電控汽油發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)流點(diǎn)火提前角分析

◆文/山東 焦建剛

一、混合汽的燃燒過程

混合汽的燃燒包含著火落后期、明顯燃燒期、補(bǔ)燃期(后燃期) 三個(gè)過程。

1.著火落后期

從火花塞跳火開始到形成火焰中心為止這段時(shí)間稱為著火落后期?；鸹ㄈ鸷螅⒉荒芰⒖绦纬苫鹧嬷行?，因?yàn)榛旌掀趸磻?yīng)需要一定時(shí)間?；鸹芰渴咕植繙囟妊杆偕?，(火花放電時(shí)兩極電壓在15 000V以上，混合汽局部溫度可達(dá)2 000℃)，加快了混合汽的氧化反應(yīng)速度。當(dāng)這種反應(yīng)達(dá)到一定程度時(shí)(約0.001～0.002s)，出現(xiàn)發(fā)光區(qū)，形成火焰中心。此階段缸內(nèi)壓力無明顯升高。

著火落后期的長短與燃料本身的分子結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)、過量空氣系數(shù)(φat=0.8～0.9時(shí)最短)、開始點(diǎn)火時(shí)汽缸內(nèi)溫度和

圖7 測(cè)量螺栓直徑

六、深凹槽型螺栓

沒有強(qiáng)度標(biāo)記的深凹槽型螺栓是六角頭上有減重凹槽的法蘭螺栓，是按法蘭外徑進(jìn)行的分類(圖8)，它們的法蘭外徑比帶有法蘭頭的標(biāo)準(zhǔn)螺栓的直徑要大。安裝這類螺栓應(yīng)小心地裝在正確的位置并施加規(guī)定的扭矩。

圖8 深凹槽型螺栓

七、均勻支承應(yīng)力螺栓

均勻支承應(yīng)力螺栓(圖9)的結(jié)構(gòu)能防止松動(dòng)。因?yàn)樵谒菟^的下法蘭面上滾壓或鍛造一個(gè)5～60′的小角度，這會(huì)導(dǎo)致法蘭在螺栓擰緊時(shí)彎曲，從而提供額外的摩擦力來保持螺栓緊固。此種螺栓可能標(biāo)或不標(biāo)強(qiáng)度標(biāo)記。

圖9 均勻支承應(yīng)力螺栓

八、內(nèi)六角花形頭螺栓

這種螺栓(圖10)的結(jié)構(gòu)能承受來自套筒到螺栓的更大的扭矩。在螺栓強(qiáng)度不變條件下，對(duì)安裝位置的空間要求可更小。按使用旋緊扳柄不同，分為“T型”和“E型”。壓力(取決于壓縮比)、殘余廢氣量、汽缸內(nèi)混合汽的運(yùn)動(dòng)、火花能量大小等因素有關(guān)。

圖10 內(nèi)六角花形頭螺栓

2.明顯燃燒期

從火焰中心形成到汽缸內(nèi)出現(xiàn)最高壓力為止，這段時(shí)間稱為明顯燃燒期。在示功圖上為汽缸壓力線脫離壓縮線開始急劇上升到壓力達(dá)到最高點(diǎn)。

當(dāng)火焰中心形成后，火焰前鋒以20～30m/s的速度從火焰中心開始逐層向四周的未燃混合汽傳播，直到連續(xù)不斷地掃過整個(gè)燃燒室?；旌掀慕^大部分(約80%以上)在此期間燃燒完畢，使汽缸內(nèi)壓力、溫度迅速升高，出現(xiàn)最高壓力點(diǎn)。

3.補(bǔ)燃期

從最高壓力點(diǎn)開始到燃料基本燃燒完為止稱為補(bǔ)燃期。這一階段的燃燒主要是明顯燃燒期火焰前鋒掃過的區(qū)域，部分未燃盡的燃料繼續(xù)燃燒；吸附在缸壁上的混合層繼續(xù)燃燒，部分H2、O2、CO等高溫分解產(chǎn)物，因在膨脹過程中溫度下降又重新燃燒、放熱?；旌掀娜紵^程如圖1所示。

