點火提前角對發動機性能影響的研究

郭鳳男，方立輝，辛海霞，郝美剛，王建勛

（哈爾濱東安汽車發動機制造有限公司技術中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

引言

隨著汽車行業的高速發展，汽車保有量逐年增加，汽車行業已呈現出百家爭鳴、百花齊放的場景。伴隨著消費者生活品質的提高，這對車企也提出了更嚴格的要求，車企在保證汽車經濟性的前提下，還要滿足消費者對其動力性的要求。點火提前角作為發動機電噴系統中一個極其重要的匹配參數，它對發動機的動力性、經濟性及排放有著顯著的影響。什么是點火角提前呢？點火提前角就是從火花塞打火時刻開始到活塞運動到壓縮上止點，這段時間內曲軸轉過的角度。混合氣從點燃、燃燒到燒完有一個時間過程，最佳點火提前角的作用就是在各種不同工況下使氣體膨脹趨勢處于活塞做功下降行程，這樣發動機做功效率最高，缸體振動最小，缸內溫度最低[1]。點火角提前角過大，會造成爆震，使活塞行程受阻，做功效率降低，加劇磨損，損壞發動機零部件；點火提前角過小，會導致混合氣燃燒不充分，做功效率降低，無論點火提前角過大或過小，都會影響發動機的動力性、經濟性及排放。更好地調整點火提前角，對發動機動力性、經濟性的改善非常明顯，所以需要匹配出發動機在各種不同工況下的最佳點火提前角。發動機點火提前角匹配的好壞，直接影響著發動機性能，而影響點火角提前角的因素有很多，例如發動機冷卻水溫度、中冷后進氣溫度、壓縮比、燃油品質、負荷以及轉速等[2]。

本文通過理論分析與實踐相結合，對以下內容進行研究：

（1）點火提前角對發動機性能的影響；

（2）點火提前角隨轉速、負荷的變化規律；

（3）影響點火提前角的因素。

1 試驗對象與試驗裝置

本次試驗以我司一款增壓型汽油發動機為基礎。增壓型式采用廢氣渦輪增壓器，發動機排量為1.3L，發動機汽缸排列型式為直列四缸、四沖程，發動機主要配置為進氣 VVT與廢氣渦輪增壓器，發動機主要參數見表1。

表1 發動機主要參數

本試驗發動機臺架狀態如圖1所示，發動機燃燒后的廢氣通過推動增壓器渦輪使其旋轉，進而帶動增壓器壓輪旋轉壓縮空氣，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行冷卻，冷卻后的空氣再通過進氣歧管進入汽缸內。

中冷器帶PID控制閥，中冷后空氣溫度可調，通?？刂圃?5°～50°；燃油消耗量由AVL油耗儀測量，一般情況下，試驗使用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由ETAS LA4測量；發動機輸出的實測扭矩由 AVL測功機測量；發動機的點火提前角參數通過INCA、ETK、ES590、以及LA4等工具匹配。

圖1 發動機臺架狀態

2 點火提前角對發動機性能的影響

發動機性能評價指標有很多，主要包括動力性能指標（功率、扭矩、轉速）、經濟性能指標（燃油與潤滑油消耗率）、運轉性能指標（冷起動性能、噪聲）、耐久可靠性能指標以及排放指標。影響發動機性能評價指標的因素也有很多，而本次試驗主要研究點火提前角匹配的好壞對發動機性能的影響。

2.1 點火提前角對部分負荷性能的影響

發動機部分負荷工況主要以經濟性作為評價指標，而評價經濟性能好壞的重要參數就是燃油消耗率，所以本次試驗研究點火提前角對部分負荷燃油消耗率的影響，試驗工況見表2。

表2 試驗工況

發動機穩定在部分負荷工況，通過匹配不同的點火提前角來研究燃油消耗率的變化情況，根據理論分析與實踐相結合，得出以下結論：發動機在每一個部分負荷工況，都存在一個最佳的點火提前角；點火提前角處于最佳時，燃油消耗率最低，發動機經濟性最好；在最佳點火提前角附近加減點火角時，燃油消耗率變大，發動機經濟性變差，詳細試驗結果見圖2。

圖2 點火提前角隨轉速的變化規律

2.2 點火提前角對全負荷性能的影響

發動機全負荷工況主要以動力性作為評價指標，而評價動力性能好壞的重要參數就是扭矩，影響全負荷扭矩的因素有很多，其中點火提前角是最重要因素之一，所以本次試驗研究點火提前角對全負荷扭矩的影響，試驗工況見表3。

