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2023-07-05
气门开闭时刻的优化与改进
【摘要】：换气过程是尽可能把气体在小阻力下吸入和排出的过程，因此气门的打开/关闭时刻非常重要。图7-14 气门打开/关闭时刻高功率发动机在高转速条件下，气门打开/关闭持续时间短，气体的运动能量大，为了增大进气量，应采用大的气门重叠量。进气门的打开时刻 在进气行程利用气缸内的负压向气缸内吸入空气。涡轮增压式发动机的增压压力越高，排气门的关闭时刻就会越延迟。表7-3 气门的打开/关闭持续时间需求值
换气过程是尽可能把气体在小阻力下吸入和排出的过程，因此气门的打开/关闭时刻非常重要。气门打开/关闭时刻（气门正时）不仅与容积效率有关，与减压排放、泵气损失、气门重叠量的残留废气量有密切的关系，因此对发动机的输出功率性能、燃油消耗性能和排气性能具有很大的影响。
气门打开/关闭时刻主要是选择向气缸内吸入尽可能多的空气，即有效利用气体的运动能量提高容积效率为前提。为此，气门打开/关闭时刻不仅与发动机的转速和负荷的不同而改变，传统发动机与高功率发动机相互也不同。小重叠量传统发动机与大重叠量高性能发动机（或涡轮增压式发动机）的气门打开/关闭时刻线图如图7-14所示。
图7-14 气门打开/关闭时刻
高功率发动机在高转速条件下，气门打开/关闭持续时间短，气体的运动能量大，为了增大进气量，应采用大的气门重叠量。如果气门重叠量大，尤其是在高转速条件下，可以更好地利用惯性增压效果的有利点。涡轮增压式发动机也设计为大气门重叠量。多种汽油机的气门打开/关闭时刻见表7-2。
（1）进气门的打开时刻 在进气行程利用气缸内的负压向气缸内吸入空气。进气门前后的压力差较小，流速也低。在气门打开的初期，空气的流通面积小，压力差也小，因此在15℃A左右期间没有气体的流动，把此角度称为无效角。因此，以无效角相同量提早打开进气门，并延迟关闭排气门。
传统发动机的进气门的打开时刻（IVO）约为上止点前（BTDC）5℃A，因此在上止点前打开，使进气行程开始时有效空气流通面积变大。涡轮增压式发动机的进气系统内压力大于气缸内压力和排气系统内压力，因此在上止点前（BTDC）30℃A左右提早打开进气门，提高容积效率。如果传统发动机过早打开进气门，在节气门的节流作用下，进气系统内压力低于排气系统内压力，会使燃烧气体逆流进入气缸，使残留废气量增加。气缸内残留废气量的增加会导致燃烧变化，这种现象在点燃式发动机上很明显。
表7-2 汽油机的气门打开/关闭时刻
*NASCAR：美国赛车协会联盟。
（2）进气门的关闭时刻 进气门的关闭时刻（IVC）为传统发动机在下止点后（ABDC）30°～60℃A，越是高功率发动机越延迟关闭。F-1赛车用进气门的关闭时刻为下止点后（ABDC）70°～90℃A。
忽略进气门的关闭时刻影响容积效率的压缩性和动态效果的简单模型结果如图7-15所示。活塞平均速度因与发动机的大小无关显示发动机转速，因此以变量使用。从图中可以看出，在低速状态下，如果延迟进气门的关闭时刻，容积效率会降低；在高速条件下，如果提前进气门的关闭时刻，容积效率会大幅度降低，这会限制发动机的最大输出功率。
图7-15 进气门的关闭时刻
（3）排气门的打开时刻 排气门打开初期，气缸内的压力高，排气系统内的压力在临界压力以下，因此燃烧气体从排气门以音速排出。排气系统内的压力在排出燃烧气体的作用下会上升，两者的压力差会减小。因此，燃烧气体在排气行程初期在燃烧气体压力的作用下排出，其后在上升活塞的驱赶下排出。把前者称为减压排放，把后者称为压缩排放。
排气门打开时刻（EVO）的设计为，在低速发动机上延迟以增大膨胀功，在高速发动机上提前。因排气门提前打开导致的减压排放损失（膨胀功减小）通过排气行程泵气功的减小来补偿。涡轮增压式发动机在提早打开排气门时导致的膨胀功的减小，通过涡轮回收排气能量来进行补偿。排气门的打开时刻（EVO）通常为下止点前（BBDC）40°～60℃A。
（4）排气门的关闭时刻 为了缩短气门重叠量，排气门的关闭时刻（EVC）通常为上止点后（ATDC）5°～20℃A，越是高性能发动机越会延迟关闭。排气门的关闭时刻（EVC）越迟，残留废气量就会越多，端口喷射汽油机喷射的燃料会直接通过排气系统排出。涡轮增压式发动机的增压压力越高，排气门的关闭时刻就会越延迟。
（5）气门重叠 气门重叠是进气门与排气门都处于打开的期间。进气时为了充分利用混合气的惯性力，在活塞到达上止点前打开进气门，排气时为了充分排放燃烧气体，以提高容积效率，在活塞到达上止点后关闭排气门，因而在活塞上止点前后存在进气门、排气门均处于打开状态的范围，即气门重叠区域。
通常，气门重叠量的设计是以增加新气量（或提高容积效率）为目的的。图7-14a所示为小气门重叠量传统发动机的气门正时线图，气门重叠量约为15℃A；图b是大气门重叠量高功率汽油机的气门正时线图，气门重叠量约为65℃A。尤其是，赛车用发动机的气门重叠量约为120℃A，采用较大的量。气门重叠量大，在高转速状态可以很好地利用动态效果，排气行程时可以利用排气系统内的气流惯性，促进废气的排放（或扫气），进气行程时可以获得脉动效应，提高容积效率。
内部废气再循环（EGR）表示在气门重叠的状态因进气系统内压力低于排气系统内压力，排气系统内的排放气体会通过气缸逆流到进气系统的现象。这区别于把排气系统内的排放气体通过废气再循环（EGR）导管引入到进气系统的外部废气再循环（EGR）系统。内部废气再循环（EGR）量随进气系统内负压的大小和气门重叠量的改变而发生变化，因此利用可变气门正时（CVVT）系统，根据发动机的运行条件设置最佳的气门重叠量，以通过最佳内部废气再循环（EGR）量提高输出功率性能，降低燃料消耗率和废气的排放量。各种运行领域内气门的打开和关闭持续时间需求见表7-3。
表7-3 气门的打开/关闭持续时间需求值
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