螺旋凸輪軸是一種機械的可變氣門致動（VVA）系統。更具體地，它是一種凸輪軸，其允許氣門開啟持續時間在寬范圍，連續，無級范圍內變化，并且所有增加的持續時間都處于全氣門升程狀態。

在本文中，“可變持續時間凸輪軸”是指一種凸輪軸，其設計旨在替代氣缸蓋中的常規凸輪軸，并通過常規從動件操作氣門。進一步的資格是：

• 持續時間范圍是無級且連續的
• 所有增加的范圍都在全氣門升程
• 該范圍足夠寬，甚至在極高的RPM時也能提供全部扭矩/功率
• 該范圍足夠寬，可以通過后期進氣門關閉（LIVC）來控制發動機負載
• 在所有持續時間設置中，閥門的開/關、加速等比率均在可接受的范圍內

這些年來必須進行鑒定，因為多年來有許多關于純機械可變持續時間凸輪軸的要求，但沒有一個能夠滿足所有這些要求。

螺旋凸輪軸距離很遠，屬于眾多普通的“同軸軸組合輪廓”凸輪類，這是克萊姆森大學最近的工作所代表的類型（其凸輪在原理上與許多其他凸輪基本相同，例如美國專利）。

螺旋凸輪軸的重要區別在于，該凸輪凸輪軸具有獨特的螺旋運動-兩個輪廓的周向和軸向組合運動。

可以增加持續時間，直到凸輪凸角的閉合齒面達到開口齒面為止– 720度。在典型的應用中，螺旋凸輪軸將具有連續的持續時間范圍，該范圍從用于行駛的通用發動機的大約平均水平（在正常氣門間隙測量到大約250度）到此之上的大約100或150度。

螺旋凸輪軸基本上通過從葉鼻的分叉線開始將打開和關閉側面彼此分開旋轉來影響其持續時間的變化。當側面移動分開時，鼻部區域被“填充”，其區域圍繞凸輪軸的旋轉中心具有恒定的半徑。隨著機頭恒定半徑的增加，從恒定半徑的基圓中刪除了相等的角度量。

對于所示的凸輪軸，最小持續時間與原始凸輪軸相同，約為260°，xxx持續時間為345°。

該機構是同軸軸裝置，其中外軸承載凸輪凸角的主體。凸輪凸角的主體處于xxx持續時間形式。

通常，主瓣體的持續時間約為450°。凸耳的軸向長度非常長，約為45毫米（1.8英寸），其輪廓由傳統的打開和關閉側面組成，在凸耳的鼻子上隔開了約170°的恒定半徑。凸角具有一個加工到其中的螺旋槽，該螺旋槽相對于凸輪軸的旋轉軸具有大約35°?的螺旋角。

狹縫的寬度等于凸角的閉合側面的角度范圍。狹槽的一個邊緣在170度恒定的鼻部半徑上對角線的整個長度呈對角線延伸。另一條邊被打磨，因此都在基圓水平上。實際上，該槽代替了凸輪凸角主體上的閉合側面。橋接狹縫的是一段凸角（厚約10毫米），該凸角被磨成閉合側面的輪廓。扇形段連接到內軸。狹縫的一個邊緣具有恒定的圓柱半徑，該半徑與波瓣的鼻子半徑相同。另一邊具有波瓣基圓的半徑。沿封閉齒側面段的每個邊緣的小區域與其相鄰的槽的邊緣具有相同的恒定半徑。

由于狹槽具有大約35°的螺旋角，外軸的任何軸向運動都會導致扇形塊旋轉，從而或多或少地暴露出機頭恒定半徑，從而改變了持續時間。

螺旋凸輪軸系統的基本或最短持續時間輪廓幾乎與標準生產發動機輪廓相同。螺旋凸輪軸的基本輪廓屬于通常與旋轉凸輪從動件一起使用的凸角形狀組，尤其是那些搖桿比例相當高的凸輪從動件，約為2：1。

