[改装篇]气门机构的构成与改装

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一、气门机构的构成

　　最基本的气门机构是由凸轮轴、气门摇臂、气门弹簧、气门导管、气门本体及气门座所组成。 气门机构与曲轴的关系 气门机构运作的动力来源是来自引擎的曲轴，由连接于气缸曲轴上的时规齿盘以时规炼条来带动连接于凸轮轴末端的另一个时规齿盘，两个齿盘的齿比是1:2，也就是说经过四个行程后曲轴转了720°，而凸轮轴只转了360°。有了这些驱动装置，凸轮轴便能随著引擎运转而转动，平时因为气门弹簧的弹力作用而关著的气门，当凸轮轴上的凸轮转到凸面时，由凸轮推动气门摇臂，气门便被打开，之后再随著凸面的离开及气门弹簧的作用而关闭。凸轮轴转速是引擎转速的1/2，而进排气门也就因固定的凸轮角度而呆板的工作著。

　　引擎运转的基础典型

　　在谈气门机构的工作特性之前，我们必须再确认一次四行程引擎的四个行程：进气、压缩、爆发、排气周而复始。 进气时进气门打开，活塞由上往下，有如针筒作用一般将空气吸入气缸。压缩时进气门关闭，此时气缸形成一密闭的空间，活塞由下往上压缩油气，而压缩比就是活塞在下死点和上死点时气缸容积比例。 油气压缩后，火星塞点火引燃油气产生爆发，由爆发后产生的大量气体将活塞往下推到下死点。爆发也是引擎四个行程中唯一的动力产生行程，其他三个行程都是需要消耗动力的，这也就是为什么四行程引擎比二行程引擎"反应慢"的原因，因为二行程引擎每两个行程就有一次是动力产生行程，而四行程则四次才有一次。爆发过后，排气门打开，活塞由下往上推将气缸内燃烧后的癈气排出，活塞到上死点后关闭排气门，并打开进气门，准备下一次的进气。

　　气门正时

　　引擎运转时活塞与气门运动之间相对关系的基础典型在现实的引擎运转时却会遇到几个问题：首先进气门从打开到进气之前会有延迟，因为进气是由于活塞向下先形成真空，进而由于气缸内外压力不同才使油气被吸入气缸内。（各位若有使用针筒吸过墨水，你便可清楚这一过程。）此气门从开始动作到完全打开也需要时间，而基于上述原因，若能让进气门在活塞向下之前先打开，则将可充分利用这整个的进气行程。 如果排气门在排气行程尚未开始时先打开，可以减少活塞上升时的阻力，此外活塞由下而上到达上死点时，气缸内的癈气并未能完全的排出，这时若将排气门关闭的时间延后，便可利用由进气门引入的新鲜油气，将残余的癈气"挤"出去，尽量减少癈气的残留影响引擎的动力输出。以上气门与活塞间的相对关系若以具体的图形来表示，就称为‘气门正时图’。而早开的进气门和晚关的排气门会造成有进排气门同时打开的重叠情况，称为‘气门重叠（Valve overlap）。引擎高转速运转时若能增加气门重叠角度，将可抵消因高速运转而凸显的进气延迟现象（其实高、低转速时进气延迟的时间是大约相同的，只不过高转速时进气时间缩短，则进气延迟所占的时间比例便相对提高）。但气门重叠角度大的‘高转速型凸轮’，虽然具有较佳的高转速动力表现，但在低转速运转时，将因为气缸真空度不足及吸入油气的流失而造成容积效率降低，导致低转速动力不足、怠速运转不稳的后遗症。

凸轮的特性

　　气门机构的设计目标就是要让进气愈多，排气愈乾净。除了气门正时外，气门尺寸、扬程、加速曲线都会影响进排气效率。这些因素乃是由凸轮轴（Cam Shift）的凸轮形状及凸轮轴与曲轴的相对位置所控制。凸轮的形状是以一圆为基础，称为‘基圆’，并由气门的开启角度及关闭角度的1/2决定开启点及关闭点（凸轮的转速是引擎曲轴转速的1/2），在决定扬程之后，凸轮的基本雏形就已出现，最后还要根据气门加速曲线的需求修正凸轮的轮廓。气门全开时与关闭时的高度差就称为‘扬程’（Lift），也可说是凸轮的基圆的中心到凸峰的距离减掉基圆的半径所得的值。而气门开始动作到完全打开或关闭所需的时间长短与凸轮轴角度的关系称为‘气门启闭加速度’，以图形表现就成为‘气门启闭加速曲线’。而引擎的容积效率正可由气门扬程与凸轮角度所构成的曲线图形来判断。曲线下所围成的面积越大则容积效率越高。 当气门尺寸及气门正时不变时，气门急开急闭可得到最佳的容积效率（也就是提高气门加速度），当然最好是瞬间打开或关闭，但这在考虑对气门座的冲击力及受到传统凸轮系统的先天限制（必须以圆弧面接触以维持机构运转之顺畅），并不可能达成。此外适度的提高气门扬程也可提高容积效率。

