李樹宇

（奇瑞汽車股份有限公司，蕪湖241000）

0 引言

隨著世界范圍內(nèi)能源危機的匱乏、排放法規(guī)的嚴格要求，促使零部件供應商和各大主機廠積極開發(fā)新發(fā)動機，創(chuàng)新機內(nèi)優(yōu)化燃燒、機外后處理的新技術(shù)，以實現(xiàn)節(jié)能減排的目的［1-4］。其中，點火提前角對增壓發(fā)動機燃燒性能的影響很大，若點火提前角過小，發(fā)動機燃燒不好，膨脹負功增加，在氣門處及噴油器噴嘴附近容易形成積碳并導致點火困難，引起發(fā)動機失火；若點火提前角過大，爆震幾率增加，壓縮負功增加［5-8］。因此，點火提前角對進氣道噴射 （port fuel injection，PFI）全電控增壓發(fā)動機缸內(nèi)燃燒的影響不容忽視。

本文利用AVL PUMA臺架，基于某PFI全電控增壓發(fā)動機，研究了在不同轉(zhuǎn)速、不同負荷下點火提前角對其燃燒性能的影響規(guī)律，并優(yōu)化了發(fā)動機的最佳點火提前角。

1 試驗發(fā)動機和試驗臺架

1.1 試驗發(fā)動機

試驗發(fā)動機為開發(fā)中的某型PFI全電控增壓發(fā)動機，其基本技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 PFI全電控發(fā)動機基本技術(shù)參數(shù)

1.2 試驗臺架

AVL PUMA臺架是發(fā)動機臺架試驗的基礎(chǔ)，可用于熱力學開發(fā)及發(fā)動機臺架的標定。試驗的硬件設(shè)備和流程示如圖1所示。圖中ES590是用于連接標定用的在線離線軟件與電控單元 （ECU）硬件通訊設(shè)備。

圖1 試驗的硬件設(shè)備流程示意

1.3試驗方案

利用AVL PUMA臺架，在不同轉(zhuǎn)速、不同負荷工況下，研究點火提前角變化對發(fā)動機性能的影響規(guī)律，測量不同點火提前角下的發(fā)動機扭矩、燃油耗和排氣溫度，從而判斷發(fā)動機缸內(nèi)燃燒性能的變化。 轉(zhuǎn)速從750r／min增加至5500r／min， 負荷從15%增加至150%，點火提前角從-10°曲軸轉(zhuǎn)角 （°CA）變化至50°CA。點火提前角的正負是相對于壓縮上止點而言的，定義上止點之前為正，上止點之后為負。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 點火提前角對扭矩的影響

在轉(zhuǎn)速為2000r／min、負荷為20%、30%、40%工況下，扭矩隨點火提前角的變化規(guī)律如圖2所示；在轉(zhuǎn)速3000r／min、負荷為30%、40%、50%工況下，扭矩隨點火提前角的變化規(guī)律如圖3所示；在轉(zhuǎn)速4000r／min、負荷為50%、60%、70%工況下，扭矩隨點火提前角的變化規(guī)律如圖4所示；在轉(zhuǎn)速5000r／min、負荷為60%、70%、80%工況下，扭矩隨點火提前角的變化規(guī)律如圖5所示。

從圖2～5可以看出，在負荷特性 （相同轉(zhuǎn)速不同負荷）下，各轉(zhuǎn)速的著火滯后期大致相同，隨著點火提前角增大，扭矩都處于上升趨勢，直至達到低負荷下燃燒效率的重心，此時再增加點火提前角，扭矩不會有多大提升。中高負荷下達到爆震的邊緣或者排氣溫度的邊界，此時燃燒性能最佳，這也是選擇最佳點火提前角的依據(jù)。在轉(zhuǎn)速相同情況下，隨著負荷的升高，扭矩增加，這是因為油門踏板開度、節(jié)氣門開度增大，每循環(huán)燃燒的混合氣數(shù)量增大；同時，缸內(nèi)殘余廢氣所占的比例減少，使得充氣效率提高，進氣量增大，油氣混合速率劇增，導致著火滯后期延長，故需要推遲點火提前角。

