發動機的身體素質基礎——配氣相位

配氣相位這個詞，其實在我們剛開始接觸汽車的時候就應該聽說過。只不過很多朋友都沒有重視起來。在學發動機工作原理的時候，全都被進氣壓縮做功排氣這四個衝程給淹沒在腦海裡了。

殊不知，影響一臺發動機動力性和經濟性最直接的因素，就是配氣相位。並且現在發動機的熱門技術，什麼VVT，VTEC，甚至是阿特金森發動機，都是以配氣相位為基礎的。所以想吹和汽車有關的牛B，必須瞭解配氣相位以及它存在的意義。

在講配氣相位之前，我先給大家墊個底。我們都已經知道了四衝程內燃機的工作原理，在這個基礎上，我想請大家明白這幾點：

第一，進氣行程時往氣缸裡進的空氣或者混合氣越多，發動機在爆發衝程的時候就越有勁兒。這也是渦輪增壓存在的原因，讓氣缸裡儘可能的多充氣。同樣的，在燃燒完以後的廢氣，在排氣行程時排的越乾淨，下一輪的進氣才能越多。

第二，在進氣行程，活塞快速下行，這時汽缸內形成真空，進氣道內的空氣或混合氣進入汽缸內的速度會落後於活塞下行的速度。這會導致還沒進入足夠的空氣活塞就開始上行。並且活塞的速度越快，這種現象就越強烈，排氣時也是如此，由於排氣通道截面積有限，會造成排氣時汽缸內形成壓縮，從而對活塞造成阻力。

第三，氣門的升降，從最小的縫隙開到最大位置，也是需要時間的，而最大位置的時候，進氣和排氣才會最通暢。

第四，我們微觀地分析了進氣和排氣行程氣體的流動，稍加思考就可以認為，發動機換氣時候的質量好與不好，主要看氣門在什麼時候打開和關閉。而氣門在什麼時候打開和關閉，主要看活塞所處的位置。活塞所處的位置，和曲軸的轉角有關。

所以，用曲軸轉角來表示氣門的開閉時間，就是配氣相位。

我們最開始瞭解的四衝程內燃機工作原理是：氣門在活塞處於上止點或下止點的時候才進行開閉。其實不是這樣，我們看下圖左，叫配氣相位圖，活塞在上止點的時候，曲軸曲拐位於正上方，但是進氣門已經提前打開了。而活塞下行到下止點，曲軸從上止點到下止點轉了180度，而進氣門這時候還沒關閉。曲軸繼續旋轉，活塞繼續上行，到曲軸繼續旋轉到過了下止點近40度的時候，進氣門才關閉。然後到了上止點開始做功行程，在做功行程活塞還沒到達下止點，排氣門就開始打開了，並且排氣門打開會一直持續到過了上止點開始進氣行程的時候。

配氣相位圖（左）

我們把進氣門開始打開到活塞到達上止點時曲軸轉過的角度，叫進氣提前角；把從活塞到達下止點到進氣門完全關閉時曲軸轉過的角度叫進氣遲閉角；把排氣門開始打開到活塞到達下止點時曲軸轉過的角度叫排氣提前角；把活塞到達下止點時到排氣門完全關閉時曲軸轉過的角度叫排氣遲閉角。

在排氣行程快結束的時候，進氣門會提前打開，而排氣門也是在一直打開狀態。兩個氣門同時打開，並且持續一定的曲軸旋轉角度，叫氣門疊開角。

所有的四衝程內燃機，幾乎都要有這五個配氣相位。只不過不同設計標定的發動機，這五個角的角度大小不同。

我們去理解發動機設置這五個角的意義，必須先在腦海裡想象氣門、曲軸和活塞是快速工作的畫面。

現在我們開始瞭解這五個角度對於發動機工作的意義，也就是為什麼要弄這些所謂的提前角、遲閉角和疊開角。

首先是進氣提前角，因為氣門從開始打開到完全打開需要時間，並且空氣或混合氣從靜止狀態到最快的流速也是需要時間的，所以要讓進氣門在上一個循環的排氣行程的末期就開始打開，也就是活塞往上走還沒到上止點的時候就開始打開，這樣就可以讓活塞在進氣行程時有一個較大的進氣截面，和較快的進氣流速。從而促使更多的進氣。

進氣遲閉角的意義，剛才我們講了，空氣或混合氣在進氣管裡流動是有慣性的。另外一點，在壓縮行程開始，活塞向上運動的初期，這時汽缸內的壓力還是小於外部大氣壓的，進氣道內的空氣依然會往汽缸裡流動。所以在進氣道內的空氣停止往汽缸內流動的時候再關閉氣門，這時候是最好的，汽缸內進的其實最充足的。利用慣性進氣。

在所有配氣相位的這些角中，進氣遲閉角對發動機的影響最大。

排氣提前角，在做功行程的末期，也就是活塞還沒到下止點，排氣門就開始打開，這個時候汽缸裡仍然有做功時的壓力，但是這個壓力相對來講比較小，對於推動活塞下行的意義已經不大。反而可以利用這點壓力，來加速排氣的排出。所以在做功行程末期就提前打開排氣門。排氣門打開的一霎那，廢氣就被擠出去了。另外這樣做的話，等活塞上行時，排氣門已經完全打開，此時可減少活塞上行的阻力。再有一點，高溫廢氣提前排出，可以防止發動機過熱。

排氣遲閉角，在排期行程以後，活塞下行的一瞬間，這時氣缸裡壓力仍然大於大氣壓力。並且排氣管裡廢氣的流動會產生一定的速度，有速度就會有慣性，所以晚關排氣門就有助於廢氣的排出。

氣門疊開角，也叫氣門重疊角，這時候進氣門和排氣門在很短暫的時間同時打開。進氣道和排氣道在很短的時間裡會形成一個連通的狀態。此時雖然活塞處於上行階段，但是由於廢氣流動速度很快，氣缸裡的負壓仍然比較大，氣流在一定旋轉角度內是不會倒流進氣的，反而會讓排氣形成的真空加速進氣速度，實現快速掃氣。

這五個配氣相位的角度，必須經過工程師在研發階段嚴格的標定，如果標定不好，會帶來適得其反的效果。

從結構上來講，是什麼來決定氣門開閉的時間和角度？沒錯，就是凸輪軸上凸輪的位置，進氣凸輪和排氣凸輪都是鑄造在一根軸上的，從縱截面上來看，凸緣所處的角度就決定了氣門打開關閉的時刻，凸緣的高度，就決定了氣門升程的大小。因為是鑄造在一根軸上，所以這些都是不能改變的，但是發動機轉速在工作中是不斷變化的，所以傳統的內燃機的配氣相位只有在一個轉速範圍內可以發揮最大的功效。目前隨著發動機技術進步，我們都已經用上了可變配氣相位的發動機，就是凸輪軸凸緣的位置和高度，可以隨著發動機的轉速和負荷改變的。

請記住，需要改變的是氣門打開關閉的時間，和氣門升程。