圖1 混合汽的燃燒過程

二、點(diǎn)火提前角

混合汽在汽缸內(nèi)燃燒需占用一定的時(shí)間，所以混合汽不應(yīng)在壓縮行程上止點(diǎn)處點(diǎn)燃，而應(yīng)適當(dāng)?shù)靥崆?，使燃燒產(chǎn)生的最高壓力出現(xiàn)在上止后12°～15°，此時(shí)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)火提前角為最佳點(diǎn)火提前角。

1.混合汽燃燒時(shí)間

混合汽點(diǎn)火到完全燃燒約需2～3ms的時(shí)間。由于發(fā)動(dòng)機(jī)的工況、轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度及汽缸內(nèi)的混合汽濃度發(fā)生變化，導(dǎo)致了在不同工況下，汽缸內(nèi)混合汽燃燒時(shí)間的不同，所以，不能簡(jiǎn)單的一概而論。在汽油機(jī)一定的節(jié)氣門開度下，轉(zhuǎn)速隨負(fù)荷的變化而相應(yīng)變化。轉(zhuǎn)速增加時(shí)，汽缸中紊流增強(qiáng)，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌臁?/p>

隨轉(zhuǎn)速增加，壓縮過程所用時(shí)間縮短，散熱及漏氣損失減少，壓縮終了工質(zhì)的溫度和壓力較高，使以秒計(jì)的燃燒過程縮短。但縮短程度不如轉(zhuǎn)速增加的比例大，使燃燒過程相當(dāng)?shù)那S轉(zhuǎn)角增大，而以曲軸轉(zhuǎn)角計(jì)的著火落后期增長。

2.點(diǎn)火提前角與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系

提前點(diǎn)火(發(fā)火)點(diǎn)處曲軸和活塞位置如圖2所示。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速快，每一轉(zhuǎn)所用的總時(shí)間減少，相同時(shí)間內(nèi)，所轉(zhuǎn)過的曲軸轉(zhuǎn)角變大。如果要保證混合汽燃燒時(shí)間不變，只有隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)角速度增加，而延長或提前點(diǎn)火角度。變化的是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、點(diǎn)火提前的角度，基本不變的是用來使混合汽燃燒所需的時(shí)間，如圖3所示。

圖2 提前點(diǎn)火(發(fā)火)點(diǎn)處的曲軸和活塞位置

圖3 點(diǎn)火提前角與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系

3.怠速時(shí)的點(diǎn)火提前角

怠速時(shí)，點(diǎn)火提前角度一般為上止點(diǎn)前5°～10°，對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為17°～25°，燃燒所用時(shí)間大約為3.5～5.2ms。

4.發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 000r/m時(shí)的點(diǎn)火提前角

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 000r/min時(shí),點(diǎn)火提前角一般為上止點(diǎn)前30°～35°，對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為42°～50°，燃燒所用時(shí)間3.5～4.16ms。

5.發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速3 500r/min時(shí)的點(diǎn)火提前角

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速3 000r/min時(shí),點(diǎn)火提前角一般為上止點(diǎn)前35°～40°，對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為47°～55°，燃燒所用時(shí)間2.6～3.05ms。

6.發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)間關(guān)系

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)間關(guān)系列于表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)間關(guān)系

7.負(fù)荷對(duì)點(diǎn)火提前角的影響

在汽油機(jī)上，轉(zhuǎn)速保持不變，通過改變節(jié)氣門開度來調(diào)節(jié)進(jìn)入汽缸的混合汽量，以達(dá)到不同的負(fù)荷要求。

當(dāng)節(jié)氣門關(guān)小時(shí)，充量系數(shù)急劇下降，但留在汽缸內(nèi)的殘余廢氣量不變，使殘余廢氣系數(shù)及滯燃期增加，火焰?zhèn)鞑ニ俾氏陆担罡弑l(fā)壓力、最高燃燒溫度、壓力升高率均下降，冷卻液散熱損失相對(duì)增加，因而燃油消耗率增加。因此，隨著負(fù)荷的減小，最佳點(diǎn)火提前角要提早。反之，負(fù)荷增大，最佳點(diǎn)火提前角要推遲。當(dāng)車輛處于急加速或爬坡時(shí)，節(jié)氣門處于全開狀態(tài)，由于大量混合汽迅速進(jìn)入汽缸，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷迅速增加，混合汽燃燒速率加快，此時(shí)，如果燃油品質(zhì)不良或者標(biāo)號(hào)達(dá)不到要求，就會(huì)出現(xiàn)敲缸現(xiàn)象(圖4)。

