发动机点火提前角研究

李瑞欣 王超 李欢

安徽江淮汽车技术中心发动机设计院 安徽省合肥市 230000

1 引言

随着我国法律的不断健全，排放法规在现今时代的发展中越来越明确、严格，节约能源是现今时代中最为主流的发展意识，这一意识在发动机的性能研究中也成为了未来发展的主要方向。点火提前角是发动机电控部分的重要控制参数，点火提前角过大，则燃烧过程提前，缸内最高爆发压力变大，发动机易出现爆震现象，点火提前角过小，则燃烧过程持续到膨胀阶段，缸内最高爆发压力降低，传热量增加，导致发动机的动力性、经济性不断下滑。故而，改善发动机点火提前角以及相关性能显得尤为重要。本文首先利用台架试验得到发动机功率、扭矩、油耗率、初始点火MAP图和喷油MAP图；之后采用AVL BOOST软件建立了单缸四冲程电控发动机仿真模型，对其缸内工作过程进行了模拟，初步分析了点火提前角对发动机功率、缸内平均有效压力、残余废气系数、充气效率的影响；最后，将ISIGHT与BOOST联合，在ISIGHT环境下，以功率最大为优化目标，对点火提前角进行了优化。

2 试验仪器及发动机基本参数

CB125发动机在运行过程中的基本参数，如表1所示。

经试验得到不同转速、不同节气门开度下CB125发动机初始点火时刻MAP图，如图1所示。从图中知随着转速的升高，发动机点火时刻逐渐提前，这是因为转速越高，则发动机每循环所用时间相对越短，在燃烧过程一致时，需增加点火提前角，使燃烧过程提前，保证输出功率。随着节气门开度的增大，点火时刻变化较小。

表1 CB125发动机运行过程中的参数值

图2为试验过程中，测得的发动机不同工况下喷油脉宽。在高转速大节气门开度下，喷油量较高，这是因为该发动机在高转速时扭矩达到最大值，在高转速下为了保证发动机对外输出功率最大，故需增加喷油量。根据试验得到的喷油脉宽值和初始点火数值，为之后BOOST模型建立提供了数据。

3 BOOST电喷发动机模型建立及性能仿真

3.1 参数设置及模型建立

图3为所建BOOST电喷发动机模型。其中边界模拟发动机实际进排气工作环境，进气温度为298K，进气压力为1.01bar，排气管末端温度400K，排气压力1.03bar。节气门采用节流阀模拟节气门，流量系数和节气门开度对应关系根据试验测得的进气压力和理论公式计算得到[2，3]。燃烧模型采用准维燃烧[2]，传热模型采用Woschni 1978（伏西尼公式）。其中节气门全开时，缸内各个燃烧模型参数值见表1。

3.2 BOOST电喷发动机模型的验证

为了进一步保障所做模型能够满足要求，使其在后续发展中能够精准模拟发动机的整个工作过程。本文在实验时对模型进行了验证，图4、图5分别为仿真结果与样机台架试验外特性曲线和80%开度下速度特性对比。从图中知，在节气门全开时，转速为5000r/min时试验与仿真扭矩误差最大为3.5%，两者误差在允许误差范围5%之内。两者功率曲线较吻合。在小节气门开度下试验速度特性数据与仿真速度特性数据两者误差较小，皆符合要求。

表3 节气门全开运转时，转速不同阶段中准维模型参数值

3.3 点火提前角对发动机性能影响

在保证所见模型符合要求的情况下，采用试凑法[3]。图6主要指的是发动机点火提前角的调整特性图。从该图中可以看出，在节气门全开且转速能够达到4000、4500、6000r·min-1时，发动机的功率随着点火提前角的增大而不断提升，并在一定的点火角度达到最大功率，随后，不断降低功率。根据图表可知，任何转速下都有一个最佳的点火提前角值，该值下发动机功率最大，且转速越高，功率达到最大值时所需点火提前角越大。

图7主要指的是当发动机转速达到4000r min-1时，不同点火提前角下，缸内的平均有效压力数据，因为功率、缸内平均有效压力在发动机实际运转的过程中成正比关系。因此，曲线的变化趋势应该统功率的变化趋势相同。

4 结语

（1）经发动机台架试验得到发动机不同工况下喷油脉宽和初始点火提前角，为之后BOOST模型标定奠定了基础，通过台架试验得到的发动机功率、扭矩、油耗率数据，验证了BOOST发动机模型的正确性；经BOOST仿真得到点火提前角调整特性图，节气门开度一定时，随着转速的升高，发动机功率在达到最大值时，点火提前角也随之提升，而且无论是哪一转速，都具备相应的最佳点火数值，保障发动机达到最大功率。点火提前角越大，发动机缸内最高爆发压力和缸内参与废气系数越大。