該系列瓣廓的主要特征是具有短的瓣垂度。因此，該瓣具有非常圓潤的外觀（或“鼻尖”）。鼻部區域（圍繞凸輪軸的旋轉軸線）的曲率半徑通常非常接近在大約20度的角度范圍內的恒定半徑。螺旋凸輪軸要求該區域為真正的恒定半徑。在某些情況下，這需要從鼻子上去除小至0.25 mm（或更短）的距離。測量時，鼻子區域的加速度和加速度率略高于標準。

凸耳通常可以添加約150°的額外時間。提升表面的幾何形狀保持不變。由于持續時間的延長，提升率和總提升不必達到賽車凸輪的極限即可達到xxx的高端動力。

VVA（特別是可變持續時間）的“傳統”應用是使發動機RPM與氣門開啟持續時間匹配（這大致是VTEC所做的）。總體思路是提高高RPM性能，而不會出現長期的“賽車”凸輪相關問題，這些問題包括較低的RPM功率，粗糙的怠速等。隨著RPM的升高，發動機的持續時間通常需要大致線性增加。目的是在允許的RPM范圍內的每個點上最大化扭矩。這意味著，對于螺旋凸輪軸，RPM范圍內xxx功率點的舊概念不再適用。借助螺旋凸輪軸，動力會不斷增強，直到達到進氣系統的“呼吸”極限-或更可能是超過了發動機部件的機械強度極限。螺旋凸輪軸的典型250度至350度+持續時間范圍基本上意味著，適當健壯引擎可以“拉”強烈從約1500 RPM至也許20000 + RPM，并且仍然在500或600 RPM順利空轉。

從來沒有一個機械式VVA系統具有全升程的持續時間范圍或高RPM能力來執行此類操作。“無凸輪”電磁/液壓系統的持續時間/升程范圍確實與螺旋凸輪軸相似，但目前嚴格限制了它們的高RPM能力。

在某種程度上更實際的水平上，道路發動機的測功機測試表明，即使將螺旋凸輪軸的持續時間限制為僅增加約30度，在相同的RPM功率下，典型的道路發動機也可以將其功率增加25％至30％峰值作為標準凸輪–怠速和低RPM行為完全正常。

螺旋凸輪軸作為節油工具的應用可能比僅僅xxx化發動機的動力輸出更為重要。在鈴木GSX 250 cc發動機上對螺旋凸輪軸原型進行的測試表明，怠速行駛時的燃油經濟性有了顯著提高。這種特殊的螺旋凸輪軸的布置方式是，所有持續時間的增加都在進氣凸輪凸角的關閉側，進氣門的打開點在Suzuki GSX 250發動機上保持為標準。這樣做的目的是測試LIVC對怠速燃料消耗的有效性。

LIVC的基本目的是減少進氣泵的損失。這些泵送損失在怠速時xxx，隨著歧管壓力（和功率輸出）的增加逐漸減小。與裝有標準凸輪軸的同一個發動機相比，測試的鈴木發動機始終在怠速時的經濟性提高40％。這似乎不太可能，但是應該記住，據估計，閑置時使用的燃油中約有80％只是為了克服進氣泵的損失。因此，泵送損失的任何減少都會對空轉燃料的使用產生重大而直接的影響。隨著功率輸出的增加，40％會迅速下降，但對于典型的公路/交通使用的發動機，總體數字可能會提高10％至20％。怠速時燃油經濟性的驚人改善可能僅適用于化油器發動機，例如鈴木。現代化的多缸燃油噴射汽車發動機在螺旋凸輪軸上的表現還沒有經過測試。閑置經濟似乎有可能得到顯著改善，但可能不會達到40％-至少沒有其他修改就沒有。鈴木在晚收盤時空轉約55或60度時空轉。那是;?下死點后約120度。這意味著所需的總持續時間約為320度。LIVC的發動機負載控制需要很長的時間。通常，LIVC進行負載控制所需的持續時間要比高RPM功率所需的持續時間長得多，尤其是對于通用道路行駛應用而言。重要的是，當用于LIVC時，所有這些非常長的閥門打開持續時間，必須處于全氣門升程狀態。氣門升程必須xxx，以免阻礙進出氣缸的流量。流量的任何限制都會導致泵送損失，這將破壞LIVC的全部目的。

