點(diǎn)火提前角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的研究

郭鳳男，方立輝，辛海霞，郝美剛，王建勛

（哈爾濱東安汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限公司技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

引言

隨著汽車行業(yè)的高速發(fā)展，汽車保有量逐年增加，汽車行業(yè)已呈現(xiàn)出百家爭(zhēng)鳴、百花齊放的場(chǎng)景。伴隨著消費(fèi)者生活品質(zhì)的提高，這對(duì)車企也提出了更嚴(yán)格的要求，車企在保證汽車經(jīng)濟(jì)性的前提下，還要滿足消費(fèi)者對(duì)其動(dòng)力性的要求。點(diǎn)火提前角作為發(fā)動(dòng)機(jī)電噴系統(tǒng)中一個(gè)極其重要的匹配參數(shù)，它對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放有著顯著的影響。什么是點(diǎn)火角提前呢？點(diǎn)火提前角就是從火花塞打火時(shí)刻開始到活塞運(yùn)動(dòng)到壓縮上止點(diǎn)，這段時(shí)間內(nèi)曲軸轉(zhuǎn)過的角度?；旌蠚鈴狞c(diǎn)燃、燃燒到燒完有一個(gè)時(shí)間過程，最佳點(diǎn)火提前角的作用就是在各種不同工況下使氣體膨脹趨勢(shì)處于活塞做功下降行程，這樣發(fā)動(dòng)機(jī)做功效率最高，缸體振動(dòng)最小，缸內(nèi)溫度最低[1]。點(diǎn)火角提前角過大，會(huì)造成爆震，使活塞行程受阻，做功效率降低，加劇磨損，損壞發(fā)動(dòng)機(jī)零部件；點(diǎn)火提前角過小，會(huì)導(dǎo)致混合氣燃燒不充分，做功效率降低，無論點(diǎn)火提前角過大或過小，都會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放。更好地調(diào)整點(diǎn)火提前角，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的改善非常明顯，所以需要匹配出發(fā)動(dòng)機(jī)在各種不同工況下的最佳點(diǎn)火提前角。發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火提前角匹配的好壞，直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)性能，而影響點(diǎn)火角提前角的因素有很多，例如發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度、中冷后進(jìn)氣溫度、壓縮比、燃油品質(zhì)、負(fù)荷以及轉(zhuǎn)速等[2]。

本文通過理論分析與實(shí)踐相結(jié)合，對(duì)以下內(nèi)容進(jìn)行研究：

（1）點(diǎn)火提前角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響；

（2）點(diǎn)火提前角隨轉(zhuǎn)速、負(fù)荷的變化規(guī)律；

（3）影響點(diǎn)火提前角的因素。

1 試驗(yàn)對(duì)象與試驗(yàn)裝置

本次試驗(yàn)以我司一款增壓型汽油發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)。增壓型式采用廢氣渦輪增壓器，發(fā)動(dòng)機(jī)排量為1.3L，發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸排列型式為直列四缸、四沖程，發(fā)動(dòng)機(jī)主要配置為進(jìn)氣 VVT與廢氣渦輪增壓器，發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

本試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架狀態(tài)如圖1所示，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒后的廢氣通過推動(dòng)增壓器渦輪使其旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)增壓器壓輪旋轉(zhuǎn)壓縮空氣，一般情況下，壓縮后的空氣溫度很高，為了降低溫度，壓縮后的空氣通過中冷器進(jìn)行冷卻，冷卻后的空氣再通過進(jìn)氣歧管進(jìn)入汽缸內(nèi)。

中冷器帶PID控制閥，中冷后空氣溫度可調(diào)，通?？刂圃?5°～50°；燃油消耗量由AVL油耗儀測(cè)量，一般情況下，試驗(yàn)使用93#乙醇汽油，93#乙醇汽油空燃比為14.2；渦輪前端排氣的過量空氣系數(shù)由ETAS LA4測(cè)量；發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的實(shí)測(cè)扭矩由 AVL測(cè)功機(jī)測(cè)量；發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火提前角參數(shù)通過INCA、ETK、ES590、以及LA4等工具匹配。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架狀態(tài)

