影响发动机最佳点火提前角因素的对比分析

刘军 杨庆利 李奎

摘要：发动机点火提前角影响汽车发动机的动力性、经济性、排放等性能指标，为加深对最佳点火提前角受相关因素影响的理解，本文对发动机最佳点火提前角的影响因素进行了梳理与分析。

关键词：最佳点火提前角;影响因素;对比分析

中图分类号：TK441+.1                                    文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）16-0046-02

0  引言

目前，汽车电子控制点火系统（ESA）可监控各项影响发动机最佳点火提前角因素，并对点火提前角进行修正，可使发动机实际点火提前角接近最佳点火提前角。计算机控制点火系的点火提前角由三部分组成：初始点火提前角（又称为原始点火提前角）、基本点火提前角和修正点火提前角。即实际点火提前角=初始提前角+基本提前角+修正提前角，如图1所示。

1  最佳点火提前角概念与实现最佳点火提前角意义

混合气从点燃到燃烧终了需要一定时间，在混合气燃烧的同时，活塞、曲轴也在运转。从点火时刻到活塞到达上止点的这段时间内曲轴转过的角度称为点火提前角。

发动机燃烧室压力最大值出现在活塞到达上止点后，曲轴转角10～15°时，所对应的点火时刻，即為发动机最佳点火提前时刻。从点火到活塞到达上止点这段时间内，对应的曲轴转角即是发动机最佳点火提前角。

理论上最小点火提前角为0°。为了防止在做功行程才点燃混合气，造成动力损失，往往将点火提前角设为5°以上，这也是启动转速所需要的角度。最大点火提前角也不能太大，一般不能超过60°，否则振动和温升问题将凸显，发动机效率也将下降。

最佳点火提前角的意义是在各种不同工况下，使气体膨胀趋势最大段处于活塞做功下降行程，这样效率最高，振动最小，温升最低。可以获得最大的能量转换效率，获得最好的动力性、经济学、排放性综合指标。

2  影响发动机点火提前角的因素与分析

2.1 发动机转速

影响点火提前量最大的因素是转速。假设气缸内混合气燃烧速度相同的前提下，从点火到混合气燃烧终了的时间固定，随曲轴角速度增加，点火提前角对应呈线性增加，此时的曲轴转角即随着转速的提升而增加，对应的点火时刻相应提前，如公式（1）所示。可理解为随转速增加，转过同样角度的时间变短，只有更大的提前角才能得到相应的提前时间。

ω=θ/t（1）

2.2 负荷

当发动机负荷增加时，相同转速下，发动机节气门开度更大，产生更大的进气量和对应的喷油量。燃烧室内吸入更多的混合燃气，在相同压缩比的情况下，在活塞达到上止点时燃烧室内的温度和压力更大，导致燃烧速度更快，减少了从点火到燃烧终了的时间。根据公式（1），将同款发动机在重载和轻载的不同工况下，当发动机处于相同转速时，对应的点火提前角θ会随混合气燃烧时间减少而相应减小，因此随负荷增大最佳点火提前角应减小。

2.3 辛烷值

当发动机选用不同辛烷值的燃油时，抗爆性好的油品可以使用更大的点火提前角，当发动机处于爆震边缘时，将会具备更良好的发动机动力性。因此，发动机点火提前角应随发动机选用油品辛烷值增加而适当增加。

2.4 压缩比

当缸径相同的发动机压缩比增大时，燃烧室内混合气压力、温度相应提升，燃烧室内混合气燃烧速度增加，混合气燃烧时间t减少，其他条件相同、转速相同前提下将两台发动机进行对比，最佳点火提前角θ随压缩比增大相应减小。情况与增大发动机负荷类似。

2.5 混合气浓度

空气过量系数为0.8时，燃烧室内混合气燃烧速度最快，对应时间最短，应选取最小的点火提前角。在空气过量系数为0.8的基础上，混合燃气过浓或过稀时，燃烧室内混合气燃烧速度减慢，对应的燃烧时间延长，相同转速下的同款发动机，当混合燃气过浓或过稀时，点火提前角应相应增加。具体增加数值要以不同混合气浓度下发动机燃烧实验数据为准。

2.6 大气压力

随着发动机所处的气压条件增大，发动机吸气冲程吸入空气量增加，发动机对应的喷油量增加，使发动机燃烧室压缩终了时温度、压力上升，导致同转速下燃烧时间减少，对应点火提前角θ减小。提前角调整情况与增大负荷、压缩比效果类似。

2.7 火花塞数量

特种车辆在发动机每个气缸中布置多个火花塞，在点火时导致燃烧室内燃烧速度大幅增加，燃烧时间t减少。因此，在相同转速下，气缸内多火花塞设计发动机点火提前角应减小。

2.8 启动和怠速工况特殊要求

在发动机启动和怠速等特殊工况时，主要考虑保证发动机可靠启动与怠速的持续稳定运转。不将发动机排放性、经济性、动力性作为主要目标进行设计。此时经常将点火提前角设置为0°。

3  保证发动机最佳点火提前角的技术方案

基本点火提前角是指在初始点火提前角的基础上，控制单元根据发动机转速和负荷（进气管压力或空气流量）大小自动使点火提前角进一步增大，点火提前角增大的部分就是基本点火提前角。传统车辆中控制发动机点火提前角随转速变化的总成为离心式点火提前机构。控制发动机负荷与点火提前角关系总成为真空式点火提前机构。经验证，调节效果不够精准，无法准确适应发动机工况。

修正点火提前角是指控制单元根据发动机冷却水温度、节气门开度、爆震传感器信号、氧传感器信号等参数确定出点火提前角修正量。目前，多款车辆通过发动转速传感器、曲轴位置传感器、节气门开度传感器、进气压力传感器、发动机爆震传感器、水温传感器等感知发动机工况，通过车载ECU查询修正点火提前角并连接点火控制器，为各缸提供准确合理的点火时刻，从而获得最优的发动机动力性、经济性和排放性综合性能，如图2。

参考文献：

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