發動機點火提前角研究

李瑞欣 王超 李歡

安徽江淮汽車技術中心發動機設計院 安徽省合肥市 230000

1 引言

隨著我國法律的不斷健全，排放法規在現今時代的發展中越來越明確、嚴格，節約能源是現今時代中最為主流的發展意識，這一意識在發動機的性能研究中也成為了未來發展的主要方向。點火提前角是發動機電控部分的重要控制參數，點火提前角過大，則燃燒過程提前，缸內最高爆發壓力變大，發動機易出現爆震現象，點火提前角過小，則燃燒過程持續到膨脹階段，缸內最高爆發壓力降低，傳熱量增加，導致發動機的動力性、經濟性不斷下滑。故而，改善發動機點火提前角以及相關性能顯得尤為重要。本文首先利用臺架試驗得到發動機功率、扭矩、油耗率、初始點火MAP圖和噴油MAP圖；之后采用AVL BOOST軟件建立了單缸四沖程電控發動機仿真模型，對其缸內工作過程進行了模擬，初步分析了點火提前角對發動機功率、缸內平均有效壓力、殘余廢氣系數、充氣效率的影響；最后，將ISIGHT與BOOST聯合，在ISIGHT環境下，以功率最大為優化目標，對點火提前角進行了優化。

2 試驗儀器及發動機基本參數

CB125發動機在運行過程中的基本參數，如表1所示。

經試驗得到不同轉速、不同節氣門開度下CB125發動機初始點火時刻MAP圖，如圖1所示。從圖中知隨著轉速的升高，發動機點火時刻逐漸提前，這是因為轉速越高，則發動機每循環所用時間相對越短，在燃燒過程一致時，需增加點火提前角，使燃燒過程提前，保證輸出功率。隨著節氣門開度的增大，點火時刻變化較小。

表1 CB125發動機運行過程中的參數值

圖2為試驗過程中，測得的發動機不同工況下噴油脈寬。在高轉速大節氣門開度下，噴油量較高，這是因為該發動機在高轉速時扭矩達到最大值，在高轉速下為了保證發動機對外輸出功率最大，故需增加噴油量。根據試驗得到的噴油脈寬值和初始點火數值，為之后BOOST模型建立提供了數據。

3 BOOST電噴發動機模型建立及性能仿真

3.1 參數設置及模型建立

圖3為所建BOOST電噴發動機模型。其中邊界模擬發動機實際進排氣工作環境，進氣溫度為298K，進氣壓力為1.01bar，排氣管末端溫度400K，排氣壓力1.03bar。節氣門采用節流閥模擬節氣門，流量系數和節氣門開度對應關系根據試驗測得的進氣壓力和理論公式計算得到[2，3]。燃燒模型采用準維燃燒[2]，傳熱模型采用Woschni 1978（伏西尼公式）。其中節氣門全開時，缸內各個燃燒模型參數值見表1。

3.2 BOOST電噴發動機模型的驗證

為了進一步保障所做模型能夠滿足要求，使其在后續發展中能夠精準模擬發動機的整個工作過程。本文在實驗時對模型進行了驗證，圖4、圖5分別為仿真結果與樣機臺架試驗外特性曲線和80%開度下速度特性對比。從圖中知，在節氣門全開時，轉速為5000r/min時試驗與仿真扭矩誤差最大為3.5%，兩者誤差在允許誤差范圍5%之內。兩者功率曲線較吻合。在小節氣門開度下試驗速度特性數據與仿真速度特性數據兩者誤差較小，皆符合要求。

表3 節氣門全開運轉時，轉速不同階段中準維模型參數值

3.3 點火提前角對發動機性能影響

在保證所見模型符合要求的情況下，采用試湊法[3]。圖6主要指的是發動機點火提前角的調整特性圖。從該圖中可以看出，在節氣門全開且轉速能夠達到4000、4500、6000r·min-1時，發動機的功率隨著點火提前角的增大而不斷提升，并在一定的點火角度達到最大功率，隨后，不斷降低功率。根據圖表可知，任何轉速下都有一個最佳的點火提前角值，該值下發動機功率最大，且轉速越高，功率達到最大值時所需點火提前角越大。

圖7主要指的是當發動機轉速達到4000r min-1時，不同點火提前角下，缸內的平均有效壓力數據，因為功率、缸內平均有效壓力在發動機實際運轉的過程中成正比關系。因此，曲線的變化趨勢應該統功率的變化趨勢相同。

4 結語

（1）經發動機臺架試驗得到發動機不同工況下噴油脈寬和初始點火提前角，為之后BOOST模型標定奠定了基礎，通過臺架試驗得到的發動機功率、扭矩、油耗率數據，驗證了BOOST發動機模型的正確性；經BOOST仿真得到點火提前角調整特性圖，節氣門開度一定時，隨著轉速的升高，發動機功率在達到最大值時，點火提前角也隨之提升，而且無論是哪一轉速，都具備相應的最佳點火數值，保障發動機達到最大功率。點火提前角越大，發動機缸內最高爆發壓力和缸內參與廢氣系數越大。