汽油機(jī)點(diǎn)火提前調(diào)整特性模擬分析

戴 頌，張學(xué)幀，唐 磊

(昆明理工大學(xué) 津橋?qū)W院，云南 昆明 650106)

0 前言

汽油機(jī)點(diǎn)火提前角是指火花塞開(kāi)始跳火至活塞運(yùn)行至壓縮上止點(diǎn)時(shí)所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角。其值的大小根據(jù)燃料的性質(zhì)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷、混合氣濃度的不同而不同。點(diǎn)火提前角調(diào)整特性則指當(dāng)汽油機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷等工況參數(shù)保持不變以及混合氣濃度一定時(shí)，有效功率、有效燃油消耗率等性能指標(biāo)隨點(diǎn)火提前角變化而變化的關(guān)系。通常情況下，對(duì)于某一特定的工況，均有一最佳點(diǎn)火提前角，此時(shí)其功率最大，而油耗最低[1]。現(xiàn)今，對(duì)汽油機(jī)性能及其影響因素的分析研究中，一方面著手于混合氣的形成機(jī)火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程，例如文獻(xiàn)[2]通過(guò)構(gòu)建混合氣形成的三維仿真模型，分析了預(yù)混燃燒過(guò)程中，混合氣成分對(duì)燃料燃燒的峰值放熱率、最高燃燒壓力的影響。而文獻(xiàn)[3]則從氣缸壓力的變化對(duì)湍流的影響方面入手，論述了湍流強(qiáng)度對(duì)點(diǎn)火及火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程的作用。另一方面，則是從發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)入手，確定相應(yīng)的試驗(yàn)方案，在獲得大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化研究。文獻(xiàn)[4]通過(guò)相應(yīng)的試驗(yàn)方案，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)工況和穩(wěn)態(tài)工況下的燃油供給量進(jìn)行對(duì)比分析，并對(duì)供油系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以得到滿足瞬態(tài)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)主要性能指標(biāo)的燃油供給量。論文利用AVL Boost模擬仿真軟件構(gòu)建了四缸四沖程汽油機(jī)的熱力學(xué)仿真模型，從氣缸壓力變化及缸內(nèi)氣體流動(dòng)等方面入手，分析了不同點(diǎn)火提前角對(duì)最高燃燒壓力的影響。在此基礎(chǔ)上，研究了不同轉(zhuǎn)速下不同點(diǎn)火提前角對(duì)汽油機(jī)有效功率、有效轉(zhuǎn)矩及有效燃油消耗率等性能指標(biāo)的影響，以期獲得較為合理的點(diǎn)火提前特性匹配方案。

1 仿真模型的建立

利用AVL Boost建立發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)模型包括模型編輯和數(shù)據(jù)輸入。模型編輯是通過(guò)選擇相應(yīng)的元件，并用Pipe元件將其連接起來(lái)，獲得反應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)特征的物理模型，如圖1所示。同時(shí)，AVL Boost主程序?yàn)樗性峁┝俗顑?yōu)模擬計(jì)算，因此在物理模型建成后，還應(yīng)將各零部件的實(shí)際尺寸參數(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)工作特征參數(shù)輸入相應(yīng)的模塊中，并以熱力學(xué)，傳熱學(xué)的原理為基礎(chǔ)對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，即可完成發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程的熱力學(xué)模型搭建，主要參數(shù)見(jiàn)表1。

轉(zhuǎn)速(Eng_Speed)、空燃比(AF_Rat)設(shè)定值如表2所示。

建立燃燒熱力學(xué)模型最簡(jiǎn)單的方法是指定燃燒放熱率，即在確定氣缸壓力曲線的情況下，進(jìn)行高溫循環(huán)逆計(jì)算，求解理想氣體狀態(tài)方程及化學(xué)計(jì)量空燃比，并獲得燃燒放熱量隨單位曲軸轉(zhuǎn)角的變化率，即可得到發(fā)動(dòng)機(jī)某一時(shí)刻的燃燒放熱率[5]。AVL Boost已計(jì)算了每度曲軸轉(zhuǎn)角燃料燃燒所釋放的熱量，在指定熱輸入特性的情況下，循環(huán)總放熱量由循環(huán)噴油量和空燃比確定。Vibe模型是建立在大量試驗(yàn)基礎(chǔ)上而得到的熱力學(xué)模型，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制參數(shù)少的特點(diǎn)。該模型通過(guò)對(duì)放熱曲線進(jìn)行最小二乘法處理得到燃燒起始點(diǎn)，燃燒持續(xù)期和形狀參數(shù)等，并對(duì)Vibe函數(shù)進(jìn)行積分，而得到自燃燒起始點(diǎn)到某一時(shí)刻所燃燒的燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)，即已然質(zhì)量分?jǐn)?shù)。相關(guān)控制參數(shù)見(jiàn)表3所示。

