影響發(fā)動(dòng)機(jī)最佳點(diǎn)火提前角因素的對(duì)比分析

劉軍 楊慶利 李奎

摘要：發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火提前角影響汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放等性能指標(biāo)，為加深對(duì)最佳點(diǎn)火提前角受相關(guān)因素影響的理解，本文對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)最佳點(diǎn)火提前角的影響因素進(jìn)行了梳理與分析。

關(guān)鍵詞：最佳點(diǎn)火提前角;影響因素;對(duì)比分析

中圖分類號(hào)：TK441+.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）16-0046-02

0? 引言

目前，汽車電子控制點(diǎn)火系統(tǒng)（ESA）可監(jiān)控各項(xiàng)影響發(fā)動(dòng)機(jī)最佳點(diǎn)火提前角因素，并對(duì)點(diǎn)火提前角進(jìn)行修正，可使發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際點(diǎn)火提前角接近最佳點(diǎn)火提前角。計(jì)算機(jī)控制點(diǎn)火系的點(diǎn)火提前角由三部分組成：初始點(diǎn)火提前角（又稱為原始點(diǎn)火提前角）、基本點(diǎn)火提前角和修正點(diǎn)火提前角。即實(shí)際點(diǎn)火提前角=初始提前角+基本提前角+修正提前角，如圖1所示。

1? 最佳點(diǎn)火提前角概念與實(shí)現(xiàn)最佳點(diǎn)火提前角意義

混合氣從點(diǎn)燃到燃燒終了需要一定時(shí)間，在混合氣燃燒的同時(shí)，活塞、曲軸也在運(yùn)轉(zhuǎn)。從點(diǎn)火時(shí)刻到活塞到達(dá)上止點(diǎn)的這段時(shí)間內(nèi)曲軸轉(zhuǎn)過的角度稱為點(diǎn)火提前角。

發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室壓力最大值出現(xiàn)在活塞到達(dá)上止點(diǎn)后，曲軸轉(zhuǎn)角10～15°時(shí)，所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)火時(shí)刻，即為發(fā)動(dòng)機(jī)最佳點(diǎn)火提前時(shí)刻。從點(diǎn)火到活塞到達(dá)上止點(diǎn)這段時(shí)間內(nèi)，對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角即是發(fā)動(dòng)機(jī)最佳點(diǎn)火提前角。

理論上最小點(diǎn)火提前角為0°。為了防止在做功行程才點(diǎn)燃混合氣，造成動(dòng)力損失，往往將點(diǎn)火提前角設(shè)為5°以上，這也是啟動(dòng)轉(zhuǎn)速所需要的角度。最大點(diǎn)火提前角也不能太大，一般不能超過60°，否則振動(dòng)和溫升問題將凸顯，發(fā)動(dòng)機(jī)效率也將下降。

最佳點(diǎn)火提前角的意義是在各種不同工況下，使氣體膨脹趨勢(shì)最大段處于活塞做功下降行程，這樣效率最高，振動(dòng)最小，溫升最低。可以獲得最大的能量轉(zhuǎn)換效率，獲得最好的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)學(xué)、排放性綜合指標(biāo)。

2? 影響發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火提前角的因素與分析

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速

影響點(diǎn)火提前量最大的因素是轉(zhuǎn)速。假設(shè)氣缸內(nèi)混合氣燃燒速度相同的前提下，從點(diǎn)火到混合氣燃燒終了的時(shí)間固定，隨曲軸角速度增加，點(diǎn)火提前角對(duì)應(yīng)呈線性增加，此時(shí)的曲軸轉(zhuǎn)角即隨著轉(zhuǎn)速的提升而增加，對(duì)應(yīng)的點(diǎn)火時(shí)刻相應(yīng)提前，如公式（1）所示?？衫斫鉃殡S轉(zhuǎn)速增加，轉(zhuǎn)過同樣角度的時(shí)間變短，只有更大的提前角才能得到相應(yīng)的提前時(shí)間。

ω=θ/t（1）

2.2 負(fù)荷

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增加時(shí)，相同轉(zhuǎn)速下，發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度更大，產(chǎn)生更大的進(jìn)氣量和對(duì)應(yīng)的噴油量。燃燒室內(nèi)吸入更多的混合燃?xì)?，在相同壓縮比的情況下，在活塞達(dá)到上止點(diǎn)時(shí)燃燒室內(nèi)的溫度和壓力更大，導(dǎo)致燃燒速度更快，減少了從點(diǎn)火到燃燒終了的時(shí)間。根據(jù)公式（1），將同款發(fā)動(dòng)機(jī)在重載和輕載的不同工況下，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于相同轉(zhuǎn)速時(shí)，對(duì)應(yīng)的點(diǎn)火提前角θ會(huì)隨混合氣燃燒時(shí)間減少而相應(yīng)減小，因此隨負(fù)荷增大最佳點(diǎn)火提前角應(yīng)減小。

