进气门和排气门有各自的凸轮轴驱动,称为DOHC,早期是以凸轮轴的凸出部直接压动气门挺桿的直压式,另外也有在中间插入气门摇臂的方式。


1. 原来DOHC引擎是Peugeot开发的?

2. 直接压、间接压,哪个比较好?

3. 直压式受到滑轮的干涉,摇臂式的自由度较高?

4. 直压式更换垫片来调整间隙,摇臂式则不用?


原来DOHC引擎是Peugeot开发的?

DOHC引擎首次面世是于1912年由Peugeot开发,在当时是非常先进的机械结构,因此首先採用于赛车,然后才导入市售车,而在Peugeot开发出DOHC之前最先进的气门驱动方式是SOHC,再以前是OHV,更往前则使用侧置气门等方式。进气门和排气门各自以专属凸轮轴驱动的DOHC引擎反应比SOHC更快,对传动系统的质量惯性也小,因此有利于高转速,这样的特性让DOHC成为赛车引擎必备的机械结构,然后在市售性能车的引擎上也普及了。

Peugeot开发的DOHC气门驱动方式是称为连控轨道阀的强制开闭式,但后来进化成以凸轮直接压动气门挺桿的简单方式,这种方式长期为DOHC固定使用的构造,但在开发出与SOHC相同的摇臂式之后,如今直压式与摇臂式都有车厂使用。摇臂式是Honda在F2赛车引擎上开发的,然后导入于F1引擎、并採用于市售B16系列引擎,这款引擎在四个气门内侧支点使用摇臂式,是全世界最早将这种方式导入市售车的引擎。

直压式

以凸轮轴的凸出部直接压动气门挺桿,称为直压式,自从有DOHC引擎开发以来,首先以此种方式为主流,相较之下,这种方式更适合高转速引擎。

摇臂式

与SOHC引擎同样于凸轮和气门之间插入摇臂,最大特徵是应用槓桿原理增加气门扬程、同时在与凸轮的接触点加入滚珠轴承以降低摩擦损耗。

直压式DOHC vs摇臂式DOHC同为DOHC也有不同的机械结构?与SOHC引擎同样于凸轮和气门之间插入摇臂,最大特徵是应用槓桿原理增加气门扬程、同时在与凸轮的接触点加入滚珠轴承以降低摩擦损耗。

直接压、间接压,哪个比较好?

四行程的内燃机以进气、压缩、(爆炸)燃烧、排气这四个行程完成一次循环,进气行程开启进气门,压缩行程和燃烧行程关闭全部气门,排气行程开启排气门。

控制气门开闭的是凸轮轴上一体成型构造、蛋型变形的凸轮,凸出部因应四个行程和汽缸数目做出相合的设定,随着凸轮轴的旋转依序压开各气门,凸出部通过后,气门即回复关闭状态,四行程是曲轴每转两圈时凸轮轴转一圈。至于压开气门的部分,由凸轮轴的凸出部直接压动气门阀上的气门挺桿者为直压式,像SOHC一样有摇臂介入,如跷跷板一样压动气门阀称为「摇臂式」,目前採用的就这两种。

如同先前提到,早期的DOHC引擎全为直压式,构造简单、零件数目少、反应快速,这种方式看来似乎没有缺点,但它其实有两个主要的弱点:一是无法控制改变气门扬程,一是磨擦损耗令人在意,因此以摇臂间接压动气门阀的摇臂式诞生。

直压式DOHC vs摇臂式DOHC同为DOHC也有不同的机械结构?直压式,由凸轮轴的凸出部直接压动,特徵是反应直接、零件数目少,因此受到质量惯性的影响也小,而且可靠性高、成本较低,这些都是优点。
直压式DOHC vs摇臂式DOHC同为DOHC也有不同的机械结构?摇臂式 以较小的凸轮却能控制更大的气门扬程,这是摇臂式的首要特徵。DOHC引擎率先由Honda採用于F2赛车,然后再普及到市售车引擎。最近凸轮轴的接触点上新加了滚珠轴承,让滚动阻力趋近于零,旋转时的感受有口皆碑,对于降低油耗也有贡献。


