换气过程：气门重叠现象研究

四冲程发动机的换气过程始于排气门开启，止于进气门关闭，占400°～500°曲轴转角。根据气体流动特点，一般将此过程分成五个阶段，如图2.1所示。

图2.1　四冲程发动机的换气过程

一、自由排气阶段

图2.1中b′-b阶段表示从排气门开启至气缸内压力接近于排气管内压力，这一阶段是自由排气阶段。其气体流动特点是废气在压差作用下自由排出气缸。

由于受配气机构及其运动规律的限制，排气门不可能瞬时完全打开，气门开启有一个过程，其流通截面只能逐渐增加到最大。在排气门开启的最初一段时间内，排气流通截面很小，废气排出的流量小。如果排气门刚好在膨胀过程的下止点才打开，气门升程小，排气流通截面小，排气不畅，气缸压力下降迟缓，活塞在向上止点运动强制排气时将大大增加排气过程的活塞推出功。所以发动机的排气门都需要在膨胀过程到达下止点前的某一曲轴转角位置时提前开启，这一提前角度称为排气提前角。排气提前角的范围为30～80℃A，这要由发动机的工作方式、转速、增压与否来定。

排气门打开后，气体的流动状态经历了超临界流动和亚临界流动两个阶段的变化。

自由排气阶段初期，压差很大，气流呈超临界状态（气缸内压力p高于排气管内压力pp的2倍），气体流速最大值等于该处在气体状态下的声速（可能达到500～600 m/s），并伴有刺耳的噪声，此时排气量与排气门前后压力差无关，只取决于气门开启面积和气体的状态。

自由排气阶段后期，气流呈亚临界状态（气缸内压力低于排气管内压力的1/2），此时气流平稳无噪声，排气量取决于排气门前后的压力差。

自由排气阶段到下止点后10～30℃A结束。这一阶段虽然只占总排气时间的1/3左右，且排气门开启流通截面也较小，但因流速很高，排出的废气可达总量的60％以上，所以这一时期也是排气阻力最大、噪声最大的时期。

二、强制排气阶段

图2.1中b-2段表示最大从自由排气阶段结束，活塞上行推出废气至排气门关闭，这一阶段为强制排气阶段。

排气通道，特别是排气门开启处的阻力使强制排气阶段内的气缸平均压力比排气管内平均压力（排气背压）略高一些（约10 kPa），且流速越高，阻力与压差越大，即排气耗功越多。

若在上止点时关闭排气门，则需在上止点之前就开始将其关小，这样就会产生较大的节流作用，此时活塞还在向上运动，致使缸内压力上升，排气耗功和残余废气量都会增加。同时，排气至上止点时，废气尚有一定流动能量，可利用气流的惯性进一步排出废气。因此，排气门应在活塞过了上止点后才关闭。从下止点到排气门完全关闭这段曲轴转角称为排气迟闭角。排气迟闭角一般为10～35℃A。(www.xing528.com)

活塞从下止点向上止点运动，将废气推出气缸。此时气缸内压力略高于排气管内压力，气流平缓，排气量取决于活塞运动速度及气门开启程度。

三、扫气阶段

图2.1中2-1段表示从进气门开启到排气门关闭，这一阶段是扫气阶段。此时进、排气门同时打开，废气在惯性作用下继续排出，新鲜工质开始进入气缸。有些发动机进气在螺旋管道作用下产生旋流，还能起到挤出废气的作用。

四、充气阶段

图2.1中1-a段表示从排气门关闭到进气行程结束（活塞运动到下止点），这一阶段是充气阶段。活塞在从上止点运动到下止点的过程中，气缸内压力低于进气管内压力，新鲜工质在负压作用下被吸入气缸内。

五、后充气阶段

图2.1中a-a′段表示从下止点到进气门关闭，这一阶段是后充气阶段。此时利用气流惯性和波动效应使新鲜工质继续流入气缸，从而提高充量系数。

在排气过程中，由于排气门在开启初期气流通过截面太小，废气无法畅通排出。如果排气门在下止点开启，则势必造成气缸内压力太高，活塞上行阻力大，排气过程消耗的功率较多。因此，排气门在活塞运行到下止点前就应被提前打开，在到达下止点时，排气门已具备了必要的开度。从排气门开启（b′点）到下止点的曲轴转角被称为排气开启提前角，一般在20°～80°。当活塞运行到上止点时，由于废气有一定的流速，可以利用气流的惯性进一步排出废气，从而降低排气终了时气缸内的压力，为充入更多的新鲜工质打好基础。因此，排气门在上止点后才关闭。从上止点到排气门关闭（1点）的曲轴转角被称为排气关闭延迟角，一般在0°～30°（多气门发动机可能出现负值）。

在进气过程中，为保证新鲜工质能顺利地进入气缸，进气门也要被提前打开。从进气门开启（2点）到上止点的曲轴转角被称为进气开启提前角，一般在0°～30°（多气门发动机可能出现负值）。进气过程终了时，因为进气流速较高，可以利用惯性更多地充入新鲜工质，从而提高进气终了压力，因此进气门也需滞后关闭。从下止点到进气门关闭（a′点）的曲轴转角被称为进气关闭延迟角，一般在20°～80°。

由于排气门的延迟关闭和进气门的提前开启，换气过程中存在着进、排气门同时打开的现象，这种现象被称为气门重叠。气门重叠（2-1点）的曲轴转角被称为气门重叠角，一般在0°～50°。增压发动机的气门重叠角较小。适当的气门重叠角可以利用新鲜工质挤出部分残余废气，但气门重叠角太大，就可能发生废气倒流而进入进气管道的现象。

为直观地表述进、排气门开、闭的曲轴转角以及相对于上、下止点的位置关系，我们用配气定时图来表示。图2.2所示为四冲程发动机配气定时的大致范围。

图2.2　四冲程发动机配气定时的大致范围