在討論了使用螺旋凸輪軸來幫助提高RPM功率以及通過LIVC進行負載控制后，應該明確的是，沒有理由不能在同一發動機上同時使用這兩種功能。實際上，螺旋凸輪軸原理僅適用于雙凸輪發動機。為了使動力輸出xxx化，進氣凸輪和排氣凸輪都必須是螺旋凸輪軸類型。高RPM性能所需的持續時間的增加在進氣和排氣凸輪上都必須大致相等，并且基本持續時間凸角輪廓中心線大約要對稱增加。僅對于LIVC操作，僅進氣凸輪軸需要是螺旋凸輪軸。借助雙螺旋凸輪軸裝置和適當的控制裝置，發動機既可以具有極高的動力輸出，又可以非常省油。

還有可能以直接功率為代價提高燃油效率。螺旋凸輪軸和LIVC的一般原理還允許使用非常高的壓縮比（CR）。這里的想法是使用很高的幾何CR，但通過LIVC限制壓縮壓力，以避免爆炸。燃燒后的膨脹率仍然很高。膨脹率從根本上將燃燒的燃料/空氣混合物的熱能轉換為可用的機械能。膨脹的熱氣體使活塞移動得越多，熱能轉化為有用功的熱量就越大，熱效率就越高。該一般原理通常稱為“?阿特金森循環””。（嚴格地說，阿特金森循環是指機械上具有不同長度壓縮和膨脹沖程的發動機。在現代實踐中，壓縮壓力受固定數量的進氣門后期關閉限制-與不同沖程長度具有完全相同的效果） 。使用阿特金森循環，增加的效率是以降低總功率為代價的。例如，如果發動機的幾何CR為18：1，則必須將其限制在其空氣/燃料混合物滿負荷的一半左右，以避免爆炸。由此產生的結果是，在滿負荷情況下，發動機將使用一半的燃料，但功率將不是等效的“普通”發動機的一半，而是大約三分之二或四分之三–最終是提高了熱效率。

螺旋凸輪軸將允許同時應用阿特金森循環和LIVC。高CR將允許在閑置時使用更多量的LIVC，從而進一步減少泵送損失并提高效率。最終的發動機將具有與柴油非常相似（或優于柴油）的燃料經濟性，并且可以使用更便宜的LPG燃料運行。與柴油相比，它的重量也更輕，制造成本更低。配備有這種發動機的汽車似乎比“混合動力”汽車更簡單，更便宜。（但是，配備了Helical Camshaft / Atkinson / LIVC發動機的混合動力車仍然更加經濟）。

目前，發動機研究的最新“時尚”領域之一是均質充氣壓縮點火（或HCCI）發動機。這相當于以類似于柴油機的方式在輕載或部分負荷下運行火花點火式發動機。HCCI要求非常快速，準確地改變壓縮壓力，以使或多或少受到控制的壓縮點火不會突然發展為成熟的爆炸。螺旋凸輪軸的主要優勢之一就是可以做到這一點。然而，似乎容易控制的LIVC（具有或不具有Atkinson高CR效果）比具有xxx風險的HCCI過程是控制發動機的簡單得多的方法–懷疑HCCI是否比LIVC更省油，等等。 。

通過沿縱向（或軸向）方向移動同軸裝置的外軸，可以改變螺旋凸輪軸的持續時間。螺旋凸輪軸的螺旋角可能總是保持在30到35度左右。螺旋角的起源是所用段的寬度（通常約為10毫米或0.39英寸），以及在葉鼻上半徑恒定的20度區域（通常為7毫米長）。因此，橫跨該區域的對角分界線通常必須與凸輪軸的軸線成約35度。換算為每毫米軸向運動大約3.5（曲軸）度。30毫米（1.2英寸）的移動會產生105度的持續時間變化。

