可變氣門正時：摩托車行業的下一件大事？
有時，一項新技術會突然出現在摩托車領域，席捲所有摩托車，並成為一個明顯標誌出該分水嶺之前或之後的自行車的因素。例如，牽引力控制，多種騎行模式，TFT顯示屏。所有這些都是幾年前無處可尋的，但很快就成為標準票價。
其他技術需要更長的時間才能達到臨界點。ABS制動器絕不是什麼新鮮事物-寶馬從年代就開始提供這項技術-但直到現在，在改進技術和法規的幫助下，從將其強制用於新摩托車上，它們才普及。
可變氣門正時（VVT）牢固地落入第二陣營。
作為一項技術，它已經存在了數十年，但是儘管汽車製造商早已接受了這項技術，但摩托車製造商卻對此予以迴避。但是，正如他們被迫接受ABS一樣，排放法規日益嚴格的束縛將很快迫使企業重新考慮VVT。
但是暫時不要認為這是一件壞事；在未來的摩托車發動機上正確應用可變氣門正時，有望改善有形性能，包括其性能和經濟性，並確保更清潔的排氣。
那到底是什麼呢？
內燃機是一系列折衷方案。這些主要是因為我們要求他們提供如此多的靈活性。我們期望它們能夠輕鬆啟動並穩定在低轉速，平穩的滴答聲中，而下一剎那，我們呼籲同一台電機達到13,000rpm的轉速並抽出伸展手臂的功率。
更重要的是，我們都期望從溫順過渡到發生，沒有這麼多的道路上順利或打磨。那是在我們甚至開始考慮排放或經濟之前。
引擎設計人員朝各個方向努力，而作為客戶的客戶一旦未能達到我們的崇高期望，我們就會走開。
問題在於，這些目標中的每一個都需要與引擎本身不同的一組屬性。氣門正時尤其需要妥協。
氣門是四衝程發動機的重要組成部分。在每個活塞的這四個衝程中-吸氣，擠壓，爆炸，吹氣-每個氣門都有幾個關鍵時刻。簡單來說，進氣門在進氣（「吸氣」）衝程期間打開，這是因為活塞下降並將空氣和燃料的混合物吸入氣缸。它們閉合以產生壓縮（「擠壓」）衝程和點火（「 爆炸」）衝程。然後，對於排氣（「吹」）衝程，排氣門打開以允許排出廢氣，並允許整個循環再次開始。
為了打開和關閉，通過一個或多個凸輪軸上的凸角打開氣門，凸輪軸的旋轉速度是曲軸速度的一半，這是因為發動機需要旋轉兩圈才能完成一個四衝程循環。
簡單吧？
不幸的是，儘管基礎很簡單，但是細節變得有些棘手。
問題在於，為了使發動機發揮最佳性能，在相關衝程開始時，氣門不能簡單地打開和關閉。
取而代之的是，排氣門在點火衝程結束之前，在活塞到達下止點之前開始部分打開。然後，它們在排氣衝程結束後直至進氣衝程開始時保持部分打開狀態。
同樣，進氣門實際上將在排氣衝程結束之前開始打開，直到壓縮衝程開始之後才關閉。
造成這種情況的原因有很多，其中有些原因太複雜了，但其中包括以下事實：閥門無法立即打開-它們需要一段時間才能到達完全打開的位置-並且所產生的氣體進出圓柱體也不會立即做出反應。
發動機設計人員經常會用壓力波來談論這些氣體的運動。如果您想像通過發動機的氣體有點像水，則更容易設想。當閥門打開和關閉以允許它進出時，並且活塞移動，它左右擺動。將閥門調整到正確的時間，這些波將幫助迫使氣體通過它們。
問題在於，以13,000rpm完美運行的正時在2000rpm時可能並不理想，反之亦然。
特別地，進氣門和排氣門同時打開的時間絕對至關重要。所謂的氣門重疊，是指在進氣門關閉之前使進氣門開始打開，這有助於將進氣引入氣缸。排出的廢氣波在其後方形成一個低壓區域，在進氣門打開的情況下，該區域吸入了進氣混合物。
問題在於，選擇的氣門重疊量只會在特定的發動機轉速下起作用。高轉速時，很多重疊是好的。排氣中的壓力波有助於將更多的新鮮空氣吸入氣缸。完美地工作，實際上將幫助吸入比通常裝入氣缸的空氣/燃料混合物更多的空氣/燃料混合物，因此，它具有增壓效果，基本上可以產生通常需要更大氣缸才能達到的性能。因為我們正在談論令人難以置信的速度-每個氣門每秒以15,000rpm的速度打開和關閉125次，所以即使有明顯的重疊，進氣中未燃燒的燃料也沒有時間通過排氣門溢出。
但是在低轉速下，相同的重疊量將導致可怕的排放。在1200rpm的怠速下，閥門每秒僅打開10次，如果有很多重疊，則有足夠的時間使未燃燒的燃料逸出到廢氣中。在賽車發動機上沒問題，但是公路發動機需要符合排放法規，並且將未燃燒的碳氫化合物扔掉非常令人討厭。
