影響發動機最佳點火提前角因素的對比分析

劉軍 楊慶利 李奎

摘要：發動機點火提前角影響汽車發動機的動力性、經濟性、排放等性能指標，為加深對最佳點火提前角受相關因素影響的理解，本文對發動機最佳點火提前角的影響因素進行了梳理與分析。

關鍵詞：最佳點火提前角;影響因素;對比分析

中圖分類號：TK441+.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）16-0046-02

0? 引言

目前，汽車電子控制點火系統（ESA）可監控各項影響發動機最佳點火提前角因素，并對點火提前角進行修正，可使發動機實際點火提前角接近最佳點火提前角。計算機控制點火系的點火提前角由三部分組成：初始點火提前角（又稱為原始點火提前角）、基本點火提前角和修正點火提前角。即實際點火提前角=初始提前角+基本提前角+修正提前角，如圖1所示。

1? 最佳點火提前角概念與實現最佳點火提前角意義

混合氣從點燃到燃燒終了需要一定時間，在混合氣燃燒的同時，活塞、曲軸也在運轉。從點火時刻到活塞到達上止點的這段時間內曲軸轉過的角度稱為點火提前角。

發動機燃燒室壓力最大值出現在活塞到達上止點后，曲軸轉角10～15°時，所對應的點火時刻，即為發動機最佳點火提前時刻。從點火到活塞到達上止點這段時間內，對應的曲軸轉角即是發動機最佳點火提前角。

理論上最小點火提前角為0°。為了防止在做功行程才點燃混合氣，造成動力損失，往往將點火提前角設為5°以上，這也是啟動轉速所需要的角度。最大點火提前角也不能太大，一般不能超過60°，否則振動和溫升問題將凸顯，發動機效率也將下降。

最佳點火提前角的意義是在各種不同工況下，使氣體膨脹趨勢最大段處于活塞做功下降行程，這樣效率最高，振動最小，溫升最低。可以獲得最大的能量轉換效率，獲得最好的動力性、經濟學、排放性綜合指標。

2? 影響發動機點火提前角的因素與分析

2.1 發動機轉速

影響點火提前量最大的因素是轉速。假設氣缸內混合氣燃燒速度相同的前提下，從點火到混合氣燃燒終了的時間固定，隨曲軸角速度增加，點火提前角對應呈線性增加，此時的曲軸轉角即隨著轉速的提升而增加，對應的點火時刻相應提前，如公式（1）所示。可理解為隨轉速增加，轉過同樣角度的時間變短，只有更大的提前角才能得到相應的提前時間。

ω=θ/t（1）

2.2 負荷

當發動機負荷增加時，相同轉速下，發動機節氣門開度更大，產生更大的進氣量和對應的噴油量。燃燒室內吸入更多的混合燃氣，在相同壓縮比的情況下，在活塞達到上止點時燃燒室內的溫度和壓力更大，導致燃燒速度更快，減少了從點火到燃燒終了的時間。根據公式（1），將同款發動機在重載和輕載的不同工況下，當發動機處于相同轉速時，對應的點火提前角θ會隨混合氣燃燒時間減少而相應減小，因此隨負荷增大最佳點火提前角應減小。

2.3 辛烷值

當發動機選用不同辛烷值的燃油時，抗爆性好的油品可以使用更大的點火提前角，當發動機處于爆震邊緣時，將會具備更良好的發動機動力性。因此，發動機點火提前角應隨發動機選用油品辛烷值增加而適當增加。

2.4 壓縮比

當缸徑相同的發動機壓縮比增大時，燃燒室內混合氣壓力、溫度相應提升，燃燒室內混合氣燃燒速度增加，混合氣燃燒時間t減少，其他條件相同、轉速相同前提下將兩臺發動機進行對比，最佳點火提前角θ隨壓縮比增大相應減小。情況與增大發動機負荷類似。

2.5 混合氣濃度

空氣過量系數為0.8時，燃燒室內混合氣燃燒速度最快，對應時間最短，應選取最小的點火提前角。在空氣過量系數為0.8的基礎上，混合燃氣過濃或過稀時，燃燒室內混合氣燃燒速度減慢，對應的燃燒時間延長，相同轉速下的同款發動機，當混合燃氣過濃或過稀時，點火提前角應相應增加。具體增加數值要以不同混合氣濃度下發動機燃燒實驗數據為準。

2.6 大氣壓力

隨著發動機所處的氣壓條件增大，發動機吸氣沖程吸入空氣量增加，發動機對應的噴油量增加，使發動機燃燒室壓縮終了時溫度、壓力上升，導致同轉速下燃燒時間減少，對應點火提前角θ減小。提前角調整情況與增大負荷、壓縮比效果類似。

2.7 火花塞數量

特種車輛在發動機每個氣缸中布置多個火花塞，在點火時導致燃燒室內燃燒速度大幅增加，燃燒時間t減少。因此，在相同轉速下，氣缸內多火花塞設計發動機點火提前角應減小。

2.8 啟動和怠速工況特殊要求

在發動機啟動和怠速等特殊工況時，主要考慮保證發動機可靠啟動與怠速的持續穩定運轉。不將發動機排放性、經濟性、動力性作為主要目標進行設計。此時經常將點火提前角設置為0°。

3? 保證發動機最佳點火提前角的技術方案

基本點火提前角是指在初始點火提前角的基礎上，控制單元根據發動機轉速和負荷（進氣管壓力或空氣流量）大小自動使點火提前角進一步增大，點火提前角增大的部分就是基本點火提前角。傳統車輛中控制發動機點火提前角隨轉速變化的總成為離心式點火提前機構。控制發動機負荷與點火提前角關系總成為真空式點火提前機構。經驗證，調節效果不夠精準，無法準確適應發動機工況。

修正點火提前角是指控制單元根據發動機冷卻水溫度、節氣門開度、爆震傳感器信號、氧傳感器信號等參數確定出點火提前角修正量。目前，多款車輛通過發動轉速傳感器、曲軸位置傳感器、節氣門開度傳感器、進氣壓力傳感器、發動機爆震傳感器、水溫傳感器等感知發動機工況，通過車載ECU查詢修正點火提前角并連接點火控制器，為各缸提供準確合理的點火時刻，從而獲得最優的發動機動力性、經濟性和排放性綜合性能，如圖2。

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