可变气门正时:下一个大事件?

有时，一项新技术会突然出现在摩托车领域，横扫之前的一切，并成为一个因素，清楚地标志着自行车是在这个分水岭之前还是之后出现的。例如，牵引力控制、多种骑行模式、TFT显示屏。这些都是几年前还没有出现过的东西，但正迅速成为标准食品。

其他技术需要更长的时间才能达到这个临界点。ABS刹车并不是什么新技术——宝马从上世纪80年代就开始提供这项技术了——但直到现在，随着技术的进步和法律的规定，从2017年开始，ABS刹车才开始普及。

可变气门正时(VVT)完全属于第二阵营。

作为一项技术，它已经存在了几十年，但汽车制造商早就接受了它，摩托车制造商却一直回避它。但是，就像他们不得不接受ABS一样，排放法规的收紧将很快迫使公司重新考虑VVT。

但千万不要认为这是件坏事;在未来的自行车发动机上适当地应用可变气门正时，有望改善包括性能和经济性在内的有形指标，并确保更清洁的废气。

那么这到底是怎么回事呢?

内燃机是一系列妥协的产物。这在很大程度上是因为我们要求他们有很大的灵活性。这一刻，我们期望它们能轻松启动，并适应低转速、平稳的旋转，下一刻，我们要求同样的马达达到13000转/分钟，并泵出足以伸展手臂的动力。

更重要的是，我们都希望从温顺到疯狂的转变能够无缝地发生，没有太多的障碍或打嗝。这还是在我们开始考虑排放或经济之前。

引擎设计师被拉向各个方向，作为客户，当他们无法满足我们崇高的期望时，我们就会走开。

问题在于，每个目标都需要来自引擎本身的一组不同属性。气门正时尤其需要妥协。

气门是四冲程发动机的基本部件。在每个活塞的四个冲程中——吸、挤、砰、吹——每个阀门都有几个关键时刻。简单来说，在进气(吸气)行程中，当活塞向下移动并将空气和燃料的混合物吸入气缸时，进气阀打开。它们在压缩(“挤压”)冲程和点火(“砰”)冲程时关闭。然后，对于排气(“吹”)冲程，排气阀打开以允许用过的气体排出，并允许整个循环重新开始。

阀门的开启和关闭是由一个或多个凸轮轴上的裂片打开的，这些凸轮轴的转速是曲轴转速的一半，因为发动机需要转两圈才能完成一个四冲程循环。

简单,是吧?

不幸的是，虽然基础很简单，但细节变得有点棘手。

问题是，要使发动机工作得最好，气门不能在相关冲程开始的那一刻简单地打开和关闭。

相反，排气阀开始在点火冲程结束前少量打开，在活塞到达底部死中心之前。然后在排气冲程结束和进气冲程开始后，它们保持少量打开。

同样，进气门实际上会在排气冲程结束前开始打开，直到压缩冲程开始后才关闭。

造成这种情况的原因有好几个，有些原因太复杂了，无法在这里详细讨论，但其中一个原因是阀门不会立即打开——阀门需要一段时间才能达到完全打开的位置——而且它们引导的气体进出气缸也不会立即发生反应。

发动机设计师通常会用压力波来描述这些气体的运动。如果你想象气体通过发动机的行为有点像水，这就更容易想象了。当阀门打开和关闭以允许它进出时，活塞运动，它四处晃动。把阀门的时间安排得恰到好处，这些波会帮助气体通过阀门。

问题是，在13,000rpm时工作完美的计时可能在2,000 rpm时就不理想了，反之亦然。

特别是，同时打开进气阀和排气阀的时间是至关重要的。称为气门重叠，使进气门在排气门关闭之前开始打开有助于鼓励进气门进入气缸。排出的废气的波浪在它后面创造了一个低压区，随着进气阀的打开，吸入混合物。

问题是，所选择的气门重叠的数量只倾向于在特定的发动机转速下工作。在高转速下，大量的重叠是好的;来自排气的压力波有助于将更多的新鲜气体吸入气缸。如果工作完美，它实际上会帮助吸入更多的空气/燃料混合物，而不是通常的汽缸，所以它会产生一种增压效果，基本上可以达到通常需要更大的汽缸才能达到的性能。因为我们说的是难以置信的速度——在15000转/分钟的转速下，每个阀门每秒要开启和关闭125次——即使有大量的重叠，也没有时间让进气中未燃烧的燃料通过排气阀逸出。

但在低转速下，同样数量的重叠将导致可怕的排放;在1200转的空转时，阀门每秒只打开10次，如果有很多重叠，就有足够的时间让未燃烧的燃料逸出到排气口。在赛车发动机上这没问题，但公路发动机需要符合排放规定，把未燃烧的碳氢化合物扔出去是非常不允许的。