2 點(diǎn)火提前角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)有很多，主要包括動(dòng)力性能指標(biāo)（功率、扭矩、轉(zhuǎn)速）、經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)（燃油與潤(rùn)滑油消耗率）、運(yùn)轉(zhuǎn)性能指標(biāo)（冷起動(dòng)性能、噪聲）、耐久可靠性能指標(biāo)以及排放指標(biāo)。影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的因素也有很多，而本次試驗(yàn)主要研究點(diǎn)火提前角匹配的好壞對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。

2.1 點(diǎn)火提前角對(duì)部分負(fù)荷性能的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)部分負(fù)荷工況主要以經(jīng)濟(jì)性作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，而評(píng)價(jià)經(jīng)濟(jì)性能好壞的重要參數(shù)就是燃油消耗率，所以本次試驗(yàn)研究點(diǎn)火提前角對(duì)部分負(fù)荷燃油消耗率的影響，試驗(yàn)工況見表2。

表2 試驗(yàn)工況

發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定在部分負(fù)荷工況，通過匹配不同的點(diǎn)火提前角來研究燃油消耗率的變化情況，根據(jù)理論分析與實(shí)踐相結(jié)合，得出以下結(jié)論：發(fā)動(dòng)機(jī)在每一個(gè)部分負(fù)荷工況，都存在一個(gè)最佳的點(diǎn)火提前角；點(diǎn)火提前角處于最佳時(shí)，燃油消耗率最低，發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性最好；在最佳點(diǎn)火提前角附近加減點(diǎn)火角時(shí)，燃油消耗率變大，發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性變差，詳細(xì)試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 點(diǎn)火提前角隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律

2.2 點(diǎn)火提前角對(duì)全負(fù)荷性能的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷工況主要以動(dòng)力性作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，而評(píng)價(jià)動(dòng)力性能好壞的重要參數(shù)就是扭矩，影響全負(fù)荷扭矩的因素有很多，其中點(diǎn)火提前角是最重要因素之一，所以本次試驗(yàn)研究點(diǎn)火提前角對(duì)全負(fù)荷扭矩的影響，試驗(yàn)工況見表3。

表3 試驗(yàn)工況

發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定在全負(fù)荷工況時(shí)，通過匹配不同的點(diǎn)火提前角來研究外特性扭矩的變化情況，根據(jù)理論分析與實(shí)踐相結(jié)合，得出以下結(jié)論：發(fā)動(dòng)機(jī)在每一個(gè)全負(fù)荷工況，都存在一個(gè)最佳的點(diǎn)火提前角；點(diǎn)火提前角處于最佳時(shí)，輸出扭矩最大，動(dòng)力性最好；在最佳點(diǎn)火提前角附近加減點(diǎn)火角時(shí)，輸出扭矩變小，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性變差，詳細(xì)試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 點(diǎn)火提前角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)測(cè)扭矩的影響

3 點(diǎn)火提前角隨轉(zhuǎn)速、負(fù)荷的變化規(guī)律

3.1 點(diǎn)火提前角隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律

本次試驗(yàn)研究：相同負(fù)荷，點(diǎn)火角隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。首先固定發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷，改變發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，觀察點(diǎn)火提前角變化情況，試驗(yàn)工況見表4。

表4 試驗(yàn)工況

發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率穩(wěn)定在rl_w=50，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?000rpm-5000rpm變化，間隔 500rpm，通過采集點(diǎn)火提前角數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論：相同負(fù)荷，點(diǎn)火提前角隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的上升而變大，詳細(xì)試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 點(diǎn)火提前角隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律

3.2 點(diǎn)火提前角隨負(fù)荷的變化規(guī)律

本次試驗(yàn)研究：相同轉(zhuǎn)速，點(diǎn)火角隨負(fù)荷的變化規(guī)律。首先固定發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，改變發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷，觀察此時(shí)點(diǎn)火提前角變化情況，試驗(yàn)工況見表5。

表5 試驗(yàn)工況

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在 2500rpm，發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率從 20%-100%變化，間隔10%，通過采集點(diǎn)火提前角數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論：相同轉(zhuǎn)速，點(diǎn)火提前角隨發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的上升而變小，詳細(xì)試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖5 點(diǎn)火提前角隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律

4 影響點(diǎn)火提前角的因素

4.1 冷卻水溫度對(duì)點(diǎn)火提前角的影響

本次試驗(yàn)研究：不同的冷卻水溫度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火提前角的影響。首先控制發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫在正常范圍，一般在92±3°，然后控制發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫在高水溫范圍，一般在110±3°，觀察點(diǎn)火提前角變化情況，試驗(yàn)工況見表6。