表3 試驗工況

發動機穩定在全負荷工況時，通過匹配不同的點火提前角來研究外特性扭矩的變化情況，根據理論分析與實踐相結合，得出以下結論：發動機在每一個全負荷工況，都存在一個最佳的點火提前角；點火提前角處于最佳時，輸出扭矩最大，動力性最好；在最佳點火提前角附近加減點火角時，輸出扭矩變小，發動機動力性變差，詳細試驗結果見圖3。

圖3 點火提前角對發動機實測扭矩的影響

3 點火提前角隨轉速、負荷的變化規律

3.1 點火提前角隨轉速的變化規律

本次試驗研究：相同負荷，點火角隨轉速的變化規律。首先固定發動機的負荷，改變發動機轉速，觀察點火提前角變化情況，試驗工況見表4。

表4 試驗工況

發動機充氣效率穩定在rl_w=50，發動機轉速從1000rpm-5000rpm變化，間隔 500rpm，通過采集點火提前角數據，得出以下結論：相同負荷，點火提前角隨發動機轉速的上升而變大，詳細試驗結果見圖4。

圖4 點火提前角隨轉速的變化規律

3.2 點火提前角隨負荷的變化規律

本次試驗研究：相同轉速，點火角隨負荷的變化規律。首先固定發動機的轉速，改變發動機負荷，觀察此時點火提前角變化情況，試驗工況見表5。

表5 試驗工況

發動機轉速穩定在 2500rpm，發動機充氣效率從 20%-100%變化，間隔10%，通過采集點火提前角數據，得出以下結論：相同轉速，點火提前角隨發動機負荷的上升而變小，詳細試驗結果見圖5。

圖5 點火提前角隨轉速的變化規律

4 影響點火提前角的因素

4.1 冷卻水溫度對點火提前角的影響

本次試驗研究：不同的冷卻水溫度對發動機點火提前角的影響。首先控制發動機冷卻水溫在正常范圍，一般在92±3°，然后控制發動機冷卻水溫在高水溫范圍，一般在110±3°，觀察點火提前角變化情況，試驗工況見表6。

表6 試驗工況

通過采集不同冷卻水溫下的點火提前角數據，得出以下結論：隨著發動機冷卻水溫的升高，發動機爆震加強，點火提前角減??；隨著發動機冷卻水溫的降低，發動機爆震減弱，點火提前角變大，詳細試驗結果見圖6。

圖6 水溫對點火提前角的影響

4.2 中冷后進氣溫度對點火提前角的影響

本次試驗研究：不同的中冷后進氣溫度對發動機點火提前角的影響。首先控制發動機中冷后進氣溫度在25-45°，然后控制發動機中冷后進氣溫度在35-55°，觀察點火角變化情況，試驗工況見表7。

表7 試驗工況

通過采集不同中冷后進氣溫度的點火提前角數據，得出以下結論：隨著發動機中冷后進氣溫度的升高，發動機爆震加強，點火提前角減??；隨著發動機中冷后進氣溫度的降低，發動機爆震減弱，點火提前角變大，詳細試驗結果見圖7。

圖7 中冷后溫度對點火提前角的影響

4.3 燃油品質對點火提前角的影響

本次試驗研究：不同的燃油型號，對發動機點火提前角的影響。首先試驗使用 93#乙醇汽油，采集發動機外特新數據，然后使用 92#標準汽油，采集發動機外特新數據，觀察點火提前角變化情況，試驗工況見表8。

表8 試驗工況

通過采集不同燃油型號的點火提前角數據，得出以下結論：相同工況，93#乙醇汽油點火提前角大于92#標準汽油，93#乙醇汽油抗爆性強于92#標準汽油，詳細試驗結果見圖8。

圖8 燃油品質對點火提前角的影響

4.4 壓縮比對點火提前角的影響

本次試驗研究：不同的壓縮比，對發動機點火提前角的影響。首先試驗使用壓縮比9.5，采集外特新數據，然后使用壓縮比9.0，采集外特新數據，觀察點火提前角變化情況，試驗工況見表9。

表9 試驗工況

通過采集不同壓縮比下的點火提前角數據，得出以下結論：相同工況，壓縮比越大，發動機爆震越強，點火提前角越小；相同工況，壓縮比越小，發動機爆震越弱，點火提前角越大，詳細試驗結果見圖9。

圖9 壓縮比對點火提前角的影響

5 結束語

（1）點火提前角對發動機性能有很大影響，發動機每一個工況，都存在一個最佳的點火提前角，當點火提前角處于最佳時，發動機動力性、經濟性最好。

（2）同一負荷，點火提前角隨發動機轉速的上升而變大，同一轉速，點火提前角隨發動機負荷的上升而變小。

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