高角度, 高揚程凸輪軸閒聊

話說老編最近跟車友借了一根高角度凸輪軸, 拿來跟原廠凸輪比對了一下, 結果發現還是用原廠凸輪去磨基圓的高凸, 跟老編想像的正統高凸還是有一些不同...這邊就讓老編賣弄一下之前所學, 跟各位介紹一下凸輪軸的基本認識.

有人有看出兩支有什麼不一樣嗎?

引擎的心臟 - 凸輪軸

凸輪軸控制著引擎進, 排氣閥的開啓跟關閉, 引擎的進, 排氣效率, 扭力, 馬力性能曲線特性, 甚至引擎的排汙, 油耗都與凸輪軸息息相關, 因此凸輪軸又被稱為”引擎的心臟”.

下表為歷年來傳說中可以為所欲為的勁戰Cygnus-X 125引擎性能變化(摘自ARTC機動車輛噪音管制清冊), 由一代勁戰的7.9 kw/8500 rpm隨著環保法規越來越嚴-> 7.7 kw/8500 rpm -> 7.2 kw/8500 rpm -> 7.2 kw/7500 rpm 一直掉到六期法規的6.9 kw/7500 rpm!!!

勁戰引擎歷年來的性能變化

其中除了電腦系統調整, 壓縮比, 活塞變化外, 影響引擎特性最大的其實是凸輪軸, 引擎要設計成高轉高馬力引擎或低轉扭力型(不變動缸徑, 行程下), 甚至符合排汙, 油耗的需求, 關鍵設計零件就是凸輪軸輪廓.

名詞解釋:

上死點: Top Dead Center(TDC), 活塞在汽缸中運動至上極限點的位置
下死點:Bottom Dead Center(BDC), 活塞在汽缸中運動至下極限點的位置
進氣門開啓點: Intake Valve Open(IVO), 進氣門開啟油氣開始流入汽缸瞬間的點
排氣門開啟點: Exhaust Valve Open(EVO), 排氣門開啟讓廢氣開始流出氣缸瞬間的點
進氣門關閉點: Intake Valve Close(IVC), 進氣門關閉油氣停止流入汽缸瞬間的點
排氣門關閉點: Exhaust Valve Close(EVC), 排氣門關閉廢氣停止流出氣缸瞬間的點
汽門揚程: Valve lift, 汽門開啟的高度
汽門重疊角: Overlap, 進氣門會在上死點前即開啓, 而排汽門會在上死點後才關閉, 因此會有一段時間進, 排氣閥是同時開啓的狀態, 此一區間稱為汽門重疊角

緩加速區: Ramp, 基圓銜接開始加速的緩坡區間, 會設計一段很緩慢的加速坡, 來緩和汽門開啟時的撞擊; 汽門關閉時亦有同樣設計來避免汽門關閉時的彈跳.

凸輪軸示意圖

引擎汽門正時示意圖

汽門正時與揚程示意圖

一般為了讓引擎有較佳的進排氣效率, 汽門開啟都會較死點位置提前, 汽門關閉會較死點位置延後. 下圖為三代勁戰到四代競戰125汽門正時規格變化:
Cygnus-X三代 --> 四代
IVO: 29度 --> 20度BTDC
IVC: 59度--> 60度ABDC
EVO: 64度 --> 56度 BBDC
EVC: 24度 --> 16度ATDC
汽門重疊角: 53度 --> 36度

Cygnus-X 三代-->四代汽門正時變化

進,排氣門延後開啓及提早關閉, 重疊角縮小了, 在性能上的表現就是最大馬力由8500 rpm提前到7500 rpm 發生. 提高了中低速扭力, 但代價就是犧牲了高轉速的延伸性.