二、气门机构的改装

１．进、排气道的抛光

　　进排气道的抛光可减少气道表面之粗糙度，其效果可分为二方面： 一是抛光后，平滑的表面可有效降低进排气阻力、减少空气流经气道时在气道表面产生停滞的现象；一是抛光后可适度的加大气道口径，这加大的幅度并不算很大，可视为抛光后所带来的附加效益，因为强度的考量无法大幅的加大。 抛光后可加快进气或排气的流速，也就是加快进气时的填充速度，在有限的气开启时间内，进量及迅速排气将残余癈气排得更乾净，提高引擎的进气效率及减少残留癈气所带来的冲淡效果。

２．气门打磨

　　气门的打磨可分为两个部分，一是进气门头的打磨；一是排气门头背面的打磨。进气门头的打磨使气门头的部份，凹的弧度更大，让进气门打开空气进入气缸时，由于气门头的弧度使其产生涡流，加速油汽的混合。而气门头背面的适度打磨则可造成在排气时在排气门附近产生涡流，造成排气的回压，如此一来就可再进一步加大排气管的口径，因为一部份回压的问题已交由气门负责。

３．凸轮轴

　　凸轮轴可视为气门机构的灵魂，因为气门运作的一切性能举凡：启闭的正时角度、气门重叠、扬程都是由凸轮的形状所决定。为了方便说明我们就以两支不同角度的Lancer 1.6的4G92 SOHC引擎改装用凸轮轴的数据来比较。首先是‘扬程’：A凸轮是进气0.373吋、排气0.377吋，B凸轮则进、排气都是0.432吋。开启时间（Duration）：A凸轮是进气258°、排气262°，B凸轮则是进气275°、排气270°。而最重要的开启时机（Timing）：A凸轮是进气提前20°开、延后58°关，排气提前62°开、延后20°关，B凸轮则是进气提前32°开、延后63°关，排气提前63°开、延后27°关。把这提前和延后的角度再加上一个行程固定的180°，就会得到前面所提的开启时间。而气门重叠角度则可由进气提前和排气延后的角度相加得到：A凸轮40°，B凸轮：59°。由这些数据再与原厂的凸轮角度数据相比较，就可大致判断出一支CAM的基本性能。 另一项关系气门工作特性的因素是：气门启闭加速曲线。虽然一般的CAM制造厂并不会提供此一资料，但我们仍可以从凸轮的外形轮廓来做个概略的判断。依其外形及性能特性大致上可分为下列几种典型：A：基圆大、扬程短的，其特性是低速扭力良好，出力平顺，但高速运转则较差，适合需要平顺扭力的RALLY赛车。B：基圆小、扬程长的，其特性是高转速表现良好但低转速其则软弱无力，动力衔接性不良，尤其怠速可能抖动严重，动力要到高转速才会‘突然’涌现。一般来说场地车赛都会采用此种CAM，尤其是在大型跑道上比赛的赛车，力道在5000rpm后才出现的设计是常有的。C：基圆大、扬程长和基圆小、扬程短的设计，一般量产型车量大多属于这一种，性能表现是较中庸的。这时你或许会问：道路用的改装CAM是属于那一种？我们给你的答案是：中庸但‘稍微’偏高转速型的。至于偏多少则视原车供油电脑及气门弹簧的设计余欲及匹配程度而定。当然车主能忍受的抖动程度也是必须考虑的。

４．气门、弹簧及其它配件

　　气门的重量及启闭时加速度对气门弹簧及整个气门机构所造成的负荷，对动力表现及稳定度、耐用度有极大的影响，若能换上轻量化的气门，则对气门机构运转的反应将有相当大的助益。 气门弹簧之所以要改装，最主要目的是为了配合改了CAM后所造成的扬程及气门加速曲线的改变，如此才能充份发挥其所欲达到的性能要求。若是CAM改变不大或弹簧仍足敷所需，则改弹簧的这笔预算就可省了。 有一项不能省的就是可微调的气门时规齿盘，如此才可做到准确的气门正时调整（归零）。普通的时规齿盘一齿是7　~10　，调整时只能以一齿为单位，无法做更精确的微调，造成气门无法在最适当的时机启闭，如此一来将失去改装CAM的原意。 其它如摇臂，气门套筒等配件若有需要则也要配合改用强度高、轻量化的改装部品，应付高转速之所需和减轻机构之负荷。 最后，如果你对气门机构做了大幅度的改装，你得去考虑供油系统配合的问题，必要的话也得一并改装，但如此一来花费将是可观的！

　　传统的气门机构的运作是呆板的，无法同时满足高、低转速之需求，可变气门正时系统便因应而生，如HONDA的VTEC，NISSAN的NVCS，BMW的VACC都是这一类的设计，其中NVCS及VCSS系统改变的是凸轮轴的相位（正时），VTEC则是同时有高、低两种凸轮供切换，尤其到了６代Civic更已发展到有３种凸轮在切换，充份应付高、中、低不同转速之需求。也许在不久的未来，你我将不用再为改装CAM而烦恼，因为汽车工程师已经为这个问题做了妥善的解决。