圖2 2000r／min時扭矩隨點火提前角的變化規(guī)律

圖3 3000r／min時扭矩隨點火提前角的變化規(guī)律

2.2 點火提前角對燃油耗的影響

燃油耗與發(fā)動機的燃燒室結(jié)構(gòu)、發(fā)動機運行工況、空燃比、點火提前角等相關(guān)。在結(jié)構(gòu)參數(shù)確定、混合氣數(shù)量一定的情況下，只有點火提前角為變量因素。研究在不同轉(zhuǎn)速、相同負荷下的點火提前角對燃油耗的影響，燃油耗隨轉(zhuǎn)速和點火提前角的變化如圖6等油耗曲線所示。由圖6可見，隨著點火提前角增大，燃油消耗量減少，同時功率增大，燃油耗率大幅度降低 （燃油耗率=油耗量／功率）。當轉(zhuǎn)速為1000r／min、點火提前角從3°CA增至42°CA時，燃油耗降低了91.1%。因此，在滿足發(fā)動機性能的情況下，盡可能增加點火提前角，以降低燃油耗。

圖4 4000r／min時扭矩隨點火提前角的變化規(guī)律

圖5 5000r／min時扭矩隨點火提前角的變化規(guī)律

圖6 點火提前角對燃油耗的影響

2.3 點火提前角對排氣溫度的影響

在空燃比等于1的情況下分析排氣溫度。在相同轉(zhuǎn)速下，隨著點火提前角增大，排氣溫度不斷降低，這相當于減少充氣量，增加噴油量，加濃空燃比。但是，過大的點火提前角會使發(fā)動機出現(xiàn)爆震、過小的點火提前角會使發(fā)動機低轉(zhuǎn)速、低負荷時燃燒不充分，燃燒效率下降，進而使高轉(zhuǎn)速、高負荷的排氣溫度超出零部件要求的邊界條件。因此，點火提前角的優(yōu)化對排氣溫度起著關(guān)鍵的作用。催化器中心溫度和渦前溫度隨點火提前角變化的等溫曲線如圖7～8所示。

圖7 點火角對催化器中心溫度的影響

圖8 點火角對渦前溫度的影響

3 最優(yōu)點火提前角的選擇

在2.1～2.3節(jié)點火提前角對缸內(nèi)燃燒特性的影響分析的基礎(chǔ)上，可求得點火提前角效率曲線。方法如下：首先，小負荷時將點火提前角增加到上止點后8°CA左右，即燃燒熱釋放率 （mass fraction burned，MFB）50%時所對應的曲軸轉(zhuǎn)角，大負荷時將點火提前角增加到爆震邊緣或者偶有爆震退角（點火提前角在爆震邊界，如果出現(xiàn)比較極限情況，系統(tǒng)會自動減小點火角提前角。比如，點火提前角為10°CA，如果有退角，則小于10°CA）；其次，分別根據(jù)燃燒性能最優(yōu)得到最小點火提前角；然后，每隔3°CA下調(diào)點火提前角，直到接近失火（HC＞0.01）或者排氣溫度超出邊界；由此得到點火提前角效率曲線，如圖9所示。根據(jù)扭矩需求得到相應的點火提前角效率，然后按圖9得到該點火提前角效率所對應的點火提前角，此值是該扭矩工況下的點火提前角差值。根據(jù)空燃比為1時的最佳點火角和此點火提前角差值得到該扭矩工況下的點火提前角輸出值。比如，當轉(zhuǎn)速2000r／min，負荷為20%時，按扭矩需求得到點火效率為0.9，其所對應的點火提前角差值為22°CA，則當前實際輸出點火角為 46.5°CA-22°CA=24.5°CA， 其中46.5°CA為空燃比為1時的最佳點火角。表2為臺架標定后的不同轉(zhuǎn)速、不同負荷下的最優(yōu)點火提前角。采用優(yōu)化后的最優(yōu)點火提前角后，可實現(xiàn)發(fā)動機的最佳動力性及燃油經(jīng)濟性。

圖9 不同轉(zhuǎn)速、不同負荷下點火提前角效率

表2 750～5 550r／min下的最優(yōu)點火提前角 °CA

4 結(jié)論

通過發(fā)動機臺架試驗，得到了點火提前角對缸內(nèi)燃燒性能的影響規(guī)律，為發(fā)動機性能試驗中的點火提前角標定及扭矩控制奠定了基礎(chǔ)。研究得出以下結(jié)論：1）點火提前角隨轉(zhuǎn)速的增大而增大，隨負荷的升高而減?。?）隨著點火提前角的增大，扭矩先升而降，功率增大，燃油耗下降，排氣溫度降低，但爆震風險的概率增大；3）采用試驗掃點的方法得到點火提前角效率曲線，從而優(yōu)選出不同轉(zhuǎn)速、不同負荷下發(fā)動機的最優(yōu)點火提前角，可實現(xiàn)該款發(fā)動機的最佳動力性及燃油經(jīng)濟性。