直噴汽油機最佳點火提前角控制算法的研究

摘要：通過試驗研究了點火提前角對直噴汽油發動機性能的影響，依據發動機實際運行情況通過理論分析與試驗相結合，研究了外界因素對直噴汽油發動機最佳點火提前角的影響，給出了各因素對直噴汽油發動機最佳點火提前角相應的修正補償，結合目前實際運用中對汽油發動機點火提前角的控制提出了一種對直噴汽油發動機最佳點火提前角的控制算法，該控制算法可更簡單，更精確，更有效地實現對汽油直噴發動機的最佳點火提前角的控制。

關鍵詞：直噴汽油機，控制算法，試驗研究，點火角提前角

中圖分類號：U464.9 文獻標志碼： A 文章編號：1005-2550（2013）04-0030-04

隨著全球能源的不斷衰竭及對環境問題的高度重視，世界各國對汽車排放法規的要求也越來越苛刻，因此對發動機控制精度的要求及一些新技術的運用也越來越備受重視。點火提前角對于直噴汽油發動機來說是至關重要的控制參數，點火提前角設置的合理性及控制精度直接影響著發動機的動力性、經濟性及排放等指標。由于發動機實際運行的工況及所處的環境不同對點火提前角的控制會有很多的差異，因而影響直噴汽油機點火角的因素很多，在理論分析的基礎上通過大量的試驗研究和實際運用探究了各主要影響因素對直噴汽油機點火提前角的影響及直噴汽油機實際運用過程中對最佳點火提前角的控制算法，本文將對這一問題進行專題研究討論。

1 點火提前角對發動機性能的影響

點火提前角對汽油發動機來說是一個極為重要的燃燒控制參數，點火提前角直接影響著發動機的熱效率[1]，對發動機的動力性、經濟性及排放等都有顯著的影響，尤其對提升發動機的動力，性改善經濟性尤為明顯。發動機運行在小負荷區域時，由于負荷較小，氣缸內混合氣燃燒的溫度較低且缸內壓力也相對較低，此時發動機不容易產生爆燃現象，因此發動機在小負荷區域點火提前角有足夠的調節空間到達發動機性能最優的最佳點火時刻，即MBT點，如圖1所示。

發動機運行在中大負荷區域時，由于發動機進氣量大、缸內混合氣燃燒的溫度高及缸內燃燒壓力大的因素，此時很容易出現爆燃現象。也正是由于汽油機爆燃的存在導致汽油機在中大負荷區域點火提前角的調節范圍小，很難使點火提前角調節到MBT點，使得發動機在中大負荷區域經濟性差、動力性不足，對于缸內直噴汽油機來說對點火提前角的敏感性尤甚，見圖2。因此在發動機中大負荷區域實現對點火提前角的精確控制對改善發動機的動力性、經濟性有為重要，特別是缸內直噴汽油機。

2 點火提前角的影響因素

由于發動機實際運行工況及所處的環境（環境溫度、濕度及海拔等）不同，對發動機輸出最佳點火提前角也不盡相同，因此為實現對缸內直噴汽油點火提前角的精確控制，必須充分考慮發動機實際運行工況、所處外界因素及發動機本體一些控制模塊的改變對點火提前角的影響。

2.1 水溫對點火提前角的影響

水溫對點火提前角的影響，主要在于考慮發動機運行在不用的冷卻水溫下對點火提前角的修正：當發動機的冷卻水溫度比較低的情況下，意味著燃燒室中的溫度也相對較低、油氣混合相對較差、燃燒速率降低以及發動機的爆震傾向較低，此時適當增大點火提前角可提高熱效率從而提升發動機的動力性和經濟性。但隨著發動機冷卻水溫度的升高，燃燒室內油氣混合氣在壓縮終了的溫度也會隨之升高，發動機的爆震傾向將隨之加大，此時應適當減小點火提前角以保證發動機的運行安全，發動機在各負荷下冷卻水溫度對點火提前角的影響如圖3所示。

2.2 進氣溫度對點火提前角的影響

進氣溫度對點火提前角的影響，主要是考慮發動機運行在不同季節及不同天氣條件下的修正：當發動機在較低的氣溫下運行時，氣缸內可燃混合氣的燃燒速率降低，同時由于進氣溫度較低將使得氣缸內的溫度降低，因此發動機的爆震傾向將隨之減弱，此時可適當增大點火提前角以提高發動機的動力性和經濟性。但隨著發動機進氣溫度的升高使得發動機氣缸內壓縮終了的溫度升高，發動機的爆震傾向將會逐漸增大，此時應逐漸隨著進氣溫度的升高減小點火提前角以保證發動機的運行安全，進氣溫度對發動機點火提前角影響如圖4所示。

