發(fā)動機點火提前角研究

李瑞欣 王超 李歡

安徽江淮汽車技術(shù)中心發(fā)動機設(shè)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(guī)在現(xiàn)今時代的發(fā)展中越來越明確、嚴格，節(jié)約能源是現(xiàn)今時代中最為主流的發(fā)展意識，這一意識在發(fā)動機的性能研究中也成為了未來發(fā)展的主要方向。點火提前角是發(fā)動機電控部分的重要控制參數(shù)，點火提前角過大，則燃燒過程提前，缸內(nèi)最高爆發(fā)壓力變大，發(fā)動機易出現(xiàn)爆震現(xiàn)象，點火提前角過小，則燃燒過程持續(xù)到膨脹階段，缸內(nèi)最高爆發(fā)壓力降低，傳熱量增加，導致發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性不斷下滑。故而，改善發(fā)動機點火提前角以及相關(guān)性能顯得尤為重要。本文首先利用臺架試驗得到發(fā)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(fā)動機仿真模型，對其缸內(nèi)工作過程進行了模擬，初步分析了點火提前角對發(fā)動機功率、缸內(nèi)平均有效壓力、殘余廢氣系數(shù)、充氣效率的影響；最后，將ISIGHT與BOOST聯(lián)合，在ISIGHT環(huán)境下，以功率最大為優(yōu)化目標，對點火提前角進行了優(yōu)化。

2 試驗儀器及發(fā)動機基本參數(shù)

CB125發(fā)動機在運行過程中的基本參數(shù)，如表1所示。

經(jīng)試驗得到不同轉(zhuǎn)速、不同節(jié)氣門開度下CB125發(fā)動機初始點火時刻MAP圖，如圖1所示。從圖中知隨著轉(zhuǎn)速的升高，發(fā)動機點火時刻逐漸提前，這是因為轉(zhuǎn)速越高，則發(fā)動機每循環(huán)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(jié)氣門開度的增大，點火時刻變化較小。

表1 CB125發(fā)動機運行過程中的參數(shù)值

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

3 BOOST電噴發(fā)動機模型建立及性能仿真

3.1 參數(shù)設(shè)置及模型建立

圖3為所建BOOST電噴發(fā)動機模型。其中邊界模擬發(fā)動機實際進排氣工作環(huán)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(jié)氣門采用節(jié)流閥模擬節(jié)氣門，流量系數(shù)和節(jié)氣門開度對應(yīng)關(guān)系根據(jù)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(jié)氣門全開時，缸內(nèi)各個燃燒模型參數(shù)值見表1。

3.2 BOOST電噴發(fā)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(xù)發(fā)展中能夠精準模擬發(fā)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(jié)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(jié)氣門全開時，轉(zhuǎn)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(nèi)。兩者功率曲線較吻合。在小節(jié)氣門開度下試驗速度特性數(shù)據(jù)與仿真速度特性數(shù)據(jù)兩者誤差較小，皆符合要求。

表3 節(jié)氣門全開運轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)速不同階段中準維模型參數(shù)值

3.3 點火提前角對發(fā)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(fā)動機點火提前角的調(diào)整特性圖。從該圖中可以看出，在節(jié)氣門全開且轉(zhuǎn)速能夠達到4000、4500、6000r·min-1時，發(fā)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(jù)圖表可知，任何轉(zhuǎn)速下都有一個最佳的點火提前角值，該值下發(fā)動機功率最大，且轉(zhuǎn)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(fā)動機轉(zhuǎn)速達到4000r min-1時，不同點火提前角下，缸內(nèi)的平均有效壓力數(shù)據(jù)，因為功率、缸內(nèi)平均有效壓力在發(fā)動機實際運轉(zhuǎn)的過程中成正比關(guān)系。因此，曲線的變化趨勢應(yīng)該統(tǒng)功率的變化趨勢相同。

4 結(jié)語

（1）經(jīng)發(fā)動機臺架試驗得到發(fā)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(chǔ)，通過臺架試驗得到的發(fā)動機功率、扭矩、油耗率數(shù)據(jù)，驗證了BOOST發(fā)動機模型的正確性；經(jīng)BOOST仿真得到點火提前角調(diào)整特性圖，節(jié)氣門開度一定時，隨著轉(zhuǎn)速的升高，發(fā)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(zhuǎn)速，都具備相應(yīng)的最佳點火數(shù)值，保障發(fā)動機達到最大功率。點火提前角越大，發(fā)動機缸內(nèi)最高爆發(fā)壓力和缸內(nèi)參與廢氣系數(shù)越大。