电控汽油发动机数据流点火提前角分析

◆文/山东 焦建刚

一、混合汽的燃烧过程

混合汽的燃烧包含着火落后期、明显燃烧期、补燃期(后燃期) 三个过程。

1.着火落后期

从火花塞跳火开始到形成火焰中心为止这段时间称为着火落后期。火花塞跳火后，并不能立刻形成火焰中心，因为混合汽氧化反应需要一定时间。火花能量使局部温度迅速升高，(火花放电时两极电压在15 000V以上，混合汽局部温度可达2 000℃)，加快了混合汽的氧化反应速度。当这种反应达到一定程度时(约0.001～0.002s)，出现发光区，形成火焰中心。此阶段缸内压力无明显升高。

着火落后期的长短与燃料本身的分子结构和物理化学性质、过量空气系数(φat=0.8～0.9时最短)、开始点火时汽缸内温度和

图7 测量螺栓直径

六、深凹槽型螺栓

没有强度标记的深凹槽型螺栓是六角头上有减重凹槽的法兰螺栓，是按法兰外径进行的分类(图8)，它们的法兰外径比带有法兰头的标准螺栓的直径要大。安装这类螺栓应小心地装在正确的位置并施加规定的扭矩。

图8 深凹槽型螺栓

七、均匀支承应力螺栓

均匀支承应力螺栓(图9)的结构能防止松动。因为在它螺栓头的下法兰面上滚压或锻造一个5～60′的小角度，这会导致法兰在螺栓拧紧时弯曲，从而提供额外的摩擦力来保持螺栓紧固。此种螺栓可能标或不标强度标记。

图9 均匀支承应力螺栓

八、内六角花形头螺栓

这种螺栓(图10)的结构能承受来自套筒到螺栓的更大的扭矩。在螺栓强度不变条件下，对安装位置的空间要求可更小。按使用旋紧扳柄不同，分为“T型”和“E型”。压力(取决于压缩比)、残余废气量、汽缸内混合汽的运动、火花能量大小等因素有关。

图10 内六角花形头螺栓

2.明显燃烧期

从火焰中心形成到汽缸内出现最高压力为止，这段时间称为明显燃烧期。在示功图上为汽缸压力线脱离压缩线开始急剧上升到压力达到最高点。

当火焰中心形成后，火焰前锋以20～30m/s的速度从火焰中心开始逐层向四周的未燃混合汽传播，直到连续不断地扫过整个燃烧室。混合汽的绝大部分(约80%以上)在此期间燃烧完毕，使汽缸内压力、温度迅速升高，出现最高压力点。

3.补燃期

从最高压力点开始到燃料基本燃烧完为止称为补燃期。这一阶段的燃烧主要是明显燃烧期火焰前锋扫过的区域，部分未燃尽的燃料继续燃烧；吸附在缸壁上的混合层继续燃烧，部分H2、O2、CO等高温分解产物，因在膨胀过程中温度下降又重新燃烧、放热。混合汽的燃烧过程如图1所示。

图1 混合汽的燃烧过程

二、点火提前角

混合汽在汽缸内燃烧需占用一定的时间，所以混合汽不应在压缩行程上止点处点燃，而应适当地提前，使燃烧产生的最高压力出现在上止后12°～15°，此时对应的点火提前角为最佳点火提前角。

1.混合汽燃烧时间

混合汽点火到完全燃烧约需2～3ms的时间。由于发动机的工况、转速、节气门开度及汽缸内的混合汽浓度发生变化，导致了在不同工况下，汽缸内混合汽燃烧时间的不同，所以，不能简单的一概而论。在汽油机一定的节气门开度下，转速随负荷的变化而相应变化。转速增加时，汽缸中紊流增强，火焰传播速度加快。

随转速增加，压缩过程所用时间缩短，散热及漏气损失减少，压缩终了工质的温度和压力较高，使以秒计的燃烧过程缩短。但缩短程度不如转速增加的比例大，使燃烧过程相当的曲轴转角增大，而以曲轴转角计的着火落后期增长。