日本最早搭载DOHC引擎的车款是轻型货卡

超轻型货卡车Honda T360

为了在赛车中获胜而开发的DOHC引擎,在欧洲也搭载于运动型车款、以发挥高性能,但在日本最早搭载DOHC引擎的却是轻型货卡车,Honda T360就是日本的第一款,Honda在重机赛就已经具备DOHC的经验,而为参加四轮赛车所开发的引擎也是DOHC,原本预定搭载于双座位的S360,但这款车并未投入量产,改以S500上市,因此这具最早开发的354c.c. DOHC引擎就搭载于T360上市。

直压式DOHC vs摇臂式DOHC同为DOHC也有不同的机械结构?日本最早搭载DOHC引擎的是Honda轻型货卡车T360,354c.c.直列4缸,最高转速8500rpm可得马力30ps。
直压式DOHC vs摇臂式DOHC同为DOHC也有不同的机械结构?扩大至531c.c.的引擎搭载于S500,是日本首先使用DOHC引擎的小客车。
直压式DOHC vs摇臂式DOHC同为DOHC也有不同的机械结构?AS280E型引擎,直压式、单汽缸、2气门、四连装化油器。

直压式受到滑轮的干涉,摇臂式的自由度较高?

气门扬程对引擎性能有很大的影响,倘若进气门的扬程小,进气量就小,为了达到最佳的空燃混合比,供给的燃油也必须少,结果就无法提昇动力。引擎的开发史其实也可说是如何吸进更多空气的研究史,为了增加气门面积,每个汽缸採用了4个气门,但凸轮的扬程也是重要的元素,直压式要做到大扬程的话,就必须使用大凸轮,大凸轮的质量也大,连带就会产生必须加大气门挺桿面积的问题,因此直压式只能在有限的尺寸中尽量设计最大的扬程。

直压式DOHC vs摇臂式DOHC同为DOHC也有不同的机械结构?直压式 将屋顶型的燃烧室紧緻化并提高燃烧效率,就必须缩窄气门夹角,但直压式的左右受到正时齿轮的干涉,能缩窄的角度也很有限。

相较之下,摇臂式的自由度就比较高,来自于跷跷板的发想,若将中央的支点做为左右的中心,左右的上下距离就相同,转移支点的位置就可以改变左右的上下距离,也就是说摇臂式应用了槓桿的比例,让小凸轮产生大扬程,即在小凸轮的前提下扩大气门扬程特性或是正时,这也是它的优点。还有一个特徵,就是因应支点偏外的型式而缩窄气门夹角,就可以形成紧緻的燃烧室;而支点偏内的型式则有缩窄汽缸顶的优点。

直压式DOHC vs摇臂式DOHC同为DOHC也有不同的机械结构?摇臂式 将支点设置在外侧的摇臂式,由于採行气门挺桿在内侧的布局,因此避开了正时滑轮的干涉,气门夹角得以缩得更窄。

直压式的凸轮面光滑

摇臂式的滚珠轴承降低滚动阻力

驱动系统都有摩擦损耗,气门驱动也不例外,即便已有机油提供润滑,但是金属和金属之间接触部分的摩擦仍然不可避免,就发生了磨擦损耗。直压式凸轮轴的凸出部在气门挺桿的表面以滑移的方式作动,高转速时摩擦损耗并不小,因此要将气门挺桿的表面予以平滑化,还要进行硬质薄膜等方式处理,也有引擎使用最新的DLC类钻石碳膜处理来降低摩擦损耗。

直压式DOHC vs摇臂式DOHC同为DOHC也有不同的机械结构?直压式 以凸轮轴的凸出部直接压动气门挺桿表面的直压式,儘管有用机油润滑,仍不可避免摩擦损耗发生。

