最佳点火提前角对增压发动机燃烧性能的影响

李树宇

（奇瑞汽车股份有限公司，芜湖241000）

0 引言

随着世界范围内能源危机的匮乏、排放法规的严格要求，促使零部件供应商和各大主机厂积极开发新发动机，创新机内优化燃烧、机外后处理的新技术，以实现节能减排的目的［1-4］。其中，点火提前角对增压发动机燃烧性能的影响很大，若点火提前角过小，发动机燃烧不好，膨胀负功增加，在气门处及喷油器喷嘴附近容易形成积碳并导致点火困难，引起发动机失火；若点火提前角过大，爆震几率增加，压缩负功增加［5-8］。因此，点火提前角对进气道喷射 （port fuel injection，PFI）全电控增压发动机缸内燃烧的影响不容忽视。

本文利用AVL PUMA台架，基于某PFI全电控增压发动机，研究了在不同转速、不同负荷下点火提前角对其燃烧性能的影响规律，并优化了发动机的最佳点火提前角。

1 试验发动机和试验台架

1.1 试验发动机

试验发动机为开发中的某型PFI全电控增压发动机，其基本技术参数如表1所示。

表1 PFI全电控发动机基本技术参数

1.2 试验台架

AVL PUMA台架是发动机台架试验的基础，可用于热力学开发及发动机台架的标定。试验的硬件设备和流程示如图1所示。图中ES590是用于连接标定用的在线离线软件与电控单元 （ECU）硬件通讯设备。

图1 试验的硬件设备流程示意

1.3试验方案

利用AVL PUMA台架，在不同转速、不同负荷工况下，研究点火提前角变化对发动机性能的影响规律，测量不同点火提前角下的发动机扭矩、燃油耗和排气温度，从而判断发动机缸内燃烧性能的变化。 转速从750r／min增加至5500r／min， 负荷从15%增加至150%，点火提前角从-10°曲轴转角 （°CA）变化至50°CA。点火提前角的正负是相对于压缩上止点而言的，定义上止点之前为正，上止点之后为负。

2 试验结果分析

2.1 点火提前角对扭矩的影响

在转速为2000r／min、负荷为20%、30%、40%工况下，扭矩随点火提前角的变化规律如图2所示；在转速3000r／min、负荷为30%、40%、50%工况下，扭矩随点火提前角的变化规律如图3所示；在转速4000r／min、负荷为50%、60%、70%工况下，扭矩随点火提前角的变化规律如图4所示；在转速5000r／min、负荷为60%、70%、80%工况下，扭矩随点火提前角的变化规律如图5所示。

从图2～5可以看出，在负荷特性 （相同转速不同负荷）下，各转速的着火滞后期大致相同，随着点火提前角增大，扭矩都处于上升趋势，直至达到低负荷下燃烧效率的重心，此时再增加点火提前角，扭矩不会有多大提升。中高负荷下达到爆震的边缘或者排气温度的边界，此时燃烧性能最佳，这也是选择最佳点火提前角的依据。在转速相同情况下，随着负荷的升高，扭矩增加，这是因为油门踏板开度、节气门开度增大，每循环燃烧的混合气数量增大；同时，缸内残余废气所占的比例减少，使得充气效率提高，进气量增大，油气混合速率剧增，导致着火滞后期延长，故需要推迟点火提前角。

图2 2000r／min时扭矩随点火提前角的变化规律

图3 3000r／min时扭矩随点火提前角的变化规律

2.2 点火提前角对燃油耗的影响

燃油耗与发动机的燃烧室结构、发动机运行工况、空燃比、点火提前角等相关。在结构参数确定、混合气数量一定的情况下，只有点火提前角为变量因素。研究在不同转速、相同负荷下的点火提前角对燃油耗的影响，燃油耗随转速和点火提前角的变化如图6等油耗曲线所示。由图6可见，随着点火提前角增大，燃油消耗量减少，同时功率增大，燃油耗率大幅度降低 （燃油耗率=油耗量／功率）。当转速为1000r／min、点火提前角从3°CA增至42°CA时，燃油耗降低了91.1%。因此，在满足发动机性能的情况下，尽可能增加点火提前角，以降低燃油耗。

图4 4000r／min时扭矩随点火提前角的变化规律

图5 5000r／min时扭矩随点火提前角的变化规律

图6 点火提前角对燃油耗的影响

2.3 点火提前角对排气温度的影响

在空燃比等于1的情况下分析排气温度。在相同转速下，随着点火提前角增大，排气温度不断降低，这相当于减少充气量，增加喷油量，加浓空燃比。但是，过大的点火提前角会使发动机出现爆震、过小的点火提前角会使发动机低转速、低负荷时燃烧不充分，燃烧效率下降，进而使高转速、高负荷的排气温度超出零部件要求的边界条件。因此，点火提前角的优化对排气温度起着关键的作用。催化器中心温度和涡前温度随点火提前角变化的等温曲线如图7～8所示。

图7 点火角对催化器中心温度的影响

图8 点火角对涡前温度的影响

3 最优点火提前角的选择

在2.1～2.3节点火提前角对缸内燃烧特性的影响分析的基础上，可求得点火提前角效率曲线。方法如下：首先，小负荷时将点火提前角增加到上止点后8°CA左右，即燃烧热释放率 （mass fraction burned，MFB）50%时所对应的曲轴转角，大负荷时将点火提前角增加到爆震边缘或者偶有爆震退角（点火提前角在爆震边界，如果出现比较极限情况，系统会自动减小点火角提前角。比如，点火提前角为10°CA，如果有退角，则小于10°CA）；其次，分别根据燃烧性能最优得到最小点火提前角；然后，每隔3°CA下调点火提前角，直到接近失火（HC＞0.01）或者排气温度超出边界；由此得到点火提前角效率曲线，如图9所示。根据扭矩需求得到相应的点火提前角效率，然后按图9得到该点火提前角效率所对应的点火提前角，此值是该扭矩工况下的点火提前角差值。根据空燃比为1时的最佳点火角和此点火提前角差值得到该扭矩工况下的点火提前角输出值。比如，当转速2000r／min，负荷为20%时，按扭矩需求得到点火效率为0.9，其所对应的点火提前角差值为22°CA，则当前实际输出点火角为 46.5°CA-22°CA=24.5°CA， 其中46.5°CA为空燃比为1时的最佳点火角。表2为台架标定后的不同转速、不同负荷下的最优点火提前角。采用优化后的最优点火提前角后，可实现发动机的最佳动力性及燃油经济性。

图9 不同转速、不同负荷下点火提前角效率

表2 750～5 550r／min下的最优点火提前角 °CA

4 结论

通过发动机台架试验，得到了点火提前角对缸内燃烧性能的影响规律，为发动机性能试验中的点火提前角标定及扭矩控制奠定了基础。研究得出以下结论：1）点火提前角随转速的增大而增大，随负荷的升高而减小；2）随着点火提前角的增大，扭矩先升而降，功率增大，燃油耗下降，排气温度降低，但爆震风险的概率增大；3）采用试验扫点的方法得到点火提前角效率曲线，从而优选出不同转速、不同负荷下发动机的最优点火提前角，可实现该款发动机的最佳动力性及燃油经济性。