圖1 AVL Boost汽油機(jī)模型

表1 汽油機(jī)主要參數(shù)

表2 轉(zhuǎn)速及其各轉(zhuǎn)速下的空燃比

表3 Vibe函數(shù)控制參數(shù)

燃燒始點(diǎn)定義為以曲軸轉(zhuǎn)角記，火焰中心形成的時(shí)刻。選取Start_OF_Comb在壓縮上止點(diǎn)前11～16°CA范圍內(nèi)變化，另外考慮到火焰中心形成的時(shí)刻相對(duì)于火花塞跳火時(shí)刻有一定的落后，即將從火花塞跳火到火焰中心形成的階段稱為著火延遲期，該階段約占整個(gè)燃燒過(guò)程的15%左右[1]。結(jié)合表3中的燃燒持續(xù)期的大小可知，當(dāng)燃燒始點(diǎn)在壓縮上止點(diǎn)前11～16°CA范圍內(nèi)變化時(shí)，其點(diǎn)火提前角的變化范圍為壓縮上止點(diǎn)前19～24°CA。故選用了不同的燃燒起始角代替點(diǎn)火提前角對(duì)汽油機(jī)點(diǎn)火提前調(diào)整特性進(jìn)行模擬，并分析其對(duì)不同轉(zhuǎn)速下，最高燃燒壓力，有效功率，有效燃油消耗率的影響。

2 最高燃燒壓力

圖2為采用不同點(diǎn)火提前角即燃燒起始角時(shí)，最高燃燒壓力隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系。由圖可知，最高燃燒壓力隨轉(zhuǎn)速的增加而增加。其主要原因是在壓縮行程末期，由于活塞與氣缸蓋的彼此接近，造成氣缸內(nèi)氣體流場(chǎng)發(fā)生改變，促進(jìn)了湍流的形成與擴(kuò)散[6]，同時(shí)由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，缸內(nèi)的壓力增加率得以提高，可進(jìn)一步的促進(jìn)湍流的形成與擴(kuò)散速度，可增大火焰前鋒面的厚度，使得更多的可燃混合氣參與燃燒，加快了燃燒速度，提高了燃燒的定容性。

圖2 最高燃燒壓力的變化

另一方面，隨著轉(zhuǎn)速的提高，最高燃燒壓力隨轉(zhuǎn)速的提高而提高的趨勢(shì)逐漸變緩。其主要原因是在點(diǎn)火及燃燒初期，火焰的傳播主要依賴于氣缸內(nèi)氣流的結(jié)構(gòu)，此時(shí)小尺度結(jié)構(gòu)湍流對(duì)增大火焰前鋒面的作用較大尺度結(jié)構(gòu)湍流更為明顯。而在壓縮過(guò)程中，湍流結(jié)構(gòu)變化的整體趨勢(shì)為大尺度結(jié)構(gòu)湍流向小尺度結(jié)構(gòu)湍流擴(kuò)散[7]。因此，湍流的擴(kuò)散速度隨著轉(zhuǎn)速提高而提高的同時(shí)，也導(dǎo)致了小尺度結(jié)構(gòu)湍流的減少，故可燃混合氣的燃燒速度有所下降。