2.3 辛烷值

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)選用不同辛烷值的燃油時(shí)，抗爆性好的油品可以使用更大的點(diǎn)火提前角，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于爆震邊緣時(shí)，將會(huì)具備更良好的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火提前角應(yīng)隨發(fā)動(dòng)機(jī)選用油品辛烷值增加而適當(dāng)增加。

2.4 壓縮比

當(dāng)缸徑相同的發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比增大時(shí)，燃燒室內(nèi)混合氣壓力、溫度相應(yīng)提升，燃燒室內(nèi)混合氣燃燒速度增加，混合氣燃燒時(shí)間t減少，其他條件相同、轉(zhuǎn)速相同前提下將兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行對(duì)比，最佳點(diǎn)火提前角θ隨壓縮比增大相應(yīng)減小。情況與增大發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷類似。

2.5 混合氣濃度

空氣過量系數(shù)為0.8時(shí)，燃燒室內(nèi)混合氣燃燒速度最快，對(duì)應(yīng)時(shí)間最短，應(yīng)選取最小的點(diǎn)火提前角。在空氣過量系數(shù)為0.8的基礎(chǔ)上，混合燃?xì)膺^濃或過稀時(shí)，燃燒室內(nèi)混合氣燃燒速度減慢，對(duì)應(yīng)的燃燒時(shí)間延長(zhǎng)，相同轉(zhuǎn)速下的同款發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)混合燃?xì)膺^濃或過稀時(shí)，點(diǎn)火提前角應(yīng)相應(yīng)增加。具體增加數(shù)值要以不同混合氣濃度下發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

2.6 大氣壓力

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)所處的氣壓條件增大，發(fā)動(dòng)機(jī)吸氣沖程吸入空氣量增加，發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的噴油量增加，使發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室壓縮終了時(shí)溫度、壓力上升，導(dǎo)致同轉(zhuǎn)速下燃燒時(shí)間減少，對(duì)應(yīng)點(diǎn)火提前角θ減小。提前角調(diào)整情況與增大負(fù)荷、壓縮比效果類似。

2.7 火花塞數(shù)量

特種車輛在發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)氣缸中布置多個(gè)火花塞，在點(diǎn)火時(shí)導(dǎo)致燃燒室內(nèi)燃燒速度大幅增加，燃燒時(shí)間t減少。因此，在相同轉(zhuǎn)速下，氣缸內(nèi)多火花塞設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火提前角應(yīng)減小。

2.8 啟動(dòng)和怠速工況特殊要求

在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和怠速等特殊工況時(shí)，主要考慮保證發(fā)動(dòng)機(jī)可靠啟動(dòng)與怠速的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。不將發(fā)動(dòng)機(jī)排放性、經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性作為主要目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。此時(shí)經(jīng)常將點(diǎn)火提前角設(shè)置為0°。

3? 保證發(fā)動(dòng)機(jī)最佳點(diǎn)火提前角的技術(shù)方案

基本點(diǎn)火提前角是指在初始點(diǎn)火提前角的基礎(chǔ)上，控制單元根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷（進(jìn)氣管壓力或空氣流量）大小自動(dòng)使點(diǎn)火提前角進(jìn)一步增大，點(diǎn)火提前角增大的部分就是基本點(diǎn)火提前角。傳統(tǒng)車輛中控制發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火提前角隨轉(zhuǎn)速變化的總成為離心式點(diǎn)火提前機(jī)構(gòu)?？刂瓢l(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷與點(diǎn)火提前角關(guān)系總成為真空式點(diǎn)火提前機(jī)構(gòu)。經(jīng)驗(yàn)證，調(diào)節(jié)效果不夠精準(zhǔn)，無法準(zhǔn)確適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)工況。

修正點(diǎn)火提前角是指控制單元根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度、節(jié)氣門開度、爆震傳感器信號(hào)、氧傳感器信號(hào)等參數(shù)確定出點(diǎn)火提前角修正量。目前，多款車輛通過發(fā)動(dòng)轉(zhuǎn)速傳感器、曲軸位置傳感器、節(jié)氣門開度傳感器、進(jìn)氣壓力傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)爆震傳感器、水溫傳感器等感知發(fā)動(dòng)機(jī)工況，通過車載ECU查詢修正點(diǎn)火提前角并連接點(diǎn)火控制器，為各缸提供準(zhǔn)確合理的點(diǎn)火時(shí)刻，從而獲得最優(yōu)的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性綜合性能，如圖2。

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