最佳點(diǎn)火角選擇方法分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

謝慶年，李 巖，陳 琳

(1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007；2.武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

隨著內(nèi)燃機(jī)電控系統(tǒng)的發(fā)展，汽油機(jī)點(diǎn)火角控制及相關(guān)燃燒參數(shù)對(duì)汽油機(jī)開發(fā)與控制至關(guān)重要，特別是很多新技術(shù)的應(yīng)用，如中冷高EGR(exhausts gas recirculated)率、米勒循環(huán)、阿特金森循環(huán)、變壓縮比、停缸、預(yù)燃室等新方案方法，對(duì)點(diǎn)火時(shí)機(jī)及燃燒穩(wěn)定性提出了更高的要求[1]。筆者結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)最佳點(diǎn)火角MBT(mininum advance for best torque),點(diǎn)火角及各缸工作均勻性(燃燒穩(wěn)定性)進(jìn)行分析，提出了一種更為迅速準(zhǔn)確的確定最佳點(diǎn)火角的方法。

1 最佳點(diǎn)火角MBT

發(fā)動(dòng)機(jī)在最大扭矩下的最小點(diǎn)火提前角定義為最佳點(diǎn)火角MBT[2]。在不考慮爆震的情況下，全負(fù)荷下點(diǎn)火角與發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩關(guān)系曲線如圖1所示[3]。

圖1 全負(fù)荷下點(diǎn)火角與發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩關(guān)系曲線

部分負(fù)荷下點(diǎn)火角與發(fā)動(dòng)機(jī)油耗率關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 部分負(fù)荷下點(diǎn)火角與發(fā)動(dòng)機(jī)油耗率關(guān)系曲線

2 最佳點(diǎn)火角選擇

點(diǎn)火角是決定點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒時(shí)間的最關(guān)鍵參數(shù)。在工程實(shí)踐中，最佳點(diǎn)火角的選擇與確定是發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)過程中熱力學(xué)開發(fā)、燃燒開發(fā)、性能開發(fā)及零部件選型中最重要的一環(huán)，而在以往的項(xiàng)目過程中，確定最佳點(diǎn)火角最普遍的方式是與圖1和圖2過程類似的對(duì)各目標(biāo)工況逐一反復(fù)對(duì)點(diǎn)火角進(jìn)行掃描記錄，再進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，以數(shù)據(jù)點(diǎn)火角-扭矩曲線圖中的拐點(diǎn)作為最佳點(diǎn)火角[4]。這就導(dǎo)致確定最佳點(diǎn)火角的過程中，不僅工作量非常大，對(duì)測(cè)量精度要求也非常高，在某些無法找到明確拐點(diǎn)的情況下，即使重新進(jìn)行試驗(yàn)檢查，仍存在無法明確確定最佳點(diǎn)火角位置的情況。若發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)過程中各方案差別不是十分明顯，則很難確定方案差異是不是由過程誤差引起的，對(duì)各方案的對(duì)比分析也十分不利。因此，找到一種不需要進(jìn)行大量掃點(diǎn)工作，可以迅速、準(zhǔn)確、直接地確定最佳點(diǎn)火角的方法，不僅可以大幅減少試驗(yàn)時(shí)間、提高工作效率，也能大幅度提升發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)過程中方案對(duì)比和驗(yàn)證的效率。

發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒時(shí)間與點(diǎn)火角密切相關(guān)，燃燒時(shí)間通常用燃燒過程釋放出一半熱量的時(shí)間來衡量(AI50)，此時(shí)刻與最大放熱率出現(xiàn)的時(shí)刻大致相同[5-7]。在實(shí)際的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)中，燃燒時(shí)間會(huì)影響傳熱損失的速率[8-9]。因此，最佳的燃燒時(shí)間需要在燃燒時(shí)間導(dǎo)致的熱效率損失和傳熱損失之間進(jìn)行優(yōu)化以達(dá)到最高的熱效率。由于燃燒放熱時(shí)間偏離上止點(diǎn)對(duì)熱效率有直接影響，使有效壓縮比降低，放熱時(shí)間偏離上止點(diǎn)造成的熱效率降低并不與燃燒放熱時(shí)間偏離上止點(diǎn)的時(shí)間或曲軸轉(zhuǎn)角(crank angle, CA)呈線性關(guān)系。

