如果您讀過汽車發動機工作原理一文，就會知道氣門。空氣/燃料混合氣進入發動機和廢氣排出發動機都要通過氣門。當凸輪軸旋轉時，凸輪軸用凸角（凸輪）推動氣門使其開啟，氣門彈簧則負責把氣門推回到關閉位置。
這是乙個項非常重要的工作，能對發動機在不同轉速下的效能產生巨大的影響.
在本文中，您可以了解到凸輪軸是如何影響發動機效能的。我們提供了一些精緻的動畫，向您演示不同構造的發動機（例如單頂置凸輪軸和雙頂置凸輪軸（dohc））的實際工作情況。之後我們來了解一些汽車所採用的調整凸輪軸的巧妙方式，這些方式使凸輪軸能更有效地處理不同的發動機轉速。
凸輪軸的關鍵之處在於凸輪。當凸輪軸旋轉時，凸輪隨著活塞的運動會及時地開啟/關閉進氣門和排氣門。因此，凸輪的形狀與發動機在不同轉速下的工作狀況有著直接的聯絡。
為了理解其中的原因，讓我們先想象一下乙個正在以極為緩慢的轉速運轉的發動機——10或20轉/分——在這種情況下，活塞需要幾秒鐘來完成乙個執行週期。而在現實中，正常運轉的發動機可不能這麼慢，但我們想象一下也無妨。在這樣慢的速度下，我們希望的凸輪形狀是：
活塞開始向下運動進入進氣衝程（稱為上止點即tdc）時，進氣門開啟。 活塞到底時，進氣門就會關閉。
燃燒行程結束以後，排氣門在活塞到底（稱為下止點即bdc）時開啟，在活塞的排氣衝程結束時關閉。
只要發動機一直在這種非常緩慢的速度下執行，這種良好的工作狀態就會一直持續下去。 但是，如果在轉速增加的情況下會如何呢？讓我們來仔細地研究一下。
在轉速為10-20轉/分的情況下執行良好的凸輪軸的構造，在轉速增加的情況下就不再適合了。發動機轉速達到4000轉/分時，氣門每分鐘要開閉2000次，即每秒33次。這樣，活塞的運動速度非常快，因而空氣/燃料混合氣進入氣缸的速度也非常快。
當進氣門開啟，活塞開始它的進氣衝程時，空氣/燃料混合氣在進氣流通管中開始加速，準備進入氣缸。活塞在進氣衝程到底時，空氣/燃料混合氣將以很高的速度運動。如果進氣門突然關閉，所有空氣/燃料混合氣會因受阻而無法進入氣缸。
通過延長進氣門開放的時間，當活塞開始壓縮行程時，高速執行的空氣/燃料混合氣的衝力會繼續迫使混合氣體進入氣缸。因此，發動機運轉得越快，空氣/燃料混合氣就運動得越快，我們希望進氣門開啟的時間也就越長。在高轉速的情況下，我們也希望氣門的開口更大些，這一引數被稱為氣門公升程，它由凸輪輪廓線決定。
下面的動畫將演示常規運轉的凸輪和推動氣門的凸輪在氣門正時方面的不同之處。 注意看，推動氣門的凸輪的排氣（紅圈）和進氣（藍圈）的週期有更多的重疊之處。正因如此，裝有這種凸輪的汽車在空轉情況下震顫感更強。
兩種不同的凸輪輪廓線： 按一下**鍵下的按鈕即可以在兩個凸輪間進行切換。 圓圈表明氣門開啟的持續時間，藍色代表進氣，紅色代表排氣。
氣門重疊（進氣門和排氣閥同時開啟）的情況在每個動畫的開頭都突出顯示出來。
任何既定的凸輪軸只會在發動機以某個特定轉速運轉時達到完美的執行狀態。當以其他轉速運轉時，發動機的效能就會降低。因此，固定的凸輪軸始終不是最佳之選。
這就是為什麼眾多汽車製造商相繼制定開發計畫，研製可變的凸輪輪廓線來適應發動機轉速的變化。
在發動機中有幾種不同的凸輪軸配置方式可供採用。 接下來，我們了解一些最常見的方式。 您可能曾經聽說過下列術語：
單頂置凸輪軸（sohc）
雙頂置凸輪軸（dohc）
推桿讓我們先來看看單頂置凸輪軸。
單頂置凸輪軸
這種設計的特點在於發動機的每個氣缸頭上只有乙個凸輪。因此，直列式4缸或直列式6缸發動機只有乙個凸輪；而v-6或v-8發動機有兩個凸輪（每個氣缸頭各乙個)。
