直噴汽油機(jī)最佳點(diǎn)火提前角控制算法的研究

摘要：通過試驗(yàn)研究了點(diǎn)火提前角對直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況通過理論分析與試驗(yàn)相結(jié)合，研究了外界因素對直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)最佳點(diǎn)火提前角的影響，給出了各因素對直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)最佳點(diǎn)火提前角相應(yīng)的修正補(bǔ)償，結(jié)合目前實(shí)際運(yùn)用中對汽油發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火提前角的控制提出了一種對直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)最佳點(diǎn)火提前角的控制算法，該控制算法可更簡單，更精確，更有效地實(shí)現(xiàn)對汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳點(diǎn)火提前角的控制。

關(guān)鍵詞：直噴汽油機(jī)，控制算法，試驗(yàn)研究，點(diǎn)火角提前角

中圖分類號(hào)：U464.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1005-2550（2013）04-0030-04

隨著全球能源的不斷衰竭及對環(huán)境問題的高度重視，世界各國對汽車排放法規(guī)的要求也越來越苛刻，因此對發(fā)動(dòng)機(jī)控制精度的要求及一些新技術(shù)的運(yùn)用也越來越備受重視。點(diǎn)火提前角對于直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)來說是至關(guān)重要的控制參數(shù)，點(diǎn)火提前角設(shè)置的合理性及控制精度直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放等指標(biāo)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行的工況及所處的環(huán)境不同對點(diǎn)火提前角的控制會(huì)有很多的差異，因而影響直噴汽油機(jī)點(diǎn)火角的因素很多，在理論分析的基礎(chǔ)上通過大量的試驗(yàn)研究和實(shí)際運(yùn)用探究了各主要影響因素對直噴汽油機(jī)點(diǎn)火提前角的影響及直噴汽油機(jī)實(shí)際運(yùn)用過程中對最佳點(diǎn)火提前角的控制算法，本文將對這一問題進(jìn)行專題研究討論。

1 點(diǎn)火提前角對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

點(diǎn)火提前角對汽油發(fā)動(dòng)機(jī)來說是一個(gè)極為重要的燃燒控制參數(shù)，點(diǎn)火提前角直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率[1]，對發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放等都有顯著的影響，尤其對提升發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，性改善經(jīng)濟(jì)性尤為明顯。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在小負(fù)荷區(qū)域時(shí)，由于負(fù)荷較小，氣缸內(nèi)混合氣燃燒的溫度較低且缸內(nèi)壓力也相對較低，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)不容易產(chǎn)生爆燃現(xiàn)象，因此發(fā)動(dòng)機(jī)在小負(fù)荷區(qū)域點(diǎn)火提前角有足夠的調(diào)節(jié)空間到達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)性能最優(yōu)的最佳點(diǎn)火時(shí)刻，即MBT點(diǎn)，如圖1所示。

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在中大負(fù)荷區(qū)域時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量大、缸內(nèi)混合氣燃燒的溫度高及缸內(nèi)燃燒壓力大的因素，此時(shí)很容易出現(xiàn)爆燃現(xiàn)象。也正是由于汽油機(jī)爆燃的存在導(dǎo)致汽油機(jī)在中大負(fù)荷區(qū)域點(diǎn)火提前角的調(diào)節(jié)范圍小，很難使點(diǎn)火提前角調(diào)節(jié)到MBT點(diǎn)，使得發(fā)動(dòng)機(jī)在中大負(fù)荷區(qū)域經(jīng)濟(jì)性差、動(dòng)力性不足，對于缸內(nèi)直噴汽油機(jī)來說對點(diǎn)火提前角的敏感性尤甚，見圖2。因此在發(fā)動(dòng)機(jī)中大負(fù)荷區(qū)域?qū)崿F(xiàn)對點(diǎn)火提前角的精確控制對改善發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性有為重要，特別是缸內(nèi)直噴汽油機(jī)。