最簡單的形式就是可變氣門正時在其中發揮作用。在未來幾年中，能夠改變進氣凸輪軸或進氣凸輪軸和排氣凸輪軸正時的發動機將變得越來越普遍。
VVT：簡史
現在已經開始在量產摩托車上使用的VVT，其中凸輪軸被「定相」，其正時提前或延遲，基本上類似於汽車上最常見的設計。
實際上，1980年在阿爾法·羅密歐Spider上看到的首款VVT汽車裝置基本上與當今仍很常見的類似。這個想法是進氣凸輪軸沒有牢固地連接到它的鏈輪上。取而代之的是一個「移相器」，它可以使它相對於鏈輪旋轉幾度，從而提前或延遲正時。
這些移相器通常設計為僅允許兩個位置。它們有兩個主要部分；固定在凸輪軸上的內轉子和由凸輪鏈條（或皮帶，在杜卡迪的情況下）驅動的外部鏈輪。內轉子的葉片可裝入外鏈輪的較寬的腔室中。通過使用發動機現有的機油系統和一組簡單的電子螺線管將發動機機油推到這些凸角的一側或另一側，以允許其進入或流出腔室，內轉子相對於內轉子移動（「定相」）。外部鏈輪。
2014年，杜卡迪大張旗鼓地將這種裝置帶到了Multistrada上，進氣和排氣凸輪軸上均裝有相位器。但是，川崎自2007年推出以來就一直在對GTR1400的進氣凸輪軸進行調相。雖然川崎的設計（如圖所示）僅在進氣凸輪上，並且相位只有27度（與杜卡迪相比為45度），但是本質上相似。
凸輪相位VVT的簡單性，以及製造商修改現有發動機來適應它相對容易的事實，這意味著它已經在汽車中佔主導地位，並且也有可能成為自行車中最常見的配置。
鈴木GSX-R1000
雖然這絕對不是首款配備VVT的摩托車，但鈴木的2017 GSX-R1000卻是首款採用可變氣門正時功能的全能超級摩托車。它也有一個非常聰明的純機械系統，從而消除了將其插入發動機機油系統的需要和電子螺線管致動器的需要。
該系統已經在公司的GSX-RR MotoGP摩托車上使用，而在MotoGP中，液壓和電子VVT系統均被禁止，這一事實真正推動了這種解決方案。這就排除了所有現有系統，並迫使鈴木橫向考慮是否希望獲得VVT提供的最低端bottom聲和高端功率的結合。
GSX-RR和GSX-R1000系統實際上非常類似於Ducati和Kawasaki使用的液壓凸輪相位器。像他們一樣，鈴木使用由兩部分組成的凸輪鏈輪-一半自行攜帶鏈輪，並由凸輪鏈條驅動（上頁和頂部）。另一個用螺栓固定在凸輪軸上（僅用於GSX-R1000的進氣凸輪，但是沒有理由該系統也不能應用於排氣系統。）
鈴木移相器的兩個半部通過在加工成兩個半部的徑向凹槽中運行的鋼球連接，而不是在充滿油的腔室中形成凸角。在鏈輪側，凹槽略微傾斜，而在凸輪軸的一半上，凹槽從中心直指，並朝外邊緣變淺。彈簧板將凸輪軸側壓向鏈輪側，並將滾珠夾在它們之間的凹槽中。
轉速低時，彈簧壓力將鋼球推向中心凹槽的較深部分。隨著發動機轉速的升高，鋼球的離心力將其向外推，並且由於鏈輪上凹槽的角度對齊，其效果是提前了凸輪正時。
聰明的系統意味著改變彈簧力會改變發生凸輪相位的發動機轉速。該設計還意味著，隨著轉速的增加，從延遲進氣凸輪正時到平穩進氣凸輪正時的轉換應該是平穩且逐步的。
毫無疑問，鈴木已為該設計申請了大量專利。
VVT系統在GSX-RR GP摩托車上似乎能很好地工作，因此我們有理由相信GSX-R的凸輪定相同樣有效。
那麼VTEC呢？
是的。您已經注意到我們沒有提及本田長期運行的VTEC系統。
本田是汽車世界中VVT的先驅者之一，在80年代後期引入了VTEC，與大多數系統不同，它不僅改變了氣門正時，而且改變了氣門升程和持續時間。它通過為每對氣門配備兩個凸輪凸角輪廓和兩組搖桿來實現。在低轉速下，使用較柔和的凸輪輪廓，同時使用更具侵略性的凸輪上的搖桿自由移動
在預定的發動機轉速下，電磁閥允許油壓將銷釘推到搖桿之間，將第二個搖桿鎖定在適當的位置，並發揮更積極的凸輪輪廓。
但是該系統僅用於本田汽車。
令人困惑的是，像VFR800（如圖）和CB400 Super Four這樣的自行車所使用的Hyper-VTEC系統是完全不同的。它實際上可以追溯到早在1983年在日本市場CBR400F上使用的較早的REV系統，並且通過以低轉速「關閉」每個氣缸中的兩個氣門來工作。同樣，螺線管和機油壓力用於迫使銷定位或錯位，但在Hyper-VTEC的情況下，它們實際上使凸輪挺桿與氣門桿接合或分離。該系統安裝在每缸四氣門發動機上，但每個汽缸僅安裝一個進氣門和一個排氣門。