圖4 最佳點(diǎn)火提前角隨負(fù)荷變化

8.點(diǎn)火提前角調(diào)整特性

當(dāng)汽油機(jī)保持節(jié)氣門開度、轉(zhuǎn)速、混合汽濃度一定時(shí)，汽油機(jī)功率和耗油率隨點(diǎn)火提前角改變而變化的關(guān)系稱為點(diǎn)火提前角調(diào)整特性(圖5)。

圖5 點(diǎn)火提前特性

對(duì)應(yīng)于每一工況都存在一個(gè)最佳點(diǎn)火提前角，這時(shí)汽油機(jī)功率最大，耗油率最低。點(diǎn)火過遲，則燃燒時(shí)間延長到膨脹過程，燃燒最高壓力和溫度下降，傳熱損失增多，排溫升高，熱效率降低，但爆燃傾向減小，NOx升高，功率、排放量降低。點(diǎn)火提前角不同時(shí)的p如圖6所示。

圖6 點(diǎn)火提前角不同時(shí)的p

9.正常燃燒與爆燃的比較

爆燃時(shí)，缸內(nèi)壓力曲線出現(xiàn)高頻大幅度波動(dòng)(鋸齒波)，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生一種高頻金屬敲擊聲，因此也稱爆燃為敲缸。

在汽油機(jī)中，凡是不靠電火花點(diǎn)火而由燃燒室內(nèi)熾熱表面(如排氣門頭部、火花塞絕緣體或零件表面熾熱的沉淀物等)點(diǎn)燃混合汽的現(xiàn)象統(tǒng)稱表面點(diǎn)火。正常燃燒與爆燃的比較如圖7所示。

圖7 正常燃燒與燃燒時(shí)

早燃是指在火花塞點(diǎn)火之前，熾熱表面點(diǎn)燃混合汽的現(xiàn)象。由于它提前點(diǎn)火而且熱點(diǎn)表面比火花大，使燃燒速率快，汽缸壓力、溫度增高，發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴，并且由于壓縮功增大，向缸壁傳熱增加，致使功率下降，火花塞、活塞等零件過熱。

早燃會(huì)誘發(fā)爆燃，爆燃又會(huì)讓更多的熾熱表面溫度升高，促使更劇烈的表面點(diǎn)火，兩者互相促進(jìn)，危害可能更大。

與爆燃不同，表面點(diǎn)火一般是在正?；鹧鏌街坝蔁霟嵛稂c(diǎn)燃混合汽所致，沒有壓力沖擊波，敲缸聲比較沉悶，主要是由活塞、連桿、曲軸等運(yùn)動(dòng)部件受到?jīng)_擊負(fù)荷產(chǎn)生振動(dòng)而造成。

因此，現(xiàn)代車輛的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火提前角是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷、功率、混合汽濃度、溫度等各項(xiàng)數(shù)據(jù)得出的最佳點(diǎn)火提前角，如果點(diǎn)火提前角不正確，則容易導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)爆震或動(dòng)力嚴(yán)重下降。為了避免燃油品質(zhì)不良或燃油標(biāo)號(hào)過低、以及汽缸內(nèi)積炭過多導(dǎo)致的爆震情況的發(fā)生，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元會(huì)根據(jù)爆震傳感器的信號(hào)來判斷是否有爆震發(fā)生，從而起到保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械的作用。

在一些特殊情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元也會(huì)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況，做出對(duì)點(diǎn)火提前角的調(diào)整，以控制發(fā)動(dòng)機(jī)保持在特殊情況下的工作。比如，當(dāng)出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率、扭矩超出發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、扭矩需求時(shí)，控制單元除了對(duì)燃油噴射量進(jìn)行調(diào)整外，還會(huì)推遲點(diǎn)火時(shí)刻來降低扭矩的輸出。有時(shí)候，這種調(diào)整是為了發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩輸出更加平滑，如踩下離合器踏板時(shí)，為了離合器結(jié)合時(shí)動(dòng)力輸出的平順性，控制單元往往要做出減少噴油量、推遲點(diǎn)火時(shí)刻的控制。但這種調(diào)整有時(shí)候受制于發(fā)動(dòng)機(jī)電腦的控制邏輯，有時(shí)候不一定非常的合理。