同時(shí)從圖2中可看出，在某一特定轉(zhuǎn)速下，均有一點(diǎn)火提前角使得最高燃燒壓力達(dá)到該轉(zhuǎn)速下的最大值，且隨著轉(zhuǎn)速的增加該點(diǎn)火提前角增大。因此，對(duì)于某一特定轉(zhuǎn)速，點(diǎn)火提前角不能過(guò)大，也不能過(guò)小。點(diǎn)火提前角過(guò)大將使壓縮負(fù)功增加，過(guò)小將導(dǎo)致后燃增加，均使最高燃燒壓力下降。另一方面，燃燒室內(nèi)氣體流場(chǎng)的分布狀況特別是湍流分布極不均勻，且受到缸內(nèi)壓力大小及其變化的影響，故對(duì)火花塞中心附近氣體的流動(dòng)方向及運(yùn)動(dòng)速度產(chǎn)生了一定的影響，進(jìn)而影響了火焰中心形成的軌跡、火焰前鋒面移動(dòng)的速度及火焰向整個(gè)燃燒室發(fā)展的進(jìn)程。

另外，為保證發(fā)動(dòng)機(jī)的工作柔和性，通常應(yīng)將最高燃燒壓力出現(xiàn)點(diǎn)控制在壓縮上止點(diǎn)后12～15°CA范圍內(nèi)[9]。圖3所示為各轉(zhuǎn)速下，采用不同點(diǎn)火提前角時(shí)，最高燃燒壓力所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角。如圖3所示，當(dāng)點(diǎn)火提前角為21°CA、22°CA、23°CA時(shí)，整個(gè)轉(zhuǎn)速變化范圍內(nèi)最高燃燒壓力出現(xiàn)位置均在此范圍內(nèi)。結(jié)合圖2，當(dāng)點(diǎn)火提前角為21°CA、22°CA、23°CA時(shí)，最高燃燒壓力也保持著較高的水平。故將對(duì)點(diǎn)火提前角為21°CA、22°CA、23°CA時(shí)的主要?jiǎng)恿π灾笜?biāo)和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，以期獲得較為合理的方案。

圖3 最高燃燒壓力所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角變化

3 動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

各轉(zhuǎn)速下，采用不同點(diǎn)火提前角時(shí)，有效功率的變化狀況如圖4所示。有效功率的變化趨勢(shì)為，在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)速的提高，增大點(diǎn)火提前角，可增大有效功率，但變化不明顯。

圖4 有效功率的變化

圖5 機(jī)械損失功率的變化

圖5顯示了采用不同點(diǎn)火提起角時(shí)，機(jī)械損失隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系。其整體的變化趨勢(shì)為隨著點(diǎn)火提前角、轉(zhuǎn)速的增加，機(jī)械損失增大。其主要原因是，雖然提高最高燃燒壓力對(duì)提高有效功率有一定的促進(jìn)作用，但同時(shí)也造成了活塞環(huán)背壓、活塞裙部對(duì)氣缸壁側(cè)壓及軸承負(fù)荷的增加，使得摩擦力增大，從而提高了機(jī)械損失。

另外，當(dāng)轉(zhuǎn)速提高后，發(fā)動(dòng)機(jī)各摩擦副表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度增大，造成了摩擦損失的增加；同時(shí)，轉(zhuǎn)速上升還會(huì)引起各運(yùn)動(dòng)部件的慣量增加，從而使得機(jī)械損失加大。

圖6為有效轉(zhuǎn)矩的變化，當(dāng)轉(zhuǎn)速在1 500～2 000 rpm范圍內(nèi)，且點(diǎn)火提前角為21°CA時(shí)，有效轉(zhuǎn)矩最高；當(dāng)轉(zhuǎn)速在2 500～3 500 rpm范圍內(nèi)變化，點(diǎn)火提前角為22°CA時(shí)，有效轉(zhuǎn)矩達(dá)到較高的水平；而當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到4 000～5 500 rpm，點(diǎn)火提前角為23°CA時(shí)有效轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大。

提高發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，一方面可增加氣缸內(nèi)湍流的強(qiáng)度，有利于提高可燃混合氣的形成速度，使得可燃混合氣更為均勻，從而提高了火焰的傳播速度；另一方面，當(dāng)轉(zhuǎn)速提高后，使得殘余廢氣系數(shù)增加，強(qiáng)度過(guò)大的湍流又使電火花被吹走的傾向增加，從而對(duì)燃燒過(guò)程造成了不利的影響。因此，為保證發(fā)動(dòng)機(jī)在各轉(zhuǎn)速下，均能獲得較好的動(dòng)力性，應(yīng)使點(diǎn)火提前角隨著轉(zhuǎn)速的提高而增大。

