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內燃機引擎都擁有的特性,就是必須依靠高轉速來擠出更多的動力輸出,每具引擎因設計與用途的差異而有所不同,但通常轉速較高的引擎在低轉時就顯得疲弱,而轉速設定較低的引擎在高轉時動力也會明顯下滑,這箇中的奧妙除了活塞與缸徑之間的設定之外,另一個決定性的因素就是進氣構造。

第一輛可變汽門引擎的汽車Alfa Romeo Spider 2.0L 圖片來源:FavCars.com

在汽車的領域於1983年就有可變汽門技術的車款問世(上圖)。同年,本田推出搭載REV技術(VTEC前身)的CBR400F成為第一輛可變汽門摩托車,隨著工業技術的進步與發展,過去在昂貴的汽車才有的可變汽門技術,現在已經普遍到幾乎每台”汽車”都具備的科技了。
HONDA REV汽門調節控制(Revolution-modulated valve control)

1983 HONDA CBR400F為世界第一台可變汽門的摩托車

在摩托車方面因為引擎體積較小,過去要將可變汽門結構放進摩托車引擎相對困難,即便已經有CBR400F、GSF400V等車款問世,但可變汽門仍未被廣泛使用在摩托車上;隨著車用科技不斷的發展改變,才有越來越多摩托車廠發展出屬於自己的可變汽門技術。

四行程引擎是透過一連串進氣、壓縮、爆炸、排氣的循環運轉,而進氣行程占了整體效率相當重要的一環,決定汽門的開啟時間跟揚程的就是凸輪的形狀了,常見的仿賽重機因為需要在高轉速時維持大量進氣,所以通常採用了高角度凸輪,以增加汽門揚程進而增加進氣效率,但如此一來在低轉速的動力表現和燃燒效率就成為了罩門。

高轉速賽道名機YZF-R6仿賽車款就使用的高角度凸輪來榨出大馬力

了解可變汽門之前,先帶大家了解汽門正時(Valve timing)、汽門重疊(Over Lap)這兩個專有名詞,汽門正時簡單來說就是汽門開啟與關閉的時間點;而汽門重疊指的是進/排氣汽門均在”開啟狀態”;一般的觀念裡通常認為當排氣汽門完全關閉時進氣汽門才會開啟,但在某些追求高馬力的車款上會刻意讓進氣汽門在排氣汽門尚未完全關閉時就逐漸開啟。這是因為當活塞下行利用負壓吸入空氣時,會因為油氣本身的質量及阻力影響,往往讓汽缸吸入的油氣未能達到飽和,所以工程師在設計時會讓進氣汽門開啟正時提前,同時將排氣汽門關閉的正時延後,藉此增加汽缸吸入空氣的時間,每一次排氣汽門未完全關閉/進氣汽門逐漸開啟的現象即是”汽門重疊“。

淺綠色區塊為汽門重疊區域

汽門重疊的量化單位則稱為”汽門重疊角“,計算的方式為『進汽門早開角+排汽門晚關角=汽門重疊角』,如果汽門疊角為”0″則代表進/排汽門不會同時開啟,反之汽門疊角越大同時開啟時間越長;在引擎低轉或怠速時因為要兼顧省油及怠速穩定等,不需要藉由汽門重疊來增加進氣效率,否則容易發生怠速不穩、燃燒不完全等問題;高轉速時需要大量的新鮮空氣,透過較大的汽門重疊角或揚程提升進氣效率,以提升引擎的動力表現。

但大部分的摩托車引擎沒有汽門可變機構,是用固定的汽門條件應付全部轉速域,所以過去就有仿賽車低轉速非常虛,而著重低轉的車款高轉速也難以兼顧的情形,為了消彌這個問題所以誕生出可變汽門技術。進氣系統的設計直接影響到引擎的動力特性及出力大小,為了兼顧低、中、高轉不同速域的進氣需要,於是機車界發展出諸如HyperVTEC、Testastretta DVT、SR-VVT等各式的可變汽門技術。透過各種液壓迴路或旋轉慣性力來驅動,達成改變進氣特性的目的。