2 點(diǎn)火提前角的影響因素

由于發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況及所處的環(huán)境（環(huán)境溫度、濕度及海拔等）不同，對發(fā)動(dòng)機(jī)輸出最佳點(diǎn)火提前角也不盡相同，因此為實(shí)現(xiàn)對缸內(nèi)直噴汽油點(diǎn)火提前角的精確控制，必須充分考慮發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況、所處外界因素及發(fā)動(dòng)機(jī)本體一些控制模塊的改變對點(diǎn)火提前角的影響。

2.1 水溫對點(diǎn)火提前角的影響

水溫對點(diǎn)火提前角的影響，主要在于考慮發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在不用的冷卻水溫下對點(diǎn)火提前角的修正：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水溫度比較低的情況下，意味著燃燒室中的溫度也相對較低、油氣混合相對較差、燃燒速率降低以及發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震傾向較低，此時(shí)適當(dāng)增大點(diǎn)火提前角可提高熱效率從而提升發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。但隨著發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度的升高，燃燒室內(nèi)油氣混合氣在壓縮終了的溫度也會(huì)隨之升高，發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震傾向?qū)㈦S之加大，此時(shí)應(yīng)適當(dāng)減小點(diǎn)火提前角以保證發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行安全，發(fā)動(dòng)機(jī)在各負(fù)荷下冷卻水溫度對點(diǎn)火提前角的影響如圖3所示。

2.2 進(jìn)氣溫度對點(diǎn)火提前角的影響

進(jìn)氣溫度對點(diǎn)火提前角的影響，主要是考慮發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在不同季節(jié)及不同天氣條件下的修正：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在較低的氣溫下運(yùn)行時(shí)，氣缸內(nèi)可燃混合氣的燃燒速率降低，同時(shí)由于進(jìn)氣溫度較低將使得氣缸內(nèi)的溫度降低，因此發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震傾向?qū)㈦S之減弱，此時(shí)可適當(dāng)增大點(diǎn)火提前角以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。但隨著發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度的升高使得發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)壓縮終了的溫度升高，發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震傾向?qū)?huì)逐漸增大，此時(shí)應(yīng)逐漸隨著進(jìn)氣溫度的升高減小點(diǎn)火提前角以保證發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行安全，進(jìn)氣溫度對發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火提前角影響如圖4所示。

2.3 空燃比對點(diǎn)火提前角的影響

空燃比對點(diǎn)火提前角的影響主要是考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在不同的空燃比下對最佳點(diǎn)火角的修正：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在較濃的空燃比工況時(shí)，由于較濃的空燃比對發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室具有冷卻效果可降低燃燒室內(nèi)的溫度，特別是GDI發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻效果更為明顯，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震傾向?qū)p弱，因此最佳點(diǎn)火提前角可隨著空燃比的變濃適當(dāng)?shù)脑龃笠蕴岣甙l(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性。但隨著空燃比的逐漸變稀（在可正常燃燒的范圍內(nèi)）雖對燃燒室的冷卻效果減弱但發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)可燃混合氣的燃燒速率也將隨著空燃比的逐漸減稀而變慢，此時(shí)可適當(dāng)增大點(diǎn)火提前角以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能，空燃比對點(diǎn)火提前角的影響如圖5所示。

2.4 多次噴射對點(diǎn)火提前角的影響

多次噴射對點(diǎn)火提前角的影響主要是考慮直噴汽油機(jī)在采用多次噴射時(shí)對發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火提前角的修正：常規(guī)下，燃油是在發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣沖程中一次性噴入氣缸，然后靠氣缸中氣流的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行充分混合形成可燃混合氣，此種方式可燃混合氣在氣缸的分布較均勻、燃燒速率也相對較快。但當(dāng)采用多次方式按照一定的噴射比例將燃油噴入氣缸中時(shí)，燃油和新鮮空氣的混合及可燃混合氣在氣缸中的分布較單次噴射方式將會(huì)有很大不同。同時(shí)將燃油按照不同的比例多次噴入氣缸時(shí)燃油可以很好的降低氣缸中溫度，采用多次噴射對發(fā)動(dòng)機(jī)爆震傾向的影響也會(huì)有所不同，因此采用多次噴射時(shí)對發(fā)動(dòng)機(jī)最佳點(diǎn)火角提前角也會(huì)有一定的影響，為更精確控制最佳點(diǎn)火提前角，在點(diǎn)火提前角的控制與計(jì)算時(shí)應(yīng)充分考慮到多次噴射對點(diǎn)火提前角的影響，多次噴射對點(diǎn)火提前角的影響趨勢如圖6所示。