摇臂式和直压式同样有金属与金属的摩擦点,早期的摇臂式在摇臂上有滑片与凸轮轴的凸出部接触,因此产生摩擦损耗,但现在的摇臂式採用滚珠轴承,摩擦损耗无限趋近于零。今天直压式和摇臂式仍在服役,直压式拥有零件数目少、成本低的巨大优势,但最重视油耗表现的引擎款式则大多倾向摩擦损耗少的滚珠摇臂式。

直压式DOHC vs摇臂式DOHC同为DOHC也有不同的机械结构? 
直压式DOHC vs摇臂式DOHC同为DOHC也有不同的机械结构?摇臂式 摇臂式早期使用滑片的部分会产生摩擦损耗,但在改用滚珠摇臂式之后得以解决,对于改善油耗也有贡献。
直压式DOHC vs摇臂式DOHC同为DOHC也有不同的机械结构? 

 直压式更换垫片来调整间隙,摇臂式则不用?

凸轮最底部和气门挺桿之间必须有适当的间隙,理由是为了因应受热时产生的形变,金属会随着高温而膨胀,气门系统主要是气门阀膨胀的影响很大,如果冷车时气门间隙是零,温度上昇时气门挺桿就会经常处于受压状态,造成气门开闭的时机失準。

直压式DOHC vs摇臂式DOHC同为DOHC也有不同的机械结构?SST专用工具

为了防範这个状况,冷车时必须保持规定的空隙、也就是调整气门间隙。直压式在气门挺桿上方设有凹处,藉由更换插入此处的垫片来调整,垫片的厚度为0.05公厘,以规定值为準、有十几种类型;直压式也有无缝型式,这种方式则是更换气门挺桿本体;另外还有搭配气门挺桿内部的间隙调节器的方式。

直压式DOHC vs摇臂式DOHC同为DOHC也有不同的机械结构?直压式藉由更换插入气门挺桿上方的垫片来调整间隙,垫片厚度以0.05公厘为準、有十几种类型,更换时要使用特殊工具。

摇臂式则在气门阀一侧的活动枢纽上设置螺栓,藉由转动螺栓来调整间隙,但採用这种方法的不多,如今的主流引擎在末端枢纽上搭配油压式间隙调节器,自动调整间隙并常保持为零。

直压式DOHC vs摇臂式DOHC同为DOHC也有不同的机械结构?直压式也有採用无缝气门挺桿的引擎,优点是有效面积广、气门扬程大,但在整备便利性上不如垫片式。
直压式DOHC vs摇臂式DOHC同为DOHC也有不同的机械结构?早期的摇臂式也有採用螺栓来调整的,如今则是在末端枢纽上搭配油压式间隙调节器,就不需要手动调整气门间隙。

摇臂式也有各种型式?

摇臂式大致分有两种型式,一种是将摇臂支点设于内侧,另一种是支点设于外侧。2气门引擎例如Toyota的5M-GE採用在内侧支点搭配液压式间隙调节器的方式,4气门引擎则是Honda的ZC为世界首创採用内侧支点摇臂,内侧支点的优点是凸轮轴位于气门内侧的布局,令汽缸顶得以缩窄。另一方面,外侧支点在不用减少进排气凸轮轴间隔的前提下,就能缩窄气门夹角,优点是能营造紧緻的燃烧室,但也要避免正时滑轮的干涉。

直压式DOHC vs摇臂式DOHC同为DOHC也有不同的机械结构?外侧支点型摇臂,为了解决搭配间隙调节器的空间问题以及缩窄气门夹角,採用这种型式的引擎愈来愈多。
直压式DOHC vs摇臂式DOHC同为DOHC也有不同的机械结构?Honda採用的内侧支点型摇臂,VTEC版本为了追求高刚性,因此选择这种方式。