Hyper VTEC的代表車種HONDA CB400 Super Four

Hyper VTEC
然而,提到摩托車界的可變汽門發展,HONDA自豪的Hyper VTEC絕對值得大書特書一番,1999年首次搭載於CB400 Super four上面的Hyper VTEC,其實是由REV技術衍生而來,一樣都是運用在每缸四汽門發動機上面,差別在於REV運用在SOHC引擎,新的Hyper VTEC則運用在DOHC引擎之上。

REV可變汽門運作方式

不同於常見的VVT(可變汽門正時)、VVL(可變汽門揚程)技術,本田研發的Hyper VTEC是透過液壓機構推動插銷改變汽門動作,低速時汽門連桿與凸輪軸頂蓋之間預留的空間,讓低速時凸輪軸無法推動其中1進1排汽門,每汽缸以兩汽門方式運轉以達到省油的效果,高轉速時液壓推動插銷填補了預留的空間,使高轉速時每汽缸恢復四汽門的高進氣效率,進而達到低轉省油/高轉大馬力的雙重特性。

低速時Hyper VTEC機構會讓引擎維持每缸兩汽門運轉

Testastretta DVT
在2014年DUCATI發表了連續可變汽門正時技術的Testastretta DVT引擎,並且將它採用在DUCATI Multistrada 1200 與XDaivel兩款車上;接著日本的SUZUKI也於去年發表了第一款用在”市售仿賽重機“(GSX-R1000/R)的可變汽門技術SR-VVT,讓摩托車發展創造了更多的可能性。

從國外DUCATI官方影片可以看出來,當Testastretta DVT機構開始改變後,進汽門在活塞達到上死點之前就開啟了,而排汽門則是到活塞達到上死點都還沒完全關閉,藉由這樣的改變可兼顧高轉速與低轉速不同的特性,達到省油、強化動力表現的目標。
Testastretta DVT(Desmodromic Variable Timing)做動原理

從效果的層面來看,加入了可變汽門的車款可以藉由改變進氣特性,低速時減少汽門重疊角,此時油氣的流速較緩慢,提供了省油、怠速穩定、低轉扭力充足等優點;在高轉速下引擎需要更多的空氣,藉由改變汽門正時加大汽門重疊角,在排汽門完全關閉前開啟進汽門,此時因為進氣岐管的空氣進入氣缸內,將燃燒室裡的廢氣加速排出,使燃燒室中的空氣流量最大化,進而得到更高的燃燒效率與動力表現,同時也兼具省油的效果。

即將在全球上市發售的2017 GSX-R1000就搭載專利的SR-VVT可變汽門技術

SUZUKI SR-VVT(SUZUKI Racing Variable Valve Timing System)
2017 GSX-R1000/R做為第一輛可變汽門技術的市售公升級仿賽車,GSX-R1000 L7具有著重要的意義,首先這是從MotoGP賽場上研發並下放的技術,跟上述所有技術不同的是SR-VVT完全沒有液壓結構,完全透過溝槽內鋼珠的離心力推動壓板,進而達到改變汽門正時的效果。單從數據上來看改款後202ps/13,200rpm的動力表現已經說明了一切。(前代187ps/12,000rpm)

圖為SUZUKI SR-VVT可變汽門正時機構

現階段在二輪界的汽門可變正時有Multistrada 1200(Testastretta DVT)、 GSX-R1000(SR-VVT)、GTR1400(MIVEC衍生技術)三種,改變汽門揚程的有KYMCO VVCS、YAMAHA VVA,而HONDA Hyper VTEC則是改變汽門運轉數量讓進/排氣效率發生變化,雖然各家的做動原理與效果各有不同,但最終的目的都是讓動力表現更好,並且增進燃燒效率、油耗與更寬廣的實用轉速。

以CB400 SF來說,Hyper VTEC強化了四缸引擎低轉速扭力輸出,用更低的轉速巡航連帶提升了油耗表現,開啟四汽門後突然的加速力道與高亢的排氣聲浪更是一絕;另一方面DUCATI Multistrada 1200採用的的Testastretta DVT技術可以同時改變進/排汽門正時,提升了可用轉速及最大馬力(160hp/9,500rpm),並在最大扭力提升的同時所需的轉速卻能降低;隨著科技發展與金屬工藝提升,相信未來會有越來越多的可變汽門”機車”出現在你我身邊。


YAMAHA Bluecore VVA(Bluecore Variable Valve Actuation)做動原理

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