2.5 外部EGR對點(diǎn)火提前角的影響

外部EGR對點(diǎn)火提前角的影響，主要是考慮到當(dāng)引入外部冷卻的EGR時(shí)對最佳點(diǎn)火提前角的修正：當(dāng)引入外部冷卻的EGR時(shí)，就會(huì)使進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)的混合氣中單位燃料所對應(yīng)的惰性氣體增加，燃燒室內(nèi)由于殘余廢氣的熱容量增加[2]，特別是廢氣中的 CO2 和水的摩爾比熱較大可有效地抑制氣缸內(nèi)燃燒溫度。同時(shí)由于燃燒室中惰性氣體的增加，使著火延遲期變長、燃燒速率下降，燃燒溫度也隨之下降，因此在爆震產(chǎn)生的機(jī)理上降低了發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生爆震的傾向。

引入外部EGR后，由于燃燒速率變慢及大大降低了發(fā)動(dòng)機(jī)爆震傾向，所以應(yīng)充分考慮EGR對發(fā)動(dòng)機(jī)最佳點(diǎn)火提前角的影響提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性，EGR對點(diǎn)火提前角影響如圖6所示。

3 最佳點(diǎn)火提前角的控制算法

為精確控制發(fā)動(dòng)機(jī)最佳點(diǎn)火角提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性，必須要充分考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況及各主要因素的改變對點(diǎn)火提前角的影響[3]，因此結(jié)合以上對發(fā)動(dòng)機(jī)最佳點(diǎn)火提前角影響因素的試驗(yàn)研究和實(shí)際運(yùn)用中對點(diǎn)火提前角的控制，本文提出如圖8所示切實(shí)可行且更為簡單、靈活的實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在不同環(huán)境、工況下對最佳點(diǎn)火提前角的控制算法。

實(shí)現(xiàn)這一對直噴汽油機(jī)最佳點(diǎn)火提前角的控制算法的基本思路就是，將影響發(fā)動(dòng)機(jī)最佳點(diǎn)火提前角的各因素作為一個(gè)修因子，也就是當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在各環(huán)境下時(shí)在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出基礎(chǔ)點(diǎn)火角的基礎(chǔ)上，加上各因素對最佳點(diǎn)火提前角的修正量，通過此種控制算法可靈活地實(shí)現(xiàn)對最佳點(diǎn)火提前角的精確控制，無論發(fā)動(dòng)機(jī)在任何工況環(huán)境下均可時(shí)刻保證發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳點(diǎn)火提前角下運(yùn)行。要保證相應(yīng)修正量的準(zhǔn)確可靠，必須對這些修正因子在相應(yīng)的影響因素下進(jìn)行精確的標(biāo)定。

4 結(jié)語

（1） 點(diǎn)火提前角對汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性有著重要影響。

（2） 發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況及環(huán)境等因素的改變對汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳點(diǎn)火提前角有著很大的影響。

（3） 本文提出的對直噴汽油機(jī)最佳點(diǎn)火提前角的控制算法可很容易地實(shí)現(xiàn)對最佳點(diǎn)火提前角的精確控制，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行各工況及環(huán)境下可時(shí)刻控制發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳點(diǎn)火提前角，但為保證各影響因素的修正準(zhǔn)確，必須對各影響因素下的點(diǎn)火角修正量進(jìn)行合理的標(biāo)定。

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