在低轉速下，Hyper-VTEC氣門會脫開，這意味著發動機以氣門相對較小且凸輪輪廓較為保守的兩氣門發動機運行。這種組合提高了經濟性並增加了扭矩，因為小閥門提高了低轉速時的氣流速度。
在較高轉速下，系統接合第二個進氣門和排氣門，從而將發動機轉換為每缸四氣門模式。由於每個氣門都有自己的凸輪凸角，因此這些僅允許高轉速的氣門可以使用不同的凸輪輪廓，從而增加重疊度和升程，從而獲得更高的高速性能。
不利的一面是，許多人抱怨轉換太明顯，而且該系統增加了維修成本。本田似乎同樣沒有說服力，因為儘管它提供了紙上的優勢，但它從未做出很大的努力來將系統推廣到整個範圍。
未來該何去何從？
在過去的時間中，一直沒有迴避關於新的歐四排放標準以及製造商在達到這些標準方面面臨的困難的討論。現在它們生效了，但是由於下一代極限即將來臨，摩托車公司的空間很小。
很難在2020年和2021年分兩步推出歐五限制。第一次，可變氣門正時將成為企業必須考慮的選擇，以保持我們預期的性能，同時進一步減少排放。
很可能許多摩托車會採用杜卡迪和川崎所使用的那種凸輪相位設置。經過驗證的技術相對容易添加。但是，它在極限轉速方面有局限性，因此對於四缸超級摩托車可能不是理想的選擇。
鈴木的全機械配置看起來很有前途，具有經過種族驗證的背景，並且範圍有待進一步修改。該公司已經獲得了帶有電子控制裝置的專利版本，以改變轉換性能，以及適用於排氣凸輪軸和進氣的版本。有趣的是，一組專利顯示了該系統安裝在V型雙缸發動機上，也許暗示了未來的生產模型。
但是目前，每輛VVT自行車都只是摸索出了可能性。還有其他想法可以使這項技術進一步發展。
在摩托車方面，一個是鈴木的3D凸輪，它再次展示了一種優雅而簡單的解決方案。它基於具有從一端到另一端輪廓不同的細長凸輪凸角的想法。一方面，它們接近圓形，氣門升程極小，幾乎沒有或沒有重疊，但在另一端，同一個瓣可以具有種族風格的輪廓，具有激進的升力和很多重疊。通過沿凸輪軸滑動凸輪凸角來實現從一個到另一個的過渡。鈴木已經展示了不止一個概念引擎，並且已經開發了十多年。
3d凸輪凸角以其最終的外觀消除了對單獨油門的需求。相反，僅氣門升程可用於調節發動機轉速。這可以在性能，排放和經濟方面提供潛在的改善。
這不是一個新主意，在汽車世界中，多年以來一直可以購買無油門發動機。寶馬（BMW）憑藉其Valvetronic裝置是領先的指數。這使用改變搖桿支點的系統，以便在固定凸輪輪廓時，可以改變它們對氣門升程的影響。與兩個凸輪軸上的液壓氣門相位器一起使用以改變其正時，其結果是一個完全可變的氣門系統，可在沒有常規節氣門的情況下使用。
菲亞特的MultiAir發動機仍然更加全面。它的進氣門是計算機控制的，普通的凸輪軸在液壓系統上工作，該液壓系統將其運動傳遞給氣門。通過在特定時間釋放液壓，可以使進氣門稍後打開，更早關閉，甚至快速連續打開和關閉兩次。還可以通過釋放壓力來控制升力，從而無需節流閥。自2010年以來一直在生產，因此該技術已經過驗證。
所有這些系統的缺點是，與傳統的固定氣門正時和升程相比，它們昂貴，而且體積較大且具有更多的運動部件。
氣門正時和升程的極限可能來自將凸輪軸從等式中完全刪除的想法。幾家公司已經創建了原型發動機，它們完全依靠電子，氣動或液壓裝置來打開和關閉閥門，並由計算機控制其正時，持續時間和升程。Lotus，BMW，Renault和Ford等公司都是無凸輪想法原型的公司。但是目前，小型超級跑車公司Koenigsegg通過其子公司FreeValve似乎在技術上處於領先地位。它已經開發了幾種原型發動機，並且正在與中國汽車公司Qoros合作將該系統投入生產。
在其最終的發展過程中，具有完全可變的無凸輪氣門控制的發動機，以及由計算機獨立確定每個氣門的升程和正時的發動機，可以顯著提高性能和經濟性。此類發動機甚至有可能在四衝程和二衝程操作之間無縫切換，這聽起來像是誘人的前景。當然，這些也沒有限制。
缺少凸輪軸也意味著不需要凸輪鏈，皮帶或齒輪，氣缸蓋可以更小，更輕，並且整個發動機的運動部件也更少。
未來很有可能會看到無凸輪發動機與不斷改進的電動動力傳動系統並駕齊驅，而且沒有理由兩者都不應該成功。無論哪種方式，它們都有可能比我們今天可以夢到的東西更好。