活塞在上止點(diǎn)附近移動(dòng)較慢，因此在上止點(diǎn)附近燃燒時(shí)間變化對(duì)熱效率降低的影響很小。根據(jù)相關(guān)資料，當(dāng)燃燒放熱時(shí)間在上止點(diǎn)前后±10度曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)變化時(shí)，熱效率降低不到原來的2%[10]。只有當(dāng)燃燒時(shí)間進(jìn)一步偏離上止點(diǎn)以后，活塞移動(dòng)速度加快，熱效率的降低才開始對(duì)燃燒時(shí)間變化敏感。

從圖1和圖2可知，當(dāng)點(diǎn)火提前角為10°CA左右時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩最大并且燃油消耗率最低。下面將通過試驗(yàn)方法對(duì)此結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證。

依照表1的工況，以某1.2 L自然吸氣汽油發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)，對(duì)非爆震工況點(diǎn)進(jìn)行掃點(diǎn)試驗(yàn)并測(cè)量記錄。

表1 轉(zhuǎn)速與負(fù)載關(guān)系表

試驗(yàn)中，轉(zhuǎn)速范圍為800～6 000 r/min；負(fù)荷范圍為相對(duì)進(jìn)氣量的60～240 mg/stk；在每一工況下，分別測(cè)量記錄AI50為4 ℃A、6 ℃A、8 ℃A、10 ℃A、12 ℃A的扭矩值。

標(biāo)準(zhǔn)工況下，順序完成掃點(diǎn)后，剔除異常點(diǎn)，共得到575個(gè)數(shù)據(jù)測(cè)量點(diǎn)，對(duì)這些測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理：對(duì)測(cè)量點(diǎn)依照轉(zhuǎn)速、負(fù)荷對(duì)扭矩進(jìn)行分組排序，由于每組有5個(gè)測(cè)量點(diǎn)，因此按照扭矩等級(jí)從大到小分為1～5級(jí)，AI50與扭矩等級(jí)關(guān)系如表2所示。

表2 AI50與扭矩等級(jí)關(guān)系表 N·m

根據(jù)測(cè)量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，依據(jù)數(shù)據(jù)密度進(jìn)行差值分析，得到等高趨勢(shì)圖，結(jié)果如圖3所示。

圖3 AI50與扭矩關(guān)系統(tǒng)計(jì)圖

從圖3可知，在不同的AI50值下，最大扭矩點(diǎn)主要集中在AI50為8°CA附近，區(qū)分明顯，并且負(fù)荷AI50值前后兩個(gè)方向扭矩均減小。

以上試驗(yàn)可以證明在進(jìn)行某些需要迅速得到最佳點(diǎn)火角、最大扭矩的應(yīng)用時(shí)，非爆震工況下直接以AI50=8～10°CA為標(biāo)準(zhǔn)即可。這樣可以將點(diǎn)火角掃描的工作量減少90%以上，并且同時(shí)可以保證較高的數(shù)據(jù)精度。

3 結(jié)論

通過以上研究可知，要保證發(fā)動(dòng)機(jī)在整車上有良好的扭矩輸出，在臺(tái)架試驗(yàn)過程中就必須確定好每一個(gè)工況下的最佳點(diǎn)火角，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)在此工況下能輸出最大扭矩，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性平衡的要求。傳統(tǒng)的最佳點(diǎn)火角的確定過程十分繁瑣并效率不高，采用上述確定最佳點(diǎn)火角的新方法，可以迅速、準(zhǔn)確、直接地確定最佳點(diǎn)火角，減少試驗(yàn)時(shí)間及工作量，并可以保證足夠精度，在試驗(yàn)過程中即可直觀準(zhǔn)確地對(duì)各方案的表現(xiàn)進(jìn)行客觀直接的對(duì)比分析。