2.3 空燃比對點火提前角的影響

空燃比對點火提前角的影響主要是考慮到發動機運行在不同的空燃比下對最佳點火角的修正：當發動機運行在較濃的空燃比工況時，由于較濃的空燃比對發動機燃燒室具有冷卻效果可降低燃燒室內的溫度，特別是GDI發動機冷卻效果更為明顯，此時發動機的爆震傾向將減弱，因此最佳點火提前角可隨著空燃比的變濃適當的增大以提高發動機的動力性。但隨著空燃比的逐漸變?。ㄔ诳烧Ｈ紵姆秶鷥龋╇m對燃燒室的冷卻效果減弱但發動機氣缸內可燃混合氣的燃燒速率也將隨著空燃比的逐漸減稀而變慢，此時可適當增大點火提前角以提高發動機的動力性能，空燃比對點火提前角的影響如圖5所示。

2.4 多次噴射對點火提前角的影響

多次噴射對點火提前角的影響主要是考慮直噴汽油機在采用多次噴射時對發動機點火提前角的修正：常規下，燃油是在發動機的進氣沖程中一次性噴入氣缸，然后靠氣缸中氣流的運動進行充分混合形成可燃混合氣，此種方式可燃混合氣在氣缸的分布較均勻、燃燒速率也相對較快。但當采用多次方式按照一定的噴射比例將燃油噴入氣缸中時，燃油和新鮮空氣的混合及可燃混合氣在氣缸中的分布較單次噴射方式將會有很大不同。同時將燃油按照不同的比例多次噴入氣缸時燃油可以很好的降低氣缸中溫度，采用多次噴射對發動機爆震傾向的影響也會有所不同，因此采用多次噴射時對發動機最佳點火角提前角也會有一定的影響，為更精確控制最佳點火提前角，在點火提前角的控制與計算時應充分考慮到多次噴射對點火提前角的影響，多次噴射對點火提前角的影響趨勢如圖6所示。

2.5 外部EGR對點火提前角的影響

外部EGR對點火提前角的影響，主要是考慮到當引入外部冷卻的EGR時對最佳點火提前角的修正：當引入外部冷卻的EGR時，就會使進入發動機氣缸內的混合氣中單位燃料所對應的惰性氣體增加，燃燒室內由于殘余廢氣的熱容量增加[2]，特別是廢氣中的 CO2 和水的摩爾比熱較大可有效地抑制氣缸內燃燒溫度。同時由于燃燒室中惰性氣體的增加，使著火延遲期變長、燃燒速率下降，燃燒溫度也隨之下降，因此在爆震產生的機理上降低了發動機發生爆震的傾向。

引入外部EGR后，由于燃燒速率變慢及大大降低了發動機爆震傾向，所以應充分考慮EGR對發動機最佳點火提前角的影響提高發動機的動力性、經濟性，EGR對點火提前角影響如圖6所示。

3 最佳點火提前角的控制算法

為精確控制發動機最佳點火角提高發動機的動力性、經濟性，必須要充分考慮到發動機的實際運行情況及各主要因素的改變對點火提前角的影響[3]，因此結合以上對發動機最佳點火提前角影響因素的試驗研究和實際運用中對點火提前角的控制，本文提出如圖8所示切實可行且更為簡單、靈活的實現發動機運行在不同環境、工況下對最佳點火提前角的控制算法。

實現這一對直噴汽油機最佳點火提前角的控制算法的基本思路就是，將影響發動機最佳點火提前角的各因素作為一個修因子，也就是當發動機運行在各環境下時在發動機實際輸出基礎點火角的基礎上，加上各因素對最佳點火提前角的修正量，通過此種控制算法可靈活地實現對最佳點火提前角的精確控制，無論發動機在任何工況環境下均可時刻保證發動機在最佳點火提前角下運行。要保證相應修正量的準確可靠，必須對這些修正因子在相應的影響因素下進行精確的標定。

4 結語

（1） 點火提前角對汽油直噴發動機的動力性、經濟性有著重要影響。

（2） 發動機實際運行工況及環境等因素的改變對汽油直噴發動機的最佳點火提前角有著很大的影響。

（3） 本文提出的對直噴汽油機最佳點火提前角的控制算法可很容易地實現對最佳點火提前角的精確控制，發動機運行各工況及環境下可時刻控制發動機的最佳點火提前角，但為保證各影響因素的修正準確，必須對各影響因素下的點火角修正量進行合理的標定。

參考文獻：

[1] 周龍保. 內燃機學[M]. 北京：機械工業出版社，1999.

[2] 魏春源. 高等內燃機學[M].北京：北京理工大學出版社，2007.

[3] 黃靖雄. 汽車電子控制技術[M]. 北京：人民交通出版社，2011.