汽油机点火提前调整特性模拟分析

戴 颂，张学帧，唐 磊

(昆明理工大学 津桥学院，云南 昆明 650106)

0 前言

汽油机点火提前角是指火花塞开始跳火至活塞运行至压缩上止点时所对应的曲轴转角。其值的大小根据燃料的性质、发动机转速和负荷、混合气浓度的不同而不同。点火提前角调整特性则指当汽油机转速、负荷等工况参数保持不变以及混合气浓度一定时，有效功率、有效燃油消耗率等性能指标随点火提前角变化而变化的关系。通常情况下，对于某一特定的工况，均有一最佳点火提前角，此时其功率最大，而油耗最低[1]。现今，对汽油机性能及其影响因素的分析研究中，一方面着手于混合气的形成机火焰传播过程，例如文献[2]通过构建混合气形成的三维仿真模型，分析了预混燃烧过程中，混合气成分对燃料燃烧的峰值放热率、最高燃烧压力的影响。而文献[3]则从气缸压力的变化对湍流的影响方面入手，论述了湍流强度对点火及火焰传播过程的作用。另一方面，则是从发动机的结构及工作参数入手，确定相应的试验方案，在获得大量的试验数据的基础上，对其进行优化研究。文献[4]通过相应的试验方案，对发动机瞬态工况和稳态工况下的燃油供给量进行对比分析，并对供油系统参数进行优化，以得到满足瞬态工况下发动机主要性能指标的燃油供给量。论文利用AVL Boost模拟仿真软件构建了四缸四冲程汽油机的热力学仿真模型，从气缸压力变化及缸内气体流动等方面入手，分析了不同点火提前角对最高燃烧压力的影响。在此基础上，研究了不同转速下不同点火提前角对汽油机有效功率、有效转矩及有效燃油消耗率等性能指标的影响，以期获得较为合理的点火提前特性匹配方案。

1 仿真模型的建立

利用AVL Boost建立发动机热力学模型包括模型编辑和数据输入。模型编辑是通过选择相应的元件，并用Pipe元件将其连接起来，获得反应发动机基本结构特征的物理模型，如图1所示。同时，AVL Boost主程序为所有元件提供了最优模拟计算，因此在物理模型建成后，还应将各零部件的实际尺寸参数和发动机工作特征参数输入相应的模块中，并以热力学，传热学的原理为基础对其进行数学描述，即可完成发动机工作过程的热力学模型搭建，主要参数见表1。

转速(Eng_Speed)、空燃比(AF_Rat)设定值如表2所示。

建立燃烧热力学模型最简单的方法是指定燃烧放热率，即在确定气缸压力曲线的情况下，进行高温循环逆计算，求解理想气体状态方程及化学计量空燃比，并获得燃烧放热量随单位曲轴转角的变化率，即可得到发动机某一时刻的燃烧放热率[5]。AVL Boost已计算了每度曲轴转角燃料燃烧所释放的热量，在指定热输入特性的情况下，循环总放热量由循环喷油量和空燃比确定。Vibe模型是建立在大量试验基础上而得到的热力学模型，具有结构简单，控制参数少的特点。该模型通过对放热曲线进行最小二乘法处理得到燃烧起始点，燃烧持续期和形状参数等，并对Vibe函数进行积分，而得到自燃烧起始点到某一时刻所燃烧的燃料质量分数，即已然质量分数。相关控制参数见表3所示。

图1 AVL Boost汽油机模型

表1 汽油机主要参数

表2 转速及其各转速下的空燃比

表3 Vibe函数控制参数

燃烧始点定义为以曲轴转角记，火焰中心形成的时刻。选取Start_OF_Comb在压缩上止点前11～16°CA范围内变化，另外考虑到火焰中心形成的时刻相对于火花塞跳火时刻有一定的落后，即将从火花塞跳火到火焰中心形成的阶段称为着火延迟期，该阶段约占整个燃烧过程的15%左右[1]。结合表3中的燃烧持续期的大小可知，当燃烧始点在压缩上止点前11～16°CA范围内变化时，其点火提前角的变化范围为压缩上止点前19～24°CA。故选用了不同的燃烧起始角代替点火提前角对汽油机点火提前调整特性进行模拟，并分析其对不同转速下，最高燃烧压力，有效功率，有效燃油消耗率的影响。

2 最高燃烧压力

图2为采用不同点火提前角即燃烧起始角时，最高燃烧压力随转速的变化关系。由图可知，最高燃烧压力随转速的增加而增加。其主要原因是在压缩行程末期，由于活塞与气缸盖的彼此接近，造成气缸内气体流场发生改变，促进了湍流的形成与扩散[6]，同时由于发动机转速的提高，缸内的压力增加率得以提高，可进一步的促进湍流的形成与扩散速度，可增大火焰前锋面的厚度，使得更多的可燃混合气参与燃烧，加快了燃烧速度，提高了燃烧的定容性。

图2 最高燃烧压力的变化

另一方面，随着转速的提高，最高燃烧压力随转速的提高而提高的趋势逐渐变缓。其主要原因是在点火及燃烧初期，火焰的传播主要依赖于气缸内气流的结构，此时小尺度结构湍流对增大火焰前锋面的作用较大尺度结构湍流更为明显。而在压缩过程中，湍流结构变化的整体趋势为大尺度结构湍流向小尺度结构湍流扩散[7]。因此，湍流的扩散速度随着转速提高而提高的同时，也导致了小尺度结构湍流的减少，故可燃混合气的燃烧速度有所下降。

