989年通过Integra发布了VTEC; 该项目始于1984年3月,1987年款City上曾出现过早期的预生产样例. VTEC基于DOHC的可变正时和气门升程调节,其水准可与Honda自己的赛车发动机相媲美.

可变气门正时: 一个持续了80年的想法

VTEC被视为革命性的,但可变气门正时这一想法的历史年龄令人惊讶. 1903年Cadillac Runabout是以可变气门机构专利载入史册的首个例子; 当时的资料显示,Cadillac当时正在生产由驾驶员控制的VVT,而这比Soichiro Honda出生还要早三年. 从1903年到1979年,Cadillac、Porsche和Fiat尝试了不同的VVT设计,但没有任何一种实现量产.

这一门槛随着1980年Alfa Romeo Spider 2000而被跨越: 首款配备VVT的量产发动机. 在日本,排序也与多数人所想的不同; 在日本,第一家生产VVT发动机的公司不是Honda,而是Nissan. Nissan的NVCS (Nissan Valve-Timing Control System)系统可追溯至1986年,最先应用于VG30DE 3.0升24气门V6发动机上. 而Honda的VTEC则起源于在CBR400摩托车上推出的REV (Revolution-modulated valve control)系统. 因此,VVT并不是某一位发明家或某一个品牌的故事; 这是一项 1903 年获得专利的构思,经过缓慢成熟,最终在 1980 年代成为行业标准的故事.

Desmodromic气门: 是抛弃弹簧者的绝路,还是宝藏?

气门架构中最边缘化的方案,从根本上以不同的方式处理这个问题: 不要使用弹簧来关闭气门. 在Desmodromic系统中,菌形气门通过凸轮和摇臂系统以正时方式既开启又关闭,而非依赖弹簧. 其优势在理论上很明确: 气门弹簧的弱点不复存在,可以在没有弹簧故障风险的情况下实现更高的气门加速和减速. 它还能在高转速下节省动力,而且并不像大多数人想象的那么复杂.

而反方论点同样有理有据: 决定任何发动机实际转速上限的不是弹簧风险,而是配气机构的质量和几何结构. 现代冶金和材料科学使气门控制比以往顺畅得多; 随着弹簧机械强度的提高,desmo自身所具备的优势逐渐消失. Desmo如今可以被定义为一种主要依靠机械优雅性和营销价值而存在、技术依据却日益减弱的方案.

哪种气门架构更好? 对比

架构凸轮位置典型气门数量优势劣势
L-head (flathead)位于缸体内,气门也在缸体内每缸2个制造与维护简单燃烧室效率低,转速上限低
OHV(推杆式)缸体上,气门在缸盖每缸2个结构紧凑,低转速扭矩,驱动简单高转速气门浮动,四气门设计困难
SOHC缸盖上,单凸轮轴每缸2个简单、便宜、易于维护相比DOHC进气流量受限
DOHC缸盖上,进气与排气分开每缸 4 气门(通常情况下)气流更优,高转速,支持VVT复杂且昂贵的驱动系统

表格中并无唯一的赢家; 这也是各方资料共同得出的结论. 在注重扭矩的重载和V8应用中,OHV仍是合理的选择; 对于均衡的量产车型,SOHC已经足够; 在性能和燃油经济性方面,DOHC凭借更先进的气门正时和气流,通常是最优之选. GM 对推杆的执着背后,也有着相似的工程考量: 高功率输出和发动机舱的空间优势可以在同一台发动机上兼得.

130年的平衡: 今天我们身处何处?

气门架构之战的尾声,并未宣布单一的胜利者. Flathead已退出历史舞台; OHV则在北美皮卡和V8领域保住了狭窄但稳固的阵地; 而DOHC与VVT的组合已成为性能和效率的实际标准. 凸轮轴移至缸盖始于1904年的一项凸轮轴实验,半个世纪后成为性能专属,到1990年代则转变为整个行业的默认配置. 气门位置应放在哪里的问题,与发动机能有多高效、多强劲、多耐久的问题完全同步演进——而130年后,这个问题仍未完全尘埃落定.

参考资料