米乐M6别总看我原始! 底置凸轮轴(OHV)解析

  成功案例     |      2024-01-16 06:38

  随着汽车的技术词汇为更多消费者所熟知,现在时不时听到有人说,我这是双顶置凸轮轴,比你那个单顶置凸轮轴省油,也有人说,你那是底置凸轮轴,太落后了。事实告诉我们,凡事无绝对,世上无神器,今天我们就为底置凸轮轴正名,以后再也别一提就说人家原始了。

  顶置凸轮轴很好理解,就是凸轮轴位于发动机气缸顶部,曲轴通过正时皮带或者链条带动凸轮轴,凸轮轴再驱动气门摇臂等结构直接控制气门的开闭。而底置凸轮轴(OHV)准确的说应该说是“旁置”凸轮轴,凸轮轴位于气缸侧面,凸轮轴通过推杆来驱动上面的配气机构,完成气门的开闭控制。

  底置凸轮轴可以说是美系车的钟爱,不过开发出首台OHV结构内燃机的却是苏格兰人大卫·顿巴·别克(D.D.Buick),没错,他就是别克品牌的创始人,而平行于活塞的推杆设计也一直沿用至今。

  作为现代大多数OHV发动机的原型,1949年奥斯莫比尔(从我们此前的诸多技术文章大家也能看出,当时的奥斯莫比尔在技术方面还是很新潮的,比如第一台搭载涡轮增压器的量产轿车车型就来自他们)就推出了第一台现代意义的底置凸轮轴发动机Rocket V8。通用随后推出了多种V6、V8形式的OHV发动机,也成为如今最大的OHV发动机厂商。

  而欧洲由于在排放和经济性上面的苛刻要求,底置凸轮轴设计相对顶置凸轮轴在这些方面表现不佳,因此在北美市场之外,OHV结构很难获得市场的认可,而是以单/双顶置凸轮轴结构更为常见。

  不过OHV并非末路,在新技术的推动下,2002年克莱斯勒推出了采用OHV结构的5.7 HEMI发动机,并且沿用至今,这台发动机采用HEMI球形燃烧室,并引入可变气缸管理系统,由于优良的综合性能,这台发动机多次跻身沃德十佳。同时更具时代意义的是,克莱斯勒也首次实现了在OHV结构上完成进、排气的可变气门正时,也即CamInCam技术,并从2008款道奇蝰蛇的SRT-10发动机(600马力)开始得到应用。

米乐M6别总看我原始! 底置凸轮轴(OHV)解析(图1)

  由于凸轮轴位于缸体内,不需要设计发动机时为凸轮轴和凸轮轴室留出空间,因此相比顶置凸轮轴结构,底置凸轮轴形式的发动机结构更为紧凑,尤其是发动机的高度比较低(这里是针对V6、V8发动机而言的,实际上现在基本上也没有直列四缸的OHV结构汽车发动机了)。

  例如,福特的Modular系列4.6升顶置凸轮轴V8发动机体积就比5.0升的Windsor系列底置凸轮轴V8发动机还大,而通用的4.6升双顶置凸轮轴V8发动机(大名鼎鼎的北极星)在高度和宽度上面也要大于原先的5.7升到7升LS系列底置凸轮轴V8发动机。

  同时,顶置凸轮轴结构的发动机需要通过正时齿带或者链条来让曲轴驱动凸轮轴,同时中间还有各种涨紧轮、压板等部件,这也增加了发动机的复杂性。相比之下,底置凸轮轴发动机的曲轴可以采用很小的链条来驱动凸轮轴,甚至也可以直接通过齿轮驱动凸轮轴,可靠性和可维护性都大大增强。

  另外,低转速下的良好动力性能是底置凸轮轴发动机的特长之一(实际上由于结构的限制,多数OHV结构的发动机也并不擅长在高转速区间运行),这与偏爱低扭表现和大排量自然吸气的北美技术传统非常相符。

  虽然低速动力表现好是OHV结构的优点之一,但是对于需要高速发力的工况来说,缺乏高转速下的动力表现这反而成为底置凸轮轴结构发动机的缺点,极端情况下,推杆甚至会弯曲或者折断。

米乐M6别总看我原始! 底置凸轮轴(OHV)解析(图2)

  如果说顶置凸轮轴低转速表现差还可以通过涡轮来弥补的话,OHV形式由于结构在高转速下受限的缺点就似乎无解了——至少对于普通民用车型是这样——对于一些性能车型,比如克尔维特Z06(C6)的LS7发动机虽然采用OHV结构,在更先进的材料和加工技术支持下,依然可以达到7100转的红线转速。而对于零件更轻、惯性更小的摩托车发动机来说,即便是OHV结构,优秀的发动机也可以实现近万转的转速。

  同时,对于多数顶置凸轮轴的发动机,缸盖的设计也比较受限于结构,比如气门多采用两气门,相对现在顶置凸轮轴四气门或者五气门的主流设计,加上凸轮轴更加接近气门,减少了底置式凸轮轴由于凸轮轴和气门之间较大的距离而造成的往返动能的浪费,后者的效率也能得到更好的体现,这也是为什么多数OHV结构发动机经济性不如同级OHC结构发动机的原因。不过随着技术的进步,OHV在这方面的缺陷有所缓解,同时也有不少OHV发动机采用了可变正时气门技术。

  此外,由于凸轮轴位于缸体内,对于OHV结构的发动机,进行凸轮轴部分的修理很多时候就需要拆除发动机,这显得非常麻烦,这对于横置前驱的发动机尤其明显,好在现在装备OHV发动机的基本上以V6和V8动力的后驱、四驱车型为主,这一点缺陷也就不那么明显了。

  小结:事实上,OHV有着很多传统的优点,只是和现在流行的顶置凸轮轴、小排量涡轮增压比起来,不合潮流罢了,因此类似通用这样的美国厂商也曾经尝试过搞一些顶置凸轮轴的V8发动机,比如DOHC的“北极星”,结果却落得个邯郸学步的下场,最后还得重归OHV的路子。

  和车型一样,动力技术没有最好,只有最适合,OHV确实是适合北美市场的技术途径,而且随着新技术的加入,大排量OHV发动机的效率并不低于同级的OHC发动机,从这个角度来说,如果你要再嘲笑OHV很原始的话,那还是好好了解一下美式汽车文化和技术传统吧。米乐M6