三、案例分析

下文以別克英朗清洗節(jié)氣門后的特殊情況進(jìn)行分析。

讀取數(shù)據(jù)流，得到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速接近1 000r/min時(shí)，進(jìn)氣量達(dá)到8.96g/s，節(jié)氣門開度達(dá)到16.3%，噴油時(shí)間為5.81ms，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷為59.2%。出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速高于正常怠速，加速遲緩、動(dòng)力不足的故障，如圖8所示。

同時(shí)，該發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后，還伴隨有排氣歧管燒紅的故障現(xiàn)象。車主反映車輛以前沒有發(fā)現(xiàn)異常，在近期進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)的保養(yǎng)作業(yè)后才出現(xiàn)。對(duì)于常規(guī)的保養(yǎng)作業(yè)如何會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)性能嚴(yán)重變差的故障這個(gè)問題，筆者初期也非常不解，如果單獨(dú)對(duì)前述的數(shù)據(jù)流進(jìn)行分析，得到的結(jié)論可能是空氣流量傳感器嚴(yán)重偏離特性，由于進(jìn)氣量信號(hào)過大，導(dǎo)致電腦控制的噴油時(shí)間過長，導(dǎo)致混合汽過濃，致使發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒速率放緩，發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降。

當(dāng)按照這個(gè)思路進(jìn)行排查時(shí)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)拔下節(jié)氣門前方的進(jìn)氣軟管，人為將進(jìn)氣量控制在正常范圍時(shí)，噴油器噴射時(shí)間略有降低，發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)了抖動(dòng)現(xiàn)象，此時(shí)的短期燃油修正值突然上升，噴油器的噴射時(shí)間又恢復(fù)到了6ms左右，這樣的結(jié)果，使筆者非常的迷惑。

進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)流中的短期燃油修正值及長期燃油修正值觀察，發(fā)現(xiàn)其值分別為-1%、-7%，說明怠速時(shí)，混合汽是處于正常混合比范圍內(nèi)的，而人為漏氣時(shí)，其值為正值，且上升到25%的極限值，說明此時(shí)的氧傳感器工作正常，更說明此時(shí)的進(jìn)氣量信號(hào)也是實(shí)際的進(jìn)氣量。再次對(duì)數(shù)據(jù)流中的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，突然發(fā)現(xiàn)點(diǎn)火正時(shí)的數(shù)據(jù)為-16.8°這十分不可思議。點(diǎn)火正時(shí)居然延遲到了上止點(diǎn)之后。這在常規(guī)點(diǎn)火正時(shí)控制中是不可能出現(xiàn)的，如果點(diǎn)火正時(shí)這樣遲，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率會(huì)嚴(yán)重下降。

由于清洗節(jié)氣門后，沒有對(duì)其進(jìn)行匹配，所以導(dǎo)致進(jìn)氣量、噴油量、點(diǎn)火正時(shí)嚴(yán)重偏離了正常范圍。該發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的控制方式比較奇特。由于積炭導(dǎo)致的節(jié)氣門開度過大，發(fā)動(dòng)機(jī)電腦記憶的初始節(jié)氣門位置就會(huì)過大，在針對(duì)節(jié)氣門進(jìn)行清洗作業(yè)后，如果沒有進(jìn)行節(jié)氣門初始化的話，其節(jié)氣門開度不會(huì)自動(dòng)減小，使通過節(jié)氣門的進(jìn)氣量過大，相應(yīng)的噴油量也會(huì)過大，導(dǎo)致清洗后的短時(shí)間內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速急劇增加，達(dá)到2 000r/min左右，但由于此時(shí)的加速踏板位置信號(hào)處于全閉狀態(tài)，電腦又不允許出現(xiàn)轉(zhuǎn)速過高的情況。

如果是常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)怠速燃油切斷，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上下嚴(yán)重波動(dòng)。但該發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)沒有這樣來進(jìn)行控制，而是在不改變節(jié)氣門開度的情況下，通過改變點(diǎn)火正時(shí)，推遲點(diǎn)火提前角，使大量的混合汽在燃燒做功行程的末期進(jìn)行燃燒，這樣雖然保證了混合汽的完全燃燒，也降低了發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸內(nèi)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力，但帶來的后果是過量的高溫廢氣進(jìn)入排氣歧管，使其燒紅。

圖8 數(shù)據(jù)流測(cè)試