表6 試驗(yàn)工況

通過采集不同冷卻水溫下的點(diǎn)火提前角數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論：隨著發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫的升高，發(fā)動(dòng)機(jī)爆震加強(qiáng)，點(diǎn)火提前角減??；隨著發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫的降低，發(fā)動(dòng)機(jī)爆震減弱，點(diǎn)火提前角變大，詳細(xì)試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

圖6 水溫對(duì)點(diǎn)火提前角的影響

4.2 中冷后進(jìn)氣溫度對(duì)點(diǎn)火提前角的影響

本次試驗(yàn)研究：不同的中冷后進(jìn)氣溫度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火提前角的影響。首先控制發(fā)動(dòng)機(jī)中冷后進(jìn)氣溫度在25-45°，然后控制發(fā)動(dòng)機(jī)中冷后進(jìn)氣溫度在35-55°，觀察點(diǎn)火角變化情況，試驗(yàn)工況見表7。

表7 試驗(yàn)工況

通過采集不同中冷后進(jìn)氣溫度的點(diǎn)火提前角數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論：隨著發(fā)動(dòng)機(jī)中冷后進(jìn)氣溫度的升高，發(fā)動(dòng)機(jī)爆震加強(qiáng)，點(diǎn)火提前角減小；隨著發(fā)動(dòng)機(jī)中冷后進(jìn)氣溫度的降低，發(fā)動(dòng)機(jī)爆震減弱，點(diǎn)火提前角變大，詳細(xì)試驗(yàn)結(jié)果見圖7。

圖7 中冷后溫度對(duì)點(diǎn)火提前角的影響

4.3 燃油品質(zhì)對(duì)點(diǎn)火提前角的影響

本次試驗(yàn)研究：不同的燃油型號(hào)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火提前角的影響。首先試驗(yàn)使用 93#乙醇汽油，采集發(fā)動(dòng)機(jī)外特新數(shù)據(jù)，然后使用 92#標(biāo)準(zhǔn)汽油，采集發(fā)動(dòng)機(jī)外特新數(shù)據(jù)，觀察點(diǎn)火提前角變化情況，試驗(yàn)工況見表8。

表8 試驗(yàn)工況

通過采集不同燃油型號(hào)的點(diǎn)火提前角數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論：相同工況，93#乙醇汽油點(diǎn)火提前角大于92#標(biāo)準(zhǔn)汽油，93#乙醇汽油抗爆性強(qiáng)于92#標(biāo)準(zhǔn)汽油，詳細(xì)試驗(yàn)結(jié)果見圖8。

圖8 燃油品質(zhì)對(duì)點(diǎn)火提前角的影響

4.4 壓縮比對(duì)點(diǎn)火提前角的影響

本次試驗(yàn)研究：不同的壓縮比，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火提前角的影響。首先試驗(yàn)使用壓縮比9.5，采集外特新數(shù)據(jù)，然后使用壓縮比9.0，采集外特新數(shù)據(jù)，觀察點(diǎn)火提前角變化情況，試驗(yàn)工況見表9。

表9 試驗(yàn)工況

通過采集不同壓縮比下的點(diǎn)火提前角數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論：相同工況，壓縮比越大，發(fā)動(dòng)機(jī)爆震越強(qiáng)，點(diǎn)火提前角越小；相同工況，壓縮比越小，發(fā)動(dòng)機(jī)爆震越弱，點(diǎn)火提前角越大，詳細(xì)試驗(yàn)結(jié)果見圖9。

圖9 壓縮比對(duì)點(diǎn)火提前角的影響

5 結(jié)束語

（1）點(diǎn)火提前角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能有很大影響，發(fā)動(dòng)機(jī)每一個(gè)工況，都存在一個(gè)最佳的點(diǎn)火提前角，當(dāng)點(diǎn)火提前角處于最佳時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性最好。

（2）同一負(fù)荷，點(diǎn)火提前角隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的上升而變大，同一轉(zhuǎn)速，點(diǎn)火提前角隨發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的上升而變小。

（3）影響點(diǎn)火提前角的因素有很多，水溫、中冷后溫度以及壓縮比都會(huì)影響點(diǎn)火提前角，水溫、中冷后溫度及壓縮比越大，點(diǎn)火提前角越小，水溫、中冷后溫度及壓縮比越小，點(diǎn)火提前角越大。