最佳点火角选择方法分析及试验验证

谢庆年，李 岩，陈 琳

(1.上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007；2.武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉 430070)

随着内燃机电控系统的发展，汽油机点火角控制及相关燃烧参数对汽油机开发与控制至关重要，特别是很多新技术的应用，如中冷高EGR(exhausts gas recirculated)率、米勒循环、阿特金森循环、变压缩比、停缸、预燃室等新方案方法，对点火时机及燃烧稳定性提出了更高的要求[1]。笔者结合试验数据，对最佳点火角MBT(mininum advance for best torque),点火角及各缸工作均匀性(燃烧稳定性)进行分析，提出了一种更为迅速准确的确定最佳点火角的方法。

1 最佳点火角MBT

发动机在最大扭矩下的最小点火提前角定义为最佳点火角MBT[2]。在不考虑爆震的情况下，全负荷下点火角与发动机扭矩关系曲线如图1所示[3]。

图1 全负荷下点火角与发动机扭矩关系曲线

部分负荷下点火角与发动机油耗率关系曲线如图2所示。

图2 部分负荷下点火角与发动机油耗率关系曲线

2 最佳点火角选择

点火角是决定点燃式发动机燃烧时间的最关键参数。在工程实践中，最佳点火角的选择与确定是发动机开发过程中热力学开发、燃烧开发、性能开发及零部件选型中最重要的一环，而在以往的项目过程中，确定最佳点火角最普遍的方式是与图1和图2过程类似的对各目标工况逐一反复对点火角进行扫描记录，再进行数据分析处理，以数据点火角-扭矩曲线图中的拐点作为最佳点火角[4]。这就导致确定最佳点火角的过程中，不仅工作量非常大，对测量精度要求也非常高，在某些无法找到明确拐点的情况下，即使重新进行试验检查，仍存在无法明确确定最佳点火角位置的情况。若发动机开发过程中各方案差别不是十分明显，则很难确定方案差异是不是由过程误差引起的，对各方案的对比分析也十分不利。因此，找到一种不需要进行大量扫点工作，可以迅速、准确、直接地确定最佳点火角的方法，不仅可以大幅减少试验时间、提高工作效率，也能大幅度提升发动机开发过程中方案对比和验证的效率。

发动机的燃烧时间与点火角密切相关，燃烧时间通常用燃烧过程释放出一半热量的时间来衡量(AI50)，此时刻与最大放热率出现的时刻大致相同[5-7]。在实际的汽油发动机中，燃烧时间会影响传热损失的速率[8-9]。因此，最佳的燃烧时间需要在燃烧时间导致的热效率损失和传热损失之间进行优化以达到最高的热效率。由于燃烧放热时间偏离上止点对热效率有直接影响，使有效压缩比降低，放热时间偏离上止点造成的热效率降低并不与燃烧放热时间偏离上止点的时间或曲轴转角(crank angle, CA)呈线性关系。

活塞在上止点附近移动较慢，因此在上止点附近燃烧时间变化对热效率降低的影响很小。根据相关资料，当燃烧放热时间在上止点前后±10度曲轴转角内变化时，热效率降低不到原来的2%[10]。只有当燃烧时间进一步偏离上止点以后，活塞移动速度加快，热效率的降低才开始对燃烧时间变化敏感。

从图1和图2可知，当点火提前角为10°CA左右时，发动机输出扭矩最大并且燃油消耗率最低。下面将通过试验方法对此结论进行验证。

依照表1的工况，以某1.2 L自然吸气汽油发动机为基础，对非爆震工况点进行扫点试验并测量记录。

表1 转速与负载关系表

试验中，转速范围为800～6 000 r/min；负荷范围为相对进气量的60～240 mg/stk；在每一工况下，分别测量记录AI50为4 ℃A、6 ℃A、8 ℃A、10 ℃A、12 ℃A的扭矩值。

标准工况下，顺序完成扫点后，剔除异常点，共得到575个数据测量点，对这些测量数据进行处理：对测量点依照转速、负荷对扭矩进行分组排序，由于每组有5个测量点，因此按照扭矩等级从大到小分为1～5级，AI50与扭矩等级关系如表2所示。

表2 AI50与扭矩等级关系表 N·m

根据测量的统计数据，依据数据密度进行差值分析，得到等高趋势图，结果如图3所示。

图3 AI50与扭矩关系统计图

从图3可知，在不同的AI50值下，最大扭矩点主要集中在AI50为8°CA附近，区分明显，并且负荷AI50值前后两个方向扭矩均减小。

以上试验可以证明在进行某些需要迅速得到最佳点火角、最大扭矩的应用时，非爆震工况下直接以AI50=8～10°CA为标准即可。这样可以将点火角扫描的工作量减少90%以上，并且同时可以保证较高的数据精度。

3 结论

通过以上研究可知，要保证发动机在整车上有良好的扭矩输出，在台架试验过程中就必须确定好每一个工况下的最佳点火角，以保证发动机在此工况下能输出最大扭矩，以达到经济性和动力性平衡的要求。传统的最佳点火角的确定过程十分繁琐并效率不高，采用上述确定最佳点火角的新方法，可以迅速、准确、直接地确定最佳点火角，减少试验时间及工作量，并可以保证足够精度，在试验过程中即可直观准确地对各方案的表现进行客观直接的对比分析。