2.点火提前角与发动机转速的关系

提前点火(发火)点处曲轴和活塞位置如图2所示。发动机转速快，每一转所用的总时间减少，相同时间内，所转过的曲轴转角变大。如果要保证混合汽燃烧时间不变，只有随发动机转角速度增加，而延长或提前点火角度。变化的是发动机转速、点火提前的角度，基本不变的是用来使混合汽燃烧所需的时间，如图3所示。

图2 提前点火(发火)点处的曲轴和活塞位置

图3 点火提前角与发动机转速关系

3.怠速时的点火提前角

怠速时，点火提前角度一般为上止点前5°～10°，对应的曲轴转角为17°～25°，燃烧所用时间大约为3.5～5.2ms。

4.发动机转速2 000r/m时的点火提前角

发动机转速2 000r/min时,点火提前角一般为上止点前30°～35°，对应的曲轴转角为42°～50°，燃烧所用时间3.5～4.16ms。

5.发动机转速3 500r/min时的点火提前角

发动机转速3 000r/min时,点火提前角一般为上止点前35°～40°，对应的曲轴转角为47°～55°，燃烧所用时间2.6～3.05ms。

6.发动机转速与曲轴转角时间关系

发动机转速与曲轴转角时间关系列于表1。

表1 发动机转速与曲轴转角时间关系

7.负荷对点火提前角的影响

在汽油机上，转速保持不变，通过改变节气门开度来调节进入汽缸的混合汽量，以达到不同的负荷要求。

当节气门关小时，充量系数急剧下降，但留在汽缸内的残余废气量不变，使残余废气系数及滞燃期增加，火焰传播速率下降，最高爆发压力、最高燃烧温度、压力升高率均下降，冷却液散热损失相对增加，因而燃油消耗率增加。因此，随着负荷的减小，最佳点火提前角要提早。反之，负荷增大，最佳点火提前角要推迟。当车辆处于急加速或爬坡时，节气门处于全开状态，由于大量混合汽迅速进入汽缸，发动机负荷迅速增加，混合汽燃烧速率加快，此时，如果燃油品质不良或者标号达不到要求，就会出现敲缸现象(图4)。

图4 最佳点火提前角随负荷变化

8.点火提前角调整特性

当汽油机保持节气门开度、转速、混合汽浓度一定时，汽油机功率和耗油率随点火提前角改变而变化的关系称为点火提前角调整特性(图5)。

图5 点火提前特性

对应于每一工况都存在一个最佳点火提前角，这时汽油机功率最大，耗油率最低。点火过迟，则燃烧时间延长到膨胀过程，燃烧最高压力和温度下降，传热损失增多，排温升高，热效率降低，但爆燃倾向减小，NOx升高，功率、排放量降低。点火提前角不同时的p如图6所示。

图6 点火提前角不同时的p

9.正常燃烧与爆燃的比较

爆燃时，缸内压力曲线出现高频大幅度波动(锯齿波)，同时发动机会产生一种高频金属敲击声，因此也称爆燃为敲缸。

在汽油机中，凡是不靠电火花点火而由燃烧室内炽热表面(如排气门头部、火花塞绝缘体或零件表面炽热的沉淀物等)点燃混合汽的现象统称表面点火。正常燃烧与爆燃的比较如图7所示。

图7 正常燃烧与燃烧时

早燃是指在火花塞点火之前，炽热表面点燃混合汽的现象。由于它提前点火而且热点表面比火花大，使燃烧速率快，汽缸压力、温度增高，发动机工作粗暴，并且由于压缩功增大，向缸壁传热增加，致使功率下降，火花塞、活塞等零件过热。

早燃会诱发爆燃，爆燃又会让更多的炽热表面温度升高，促使更剧烈的表面点火，两者互相促进，危害可能更大。

与爆燃不同，表面点火一般是在正常火焰烧到之前由炽热物点燃混合汽所致，没有压力冲击波，敲缸声比较沉闷，主要是由活塞、连杆、曲轴等运动部件受到冲击负荷产生振动而造成。