最简单的形式就是可变气门正时发挥作用。在接下来的几年里，能够改变进气凸轮轴或进气和排气凸轮轴计时的发动机可能会变得越来越普遍。

铃木GSX-R1000

虽然这绝不是第一辆配备VVT的摩托车，但铃木2017年的GSX-R1000是第一辆配备可变气门正时的全能超级摩托车。它还有一个非常聪明的纯机械系统，既不需要插入发动机的油系统，也不需要电子电磁致动器。

这个优雅的解决方案实际上是由这个系统已经在该公司的GSX-RR MotoGP摩托车上使用的事实驱动的，在MotoGP中，液压和电子VVT系统都是禁止的。这排除了所有现有的系统，并迫使铃木横向思考，如果他们想要低端的呻吟和顶级动力VVT提供的组合。

GSX-RR和GSX-R1000系统实际上非常像杜卡迪和川崎使用的液压凸轮相位器。像他们一样，铃木使用两部分凸轮链轮-一半携带链轮本身，并由凸轮链驱动(页面上方)。另一个被牢牢地固定在凸轮轴上(进气凸轮仅适用于GSX-R1000，但没有理由该系统不能也适用于排气。)

铃木相位器的两半不是在充满油的腔室里的叶，而是用在两半加工成径向凹槽的钢球连接起来的。在链轮方面，凹槽略有角度，而在凸轮轴的一半，他们点直出从中心，并得到较浅的对外缘。弹簧板迫使凸轮轴侧对链轮侧，和球夹在他们之间的凹槽。

当转速较低时，弹簧压力迫使钢球向中心凹槽的较深部分移动。随着发动机转速的提高，钢球的离心力将它们向外推，并且由于链轮上的凹槽的角度对齐，其效果是提前凸轮正时。

这个巧妙的系统意味着改变弹簧的力将改变发动机的转速，从而使凸轮相位发生变化。该设计还意味着，转换从迟滞到先进的进气凸轮正时应该是平稳和渐进的转速上升。

不出所料，铃木已经为这一设计申请了大量专利。

证据将在布丁，当然，但VVT系统似乎在GSX-RR GP自行车上工作得很好，所以有充分的理由相信GSX-R的凸轮相位将同样有效。

未来会怎样?

在过去的12个月里，人们一直在谈论新的欧4排放标准，以及制造商在满足这些标准方面面临的困难。现在它们已经生效了，但由于下一代限制即将到来，自行车公司几乎没有喘息的空间。

欧盟将在2020年和2021年分两步实施5欧元的排放限制，但要达到这一标准难度更大。这可能是第一次，可变气门正时将成为一种选择，公司必须考虑保持性能在我们期望的水平，同时进一步减少排放。

很可能许多自行车将采用杜卡迪和川崎使用的凸轮相位装置。这是一项经过验证的技术，相对容易添加。然而，当涉及到极端转速时，它有局限性，因此可能不适合四缸超级摩托车。

铃木的全机械装置看起来很有希望，有经过比赛验证的背景和进一步修改的余地。该公司已经申请了专利版本的电子控制，以改变转换行为，加上版本的排气凸轮轴和进气工作。有趣的是，一组专利显示该系统安装在V-twin发动机上，也许暗示了未来的生产模型。

但目前，每一个生产VVT自行车只是触及了什么是可能的表面。还有一些想法可以让这项技术走得更远。

在摩托车方面，一个是铃木的3d凸轮，它再次展示了一个优雅简单的解决方案。这是基于有延长凸轮叶的想法，从一端到另一端的轮廓不同。在一端，它们几乎是圆形的，气门升程很小，很少或没有重叠，但在另一端，相同的气门瓣可以有一个赛车式的轮廓，具有很大的升程和大量的重叠。从一个到另一个的过渡是通过沿凸轮轴滑动凸轮瓣来实现的。铃木已经展示了不止一款带有这个想法的概念引擎，它已经开发了十多年。

在其最终的幌子，三维凸轮瓣有范围，以消除需要一个单独的节流阀。相反，气门升程可以单独用来调节发动机转速。这为性能、排放和经济性提供了潜在的改进。

这不是一个新想法，在汽车世界里，多年来一直有可能买到无油门发动机。宝马是一个领先的代表，它的阀门电子设置。这使用了一个改变摇杆支点的系统，这样当凸轮轮廓固定时，它们对气门升程的影响可以改变。与两个凸轮轴上的液压阀相位器一起使用以改变其正时，结果是一个完全可变的阀系统，可以在没有传统节流阀的情况下使用。