軸向移動軸所需的力很小，因此，當單獨使用螺旋凸輪軸進行LIVC負載控制時，軸向運動可能會直接和機械地連接到油門踏板。同樣，如果將螺旋凸輪軸用于提高高RPM功率，則只能使用簡單的獨立式離心控制器/執行器。

使用離心控制器/執行器，一些原型可以很好地運行。如果需要操作螺旋凸輪軸以同時使用LIVC和凸輪的高RPM方面，則可能需要在每個凸輪上使用液壓致動器才能使用LIVC。每個螺旋凸輪軸還需要一個用于高RPM的相變機構。在低轉速和部分負載的情況下，螺旋凸輪軸將全部采用LIVC。在高RPM和滿負載的情況下，仍然需要從螺旋凸輪軸上獲得較長的持續時間，但是相變機構將需要將“全開側”持續時間的增加更改為更對稱的持續時間的增加。所有這些都可以機械地完成，但明智的安排可能是使用計算機/微處理器的外部供電安排，以挑選出所需的LIVC量和定相。對于HCCI操作，情況不太清楚，但是改變壓縮壓力所需的非常短（因此非常快）的軸向運動似乎使Helical Camshaft非常適合此過程。

該系統的缺點是其成本。即使它是一個相當簡單的設備，它也需要非常精確的螺旋加工和非常仔細的組裝。螺旋凸輪軸原型的加工和材料成本通常約為1500美元。^[這個數字將xxx減少產量。與傳統的凸輪軸相比，螺旋凸輪軸的成本實際上只有很高，據報道，傳統凸輪軸每單位制造成本僅為幾美元。這個事實的確會使螺旋凸輪軸看起來比實際價格昂貴。話雖如此，螺旋凸輪軸（和相關的控件等）的成本可能與其他生產VVA系統非常相似（甚至更便宜）。

各種原型從未表現出任何磨損或極限強度（斷裂）在許多個小時的測試問題（有些在非常高的RPM）它們經歷。但是，由于量產車的凸輪軸在理想情況下必須在車輛的使用壽命內持續使用，因此在進行真正的長期測試之前，還必須存在一些疑問。但是，有跡象表明，可能不會存在無法解決的長期問題。

螺旋凸輪軸必須通過成倍增加的樞轉從動件進行操作。螺旋凸輪軸不能真正與倒斗式從動件一起使用。即使仍然使用倒置鏟斗，但在道路和賽車發動機中，越來越多的倒立鏟斗被“手指”從動件取代。除了需要一個旋轉的隨動件外，如果發動機每個氣缸有四個氣門，則必須對從動件進行分叉，以使一個螺旋凸輪軸凸角可操作兩個氣門。這比問題更重要。如果需要非常寬的持續時間范圍，由于沿凸輪軸的軸向空間有些受限，通常只能找到一個螺旋凸輪軸凸角的空間（及其工作空間）。

螺旋凸輪軸不能持續很短的時間或可變升程。許多公司和制造商似乎已經表明，他們的特殊VVA系統產生的持續時間非常短，而且由于他們別無選擇，因此產生了相關的低氣門升程，這是一種優點。

在Valvetronic型擺動凸輪設置中，沒有任何物理原因可以使螺旋凸輪軸不能成為“驅動”凸輪。（但這將是非常復雜的，并且該裝置的Valvetronic部分將限制螺旋凸輪軸的高RPM能力）。結果將是令人難以置信的可能的持續時間/提升組合。這在研究中可能非常有用。但是，在現實世界中，可能有95％的組合與四沖程循環沒有真正有用的關聯。當然，這在某種程度上也適用于螺旋凸輪軸。很難想象超過400度的用途–螺旋凸輪軸可能還有300度左右的角度。