同时从图2中可看出，在某一特定转速下，均有一点火提前角使得最高燃烧压力达到该转速下的最大值，且随着转速的增加该点火提前角增大。因此，对于某一特定转速，点火提前角不能过大，也不能过小。点火提前角过大将使压缩负功增加，过小将导致后燃增加，均使最高燃烧压力下降。另一方面，燃烧室内气体流场的分布状况特别是湍流分布极不均匀，且受到缸内压力大小及其变化的影响，故对火花塞中心附近气体的流动方向及运动速度产生了一定的影响，进而影响了火焰中心形成的轨迹、火焰前锋面移动的速度及火焰向整个燃烧室发展的进程。

另外，为保证发动机的工作柔和性，通常应将最高燃烧压力出现点控制在压缩上止点后12～15°CA范围内[9]。图3所示为各转速下，采用不同点火提前角时，最高燃烧压力所对应的曲轴转角。如图3所示，当点火提前角为21°CA、22°CA、23°CA时，整个转速变化范围内最高燃烧压力出现位置均在此范围内。结合图2，当点火提前角为21°CA、22°CA、23°CA时，最高燃烧压力也保持着较高的水平。故将对点火提前角为21°CA、22°CA、23°CA时的主要动力性指标和经济性指标进行对比分析，以期获得较为合理的方案。

图3 最高燃烧压力所对应的曲轴转角变化

3 动力性及经济性对比分析

各转速下，采用不同点火提前角时，有效功率的变化状况如图4所示。有效功率的变化趋势为，在整个转速范围内，随着转速的提高，增大点火提前角，可增大有效功率，但变化不明显。

图4 有效功率的变化

图5 机械损失功率的变化

图5显示了采用不同点火提起角时，机械损失随转速的变化关系。其整体的变化趋势为随着点火提前角、转速的增加，机械损失增大。其主要原因是，虽然提高最高燃烧压力对提高有效功率有一定的促进作用，但同时也造成了活塞环背压、活塞裙部对气缸壁侧压及轴承负荷的增加，使得摩擦力增大，从而提高了机械损失。

另外，当转速提高后，发动机各摩擦副表面的相对运动速度增大，造成了摩擦损失的增加；同时，转速上升还会引起各运动部件的惯量增加，从而使得机械损失加大。

图6为有效转矩的变化，当转速在1 500～2 000 rpm范围内，且点火提前角为21°CA时，有效转矩最高；当转速在2 500～3 500 rpm范围内变化，点火提前角为22°CA时，有效转矩达到较高的水平；而当转速达到4 000～5 500 rpm，点火提前角为23°CA时有效转矩达到最大。

提高发动机的转速，一方面可增加气缸内湍流的强度，有利于提高可燃混合气的形成速度，使得可燃混合气更为均匀，从而提高了火焰的传播速度；另一方面，当转速提高后，使得残余废气系数增加，强度过大的湍流又使电火花被吹走的倾向增加，从而对燃烧过程造成了不利的影响。因此，为保证发动机在各转速下，均能获得较好的动力性，应使点火提前角随着转速的提高而增大。

图7显示了有效燃油消耗率的变化状况，由该图可知，当转速在1 500～2 500 rpm范围内变化，且点火提前角为23°CA时，有效燃油消耗率最高，而点火提前角为21°CA、22°CA时，有效燃油消耗率相当，且点火提前角为22°CA时略高；当转速在3 000～4 000 rpm之间变化，且点火提前角为22°CA时，有效燃油消耗率最低；转速为4 500 rpm，点火提前角为22°CA与23°CA时的有效燃油消耗率相当；当转速高于4 500 rpm，点火提前角为23°CA时有效燃油消耗率达到较低的水平。整体呈现出，随着转速的提高，有效燃油消耗率随点火提前角的增大而减小。

图6 有效转矩的变化

图7 有效燃油消耗率的变化

据此确立以下三种方案，如表4所示，对动力性和经济性进行对比分析。

表4 点火提前角与转速匹配方案

图8、图9分别为以上三种方案的有效转矩和有效燃油消耗率的对比。

图8显示，三种方案均存在着一定的转速变化范围使得有效转矩保持在一较高的水平，而在采用方案一时，整个转速变化范围较方案二、三更为宽广。其范围值为2 500～4 500 rpm，且有效转矩随转速的增加而增加，且趋势逐渐变缓。

图8 有效转矩对比

图9中，三种方案，在整个转速变化范围内，有效燃油消耗率的变化基本相同，均在转速为2 000～3 500 rpm范围内变化时，保持着较低的水平，且变化趋势较为缓慢，而当转速在2 500～3 000 rpm范围内变化时达到最低，但采用方案一时，略高于其他两种方案。

图9 有效燃油消耗率对比

4 结论

论文利用AVL Boost建立了四缸四冲程汽油机的热力学仿真模型，以模拟不同点火提前角对汽油机性能的影响。首先，分析了点火提前角在19～24°CA范围内，按1°CA步长增加时，不同转速下最高燃烧压力随其变化的关系。其次，在对点火提前角为21°CA、22°CA、23°CA时的主要动力性指标和经济性指标进行对比。最后，确定了三种不同的点火提前角匹配方案，并对其进行对比。通过上述分析可知：

(1)最高燃烧压力随转速的增加而增加，而对于某一特定转速，均有一点火提前角使其最高燃烧压力达到最大值。

(2)在整个转速变化范围内，随着转速的提高，增大点火提前角，可增大有效功率，但变化不明显。而有效转矩则有较为明显的增加。

(3)在整个转速变化范围内，随着转速的提高，可适当的增大点火提前角对降低发动机的有效燃油消耗率具有有利的影响。

(4)所确定的三种点火提前角匹配方案中，在有效燃油消耗变化不大的情况下，方案一可以获得较高且较为宽广的有效转矩变化范围。