三代最大馬力在8500 rpm, 四代提前到7500 rpm

汽門正時, 揚程與引擎性能關係

在1989年Nissan公司的Maekawa等人發表的SAE論文890680, 闡述汽門正時, 揚程與引擎性能關係如下表:

汽門正時, 揚程與引擎性能關係

由上表得知要增強引擎高轉速的馬力, 就要延後進氣閥關閉的時間及進氣閥揚程加大; 反之如果要低速扭力及早湧現, 那就要提早關閉進氣閥; 要怠速穩定則要縮小汽門重疊角.

所以今天改了高角度, 高揚程輪軸, 可以預期最大馬力增大及峰值轉速往後移, 但附帶影響低速扭力可能會減小, 及因汽門重疊角大, 怠速可能較不穩定.

市售的高角度, 高揚程的高凸真相

一般的正統高角度, 高揚程凸輪軸應該長的像這樣子(借用自KOSO出品的Cygnus-X高凸規格圖)
閥揚程提高了, 但是基圓是跟原廠一樣大的設計.

KOSO出品的高凸規格

*註1: 定義閥門開啟及關閉的時間, 各家定義可能不同, 例如: 有些以閥已開啓了0.006 英吋(0.15 mm)揚程時的曲軸角度當作閥門開啟的時間, 閥門關閉時亦以剩0.006 英吋(0.15 mm)揚程時為閥門關閉角度; 但亦有些廠商有不同定義高度. => KOSO的閥開關角度都比原廠還小, 推測閥門開關定義高度應該比Yamaha原廠來的高. (另KOSO的Duration Angle是以在1.0 mm時(有些是定義在0.050 inch), 但IVO/IVC/EVO/EVC則不知定義如何, 因為老編以前所學Intake Duration Angle = IVO + 180度+IVC = 5 + 180 + 45 = 230 度(規格寫IN: 240度.....)

*註2: KOSO第1支凸輪的閥揚程及作動角度均較第2支大, 推估引擎特性第1支會偏向高轉高馬力, 而相對第2支則中, 低速低扭較佳.

那其他市售的凸輪是怎麼狀況呢?

左邊是跟車友借的改裝凸輪, 右邊是原廠凸輪

左邊是改裝凸輪, 右邊是原廠凸輪, 看得出哪邊不一樣了嗎?

這邊就稍微比較明顯了

注意看基圓的地方, 大小不同了!(陪林正反裝不是重點....)

這邊應該更明顯了!

這根改裝凸輪軸其實只是原廠凸輪軸去磨小基圓做出來的高凸! ==>至於老編為何這樣斷定, 看了凸輪軸輪廓比較就更能一目了然了.

凸輪軸輪廓量測

專業的凸輪軸生產廠商都有自動化量測設備, 凸輪軸架上去, 轉一轉輪廓外型數據就出來了, 下圖為摘自京綸精密有限公司的凸輪軸量測機

京綸精密的Komatsu凸輪量測機

如果沒有專業量測設備, 那就要作苦工, 自己黏曲軸角度盤, 再配合千分表, 1個角度1個角度量閥揚程出來....(超累....)

角度盤+千分表, 1度1度量....超累.....

再用Excel畫出來就會像下面的凸輪外型輪廓了

原廠與改裝凸輪外型輪廓圖

上圖上方虛線是改裝凸輪, 下方實線是原廠凸輪, 可以看出改裝凸輪閥揚程有到7.2 mm, 而原廠則僅有約6.0 mm, 甚至凸輪軸有效作用角都比原廠大(Duration Angle), 這是如何靠透過磨小基圓辦到的???

假設下圖黑線是原廠凸輪輪廓外型剖面圖, 紅線的部分是磨小的基圓, 當你把基圓磨小之後, 即使上半部Lift的部分不變, 但因為基圓縮小了, 因此實際有效閥揚程反而增高了!!!

紅線為基圓磨小, 實際有效閥揚程反而增高了

這樣的做法, 當然是簡單快速又省工, 但與傳統生產凸輪軸開模, 作素材, 研磨加工, 氮化處理等繁複程序, 帶來的影響是如何???