圖7顯示了有效燃油消耗率的變化狀況，由該圖可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速在1 500～2 500 rpm范圍內(nèi)變化，且點(diǎn)火提前角為23°CA時(shí)，有效燃油消耗率最高，而點(diǎn)火提前角為21°CA、22°CA時(shí)，有效燃油消耗率相當(dāng)，且點(diǎn)火提前角為22°CA時(shí)略高；當(dāng)轉(zhuǎn)速在3 000～4 000 rpm之間變化，且點(diǎn)火提前角為22°CA時(shí)，有效燃油消耗率最低；轉(zhuǎn)速為4 500 rpm，點(diǎn)火提前角為22°CA與23°CA時(shí)的有效燃油消耗率相當(dāng)；當(dāng)轉(zhuǎn)速高于4 500 rpm，點(diǎn)火提前角為23°CA時(shí)有效燃油消耗率達(dá)到較低的水平。整體呈現(xiàn)出，隨著轉(zhuǎn)速的提高，有效燃油消耗率隨點(diǎn)火提前角的增大而減小。

圖6 有效轉(zhuǎn)矩的變化

圖7 有效燃油消耗率的變化

據(jù)此確立以下三種方案，如表4所示，對(duì)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對(duì)比分析。

表4 點(diǎn)火提前角與轉(zhuǎn)速匹配方案

圖8、圖9分別為以上三種方案的有效轉(zhuǎn)矩和有效燃油消耗率的對(duì)比。

圖8顯示，三種方案均存在著一定的轉(zhuǎn)速變化范圍使得有效轉(zhuǎn)矩保持在一較高的水平，而在采用方案一時(shí)，整個(gè)轉(zhuǎn)速變化范圍較方案二、三更為寬廣。其范圍值為2 500～4 500 rpm，且有效轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的增加而增加，且趨勢(shì)逐漸變緩。

圖8 有效轉(zhuǎn)矩對(duì)比

圖9中，三種方案，在整個(gè)轉(zhuǎn)速變化范圍內(nèi)，有效燃油消耗率的變化基本相同，均在轉(zhuǎn)速為2 000～3 500 rpm范圍內(nèi)變化時(shí)，保持著較低的水平，且變化趨勢(shì)較為緩慢，而當(dāng)轉(zhuǎn)速在2 500～3 000 rpm范圍內(nèi)變化時(shí)達(dá)到最低，但采用方案一時(shí)，略高于其他兩種方案。

圖9 有效燃油消耗率對(duì)比

4 結(jié)論

論文利用AVL Boost建立了四缸四沖程汽油機(jī)的熱力學(xué)仿真模型，以模擬不同點(diǎn)火提前角對(duì)汽油機(jī)性能的影響。首先，分析了點(diǎn)火提前角在19～24°CA范圍內(nèi)，按1°CA步長(zhǎng)增加時(shí)，不同轉(zhuǎn)速下最高燃燒壓力隨其變化的關(guān)系。其次，在對(duì)點(diǎn)火提前角為21°CA、22°CA、23°CA時(shí)的主要?jiǎng)恿π灾笜?biāo)和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。最后，確定了三種不同的點(diǎn)火提前角匹配方案，并對(duì)其進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)上述分析可知：

(1)最高燃燒壓力隨轉(zhuǎn)速的增加而增加，而對(duì)于某一特定轉(zhuǎn)速，均有一點(diǎn)火提前角使其最高燃燒壓力達(dá)到最大值。

(2)在整個(gè)轉(zhuǎn)速變化范圍內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)速的提高，增大點(diǎn)火提前角，可增大有效功率，但變化不明顯。而有效轉(zhuǎn)矩則有較為明顯的增加。

(3)在整個(gè)轉(zhuǎn)速變化范圍內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)速的提高，可適當(dāng)?shù)脑龃簏c(diǎn)火提前角對(duì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的有效燃油消耗率具有有利的影響。

(4)所確定的三種點(diǎn)火提前角匹配方案中，在有效燃油消耗變化不大的情況下，方案一可以獲得較高且較為寬廣的有效轉(zhuǎn)矩變化范圍。