按下凸輪驅動搖臂並開啟氣門，彈簧的作用是使氣門回到關閉位置。這些彈簧必須十分強勁，因為在發動機高速運轉時，氣門按下的速度很快，並且氣門正是通過彈簧與搖臂相連的。如果彈簧不夠強勁，氣門可能會脫離搖臂並被猛地吸回。
這種糟糕的情況將對凸輪和搖臂造成更多的磨損。
單頂置凸輪軸
單頂置和雙頂置凸輪發動機上，凸輪由凸輪軸通過皮帶或鏈條驅動，分別稱為正時皮帶或正時鏈條。這些皮帶和鏈條需要定期更換或調整。如果正時皮帶斷裂，凸輪會停止旋轉，活塞也會撞到開著的氣門上。
上圖為活塞撞擊開著的氣門時的情形。
雙頂置凸輪軸
雙頂置凸輪發動機每個氣缸頭有兩個凸輪，所以直列發動機有兩個凸輪，而v型發動機有四個。通常來講，在每個氣缸有四個或更多氣門的發動機上使用雙頂置凸輪軸，因為乙個凸輪軸上無法安裝足夠的凸輪來驅動所有的氣門。
之所以採用雙頂置凸輪軸是為了滿足更多進氣門和排氣門的需要。 更多的氣門意味著進氣和排氣更順暢，因為有更多的開孔供氣體流動。 發動機的功率也隨之增加。
之所以採用雙頂置凸輪軸是為了滿足更多進氣門和排氣門的需要。更多的氣門意味著進氣和排氣更順暢，因為有更多的開孔供氣體流動，發動機的功率也隨之增加。
頂桿發動機
與單頂置凸輪軸和雙頂置凸輪軸發動機一樣，頂桿發動機的氣門位於氣缸頂部的氣缸頭上。其主要的區別在於頂桿發動機的凸輪軸位於發動機缸體內，而不是在氣缸頭上。
凸輪驅動推桿通過缸體到達氣缸頭，進而推動搖臂。這些推桿增加了系統的慣性，使得氣門彈簧的負荷也增加了。這會限制頂桿發動機的轉速，頂置凸輪軸發動機取消了頂桿，使發動機獲得更高轉速成為可能。
頂桿發動機
頂桿發動機的凸輪軸通常是由齒輪或短鏈驅動的。通常情況下，齒輪驅動與皮帶驅動相比並不易斷裂，所以常常用於頂置凸輪軸發動機中。
可變式氣門正時
下面介紹幾種凸輪製造商改變氣門正時的新辦法。本田發動機所使用的一種系統稱為vtec。
vtec（可變氣門正時和公升程電子控制系統）是部分本田發動機上使用的機電系統，它允許發動機有多個凸輪軸。vtec發動機有乙個額外的進氣凸輪並有乙個搖臂與之相連。與其他凸輪輪廓線相比，這種凸輪輪廓線能使進氣門開啟的時間更長。
在發動機速度較低時，這個搖臂不與任何氣門相連；當發動機處於高速運轉時，活塞將額外的搖臂與控制兩個進氣門的兩個搖臂鎖定。
有的汽車採用一種特殊裝置以提高氣門正時效能。這種裝置並不延長氣門的開放時間，而是使氣門的開啟時間和關閉時間向後延遲，這是通過將凸輪軸多旋轉幾度來實現。如果進氣門通常在活塞到達上止點（tdc）前旋轉10度時開啟，並在到達上止點（tdc）後旋轉190度關上，那麼總的持續時間為旋轉200度所用的時間。
開啟和關閉的時間可以通過乙個機械裝置將凸輪多旋轉一點來進行調整。 例如，氣門可以在活塞到達上止點（tdc）後旋轉10度時開啟，並且在到達上止點（tdc）後旋轉210度時才關上。如果能在延後20度關閉氣門的基礎上增加進氣門開啟持續時間則更加理想。
法拉利已經通過乙個巧妙的辦法做到了這一點。法拉利發動機上的凸輪軸有乙個三維輪廓線，可以隨凸輪凸角的長度而變化。在凸輪的一端是乙個曲度不大的凸輪輪廓線，而在另一端是曲度較大的凸輪輪廓線，凸輪的構造使這兩種輪廓線很好地融合在一起。
採用一種能使整個凸輪軸橫向地滑動的機械裝置後，氣門就能咬合凸輪的不同的部分了。軸芯仍然像普通凸輪軸一樣旋轉，但隨著發動機速度和負荷的增加，凸輪軸會逐漸地橫向滑動，從而氣門正時得以優化。
一些發動機製造商正在試驗氣門正時無限可變系統。比如，為每個氣門按乙個電磁開關，這樣就能通過計算機而不是凸輪軸來控制氣門的開啟和關閉。有了這類系統，無論發動機的轉速如何，都能獲得發動機的最大效能。
這確實值得我們共同期待。
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