因此，现代车辆的汽油发动机的点火提前角是根据发动机的负荷、功率、混合汽浓度、温度等各项数据得出的最佳点火提前角，如果点火提前角不正确，则容易导致发动机出现爆震或动力严重下降。为了避免燃油品质不良或燃油标号过低、以及汽缸内积炭过多导致的爆震情况的发生，发动机控制单元会根据爆震传感器的信号来判断是否有爆震发生，从而起到保护发动机机械的作用。

在一些特殊情况下，发动机控制单元也会根据发动机的工作状况，做出对点火提前角的调整，以控制发动机保持在特殊情况下的工作。比如，当出现发动机输出功率、扭矩超出发动机的功率、扭矩需求时，控制单元除了对燃油喷射量进行调整外，还会推迟点火时刻来降低扭矩的输出。有时候，这种调整是为了发动机的扭矩输出更加平滑，如踩下离合器踏板时，为了离合器结合时动力输出的平顺性，控制单元往往要做出减少喷油量、推迟点火时刻的控制。但这种调整有时候受制于发动机电脑的控制逻辑，有时候不一定非常的合理。

三、案例分析

下文以别克英朗清洗节气门后的特殊情况进行分析。

读取数据流，得到发动机转速接近1 000r/min时，进气量达到8.96g/s，节气门开度达到16.3%，喷油时间为5.81ms，发动机负荷为59.2%。出现发动机怠速转速高于正常怠速，加速迟缓、动力不足的故障，如图8所示。

同时，该发动机在运转一段时间后，还伴随有排气歧管烧红的故障现象。车主反映车辆以前没有发现异常，在近期进行了发动机的保养作业后才出现。对于常规的保养作业如何会导致发动机出现性能严重变差的故障这个问题，笔者初期也非常不解，如果单独对前述的数据流进行分析，得到的结论可能是空气流量传感器严重偏离特性，由于进气量信号过大，导致电脑控制的喷油时间过长，导致混合汽过浓，致使发动机燃烧速率放缓，发动机功率下降。

当按照这个思路进行排查时，结果发现，当拔下节气门前方的进气软管，人为将进气量控制在正常范围时，喷油器喷射时间略有降低，发动机出现了抖动现象，此时的短期燃油修正值突然上升，喷油器的喷射时间又恢复到了6ms左右，这样的结果，使笔者非常的迷惑。

进一步对数据流中的短期燃油修正值及长期燃油修正值观察，发现其值分别为-1%、-7%，说明怠速时，混合汽是处于正常混合比范围内的，而人为漏气时，其值为正值，且上升到25%的极限值，说明此时的氧传感器工作正常，更说明此时的进气量信号也是实际的进气量。再次对数据流中的数据进行检查，突然发现点火正时的数据为-16.8°这十分不可思议。点火正时居然延迟到了上止点之后。这在常规点火正时控制中是不可能出现的，如果点火正时这样迟，发动机的功率会严重下降。

由于清洗节气门后，没有对其进行匹配，所以导致进气量、喷油量、点火正时严重偏离了正常范围。该发动机控制系统的控制方式比较奇特。由于积炭导致的节气门开度过大，发动机电脑记忆的初始节气门位置就会过大，在针对节气门进行清洗作业后，如果没有进行节气门初始化的话，其节气门开度不会自动减小，使通过节气门的进气量过大，相应的喷油量也会过大，导致清洗后的短时间内发动机转速急剧增加，达到2 000r/min左右，但由于此时的加速踏板位置信号处于全闭状态，电脑又不允许出现转速过高的情况。

如果是常规发动机，此时会出现怠速燃油切断，导致发动机转速上下严重波动。但该发动机控制系统没有这样来进行控制，而是在不改变节气门开度的情况下，通过改变点火正时，推迟点火提前角，使大量的混合汽在燃烧做功行程的末期进行燃烧，这样虽然保证了混合汽的完全燃烧，也降低了发动机汽缸内产生的驱动力，但带来的后果是过量的高温废气进入排气歧管，使其烧红。

图8 数据流测试