磨小基圓的影響

一般正常的凸輪汽門正時與閥揚程關係如下, 在最底下銜接基圓的地方, 均會設計有一緩加速區(Ramp)來緩和汽門開啟瞬間的撞擊及關閉時的彈跳.(有興趣的可以參考Tildent公司網站)

汽門與閥揚程相對應關係, 最底下基圓銜接處有緩加速區Ramp設計

將基圓磨小, 即是磨掉緩加速坡區間(Ramp), 則會造成開啟瞬間凸輪是直接撞擊Lifter或汽門, 關閉也是瞬間汽門停止, 強大撞擊及彈跳.....因此汽門噪音會加大, 而且衝擊力若超過材料設計可承受強度, 久了亦有可能造成汽門接觸面磨損或汽門座凹陷....

虛線為磨小基圓的改裝凸輪, 緩加速區已不見了!

另外凸輪的輪廓曲線依據性能目標, 引擎運轉區間, 材料重量, 彈簧張力, 材料強度, 可承受應力, 汽門座接觸面....等等各式條件, 經過很精密的計算開啟角度, 閥揚程高度等, 再透過數學運算式合成凸輪輪廓曲線的, 各家用的方法都不同Polynomial, spline....等, 因此將小基圓磨小, 如何很平順的銜接, 而不產生過大的磨擦力, 噪音及符合性能要求...這真的很耐人尋味這樣亂搞的下場!!!

下圖是閥系統的輪廓分析, 閥揚程對時間微分則會得到閥門速度, 再對速度微分則會得到加速度, 再對加速度微分會得到急動度(Jerk), 可以發現在急加速區Flank區加速度為最大; 若今天將基圓磨小, 緩加速區(ramp)去除, 而銜接凸輪鼻部(Nose)的急加速區(Flank)已不知變得如何, 加速度可能變得非常巨大無法控制....巨大噪音, 汽門或接觸面可能快速磨損....之前還有聽到某些知名改裝店家”手工”凸輪, 看到真的嚇到吃手手!!!

原廠的凸輪輪廓亦是根據根據閥系統重量, 彈簧張力去設計的, 凸輪輪廓改變了, 原來的彈簧張力可能亦不適用了, 之前亦有看到改裝引擎汽門彈簧斷裂, 不要懷疑, 沒有經過閥系統彈簧, 動態分析, 就是有可能會發生!!!

夠專業的廠商出的改裝凸輪軸, 應該要標明清楚原來的汽門彈簧還適不適用, 有無需要換裝高張力彈簧; 甚至很多店家會去改裝加大汽門, 汽門加大了, 重量增加了, 彈簧張力有需要增加嗎? 若彈簧張力增加了, 原來設計的彈簧座, 汽門扣承受應力OK嗎? 這些都沒有考慮到, 引擎壽命當然短, 不明究理的人就會有改裝引擎不耐用的刻板印象......

另外, 原廠凸輪軸都會經過氮化處理, 增強表面硬度, 磨基圓的有這一道工序嗎?

噴射系統影響

磨基圓的改裝輪軸, 汽門重疊角變大, 因此在怠速區進氣效率較差, 旁通空氣閥需要開比較大來維持怠速運轉, 歧管壓力亦會較高.

原廠凸輪怠速時, ABV開度39.4度即可維持怠速, 歧管壓力507mb

改裝凸輪怠速時, ABV則需開到59.1度, 歧管壓力556 mb

改了高角度/高揚程凸輪軸, 高轉速時的加速力量確實有增加, 尾速可以拉得更高, 但代價就是要稍微犧牲中低速的扭力; 在燃油調整上則要相對應的增加高速燃油, 減少中低速的燃油.

要增大引擎馬力, 高角度/高凸輪軸絕對有改裝的必要, 特別是有加大排氣量的引擎, 可以彌補中低速犧牲掉的扭力, 並且可以增強高速的馬力; 但一定要選擇是有開模用素材研磨加工製造的高角度/高行程凸輪軸, 至於磨基圓的, 就可以跳過了....