点火提前角

当汽油机的负荷减小时，汽油机的转速下降，点火时间需要推迟，点火提前角要减小；当汽油机的转速增大时，点火时间需要提前，点火提前角要增大。

发动机点火及其它控制
第一节发动机点火控制系统
一、点火控制系统的发展
点火系统最基本的原理是通过断电开关控制点火线圈一次电流的大小和断电时间，从而控制点火的能量和时刻，保证发动机汽缸内的混合气彻底燃烧。

在传统的化油器式汽油机中，点火控制系统经过了传统式（触点式）向无触点式发展的过程。

在这一过程中，系统的分电器仍一直采用机械式离心和真空提前机构来控制发动机的点火提前角。

随着EFI系统的出现和发展，点火控制系统开始采用电控点火装置（ESA）。

它可以使发动机在任何工况下均处于最佳点火提前状态，并实现3方面的功能：通电时间控制，点火提前角控制和爆震控制。

二、电子点火控制系统
现代点火控制系统都是计算机控制的电子控制系统。

它可以分为两大类，一类是有分电器的，一类是没有分电器的。

但是它们的主要组成及控制原理是相同的。

组成：
（1）点火器：包括点火控制电路等、闭合角控制电路、点火器信号电路、功率晶体管及其驱动电路等。

（2）点火线圈及分电器点火线圈采用一次线圈电阻值很小的高能点火线圈。

在有分电器的系统中，各汽缸共用一个点火线圈；在无分电器的系统中，将气缸分组，每组共用一个点火线圈，或者是每个气缸独立用一个线圈。

电子点火控制系统的组成如图
（1）ECU的输入信号
ECU的输入信号，除了节气门位置传感器、输入信号，除了节气门位置传感器、空气流量计、水温传感器等送来的信号外，还有曲轴位置传感器送来的以下信号：
1）G信号
所谓G信号，即上止点参考位置信号。

它的周期对应的曲轴转角等于发动机各缸工作间隔所对应的曲轴转角（四缸发动机为180度，六缸发动机为120度），G信号的相位所对应的曲轴位置与各组活塞的上止点位置有一定的角度，一般为上止点前10度。

根据G信号，ECU可能准确地计算出曲轴每转1度及一周所用时间和发动机转速。

由转速和其它传感器输入的参数，ECU可查表得到点火提前角和点火线圈通电时间。

根据计算的1度信号所用时间，可计算出G信号后点火器的通电和断电时刻，最后输出点火控制信号。

在无分电器的点火控制系统中，有的将上止点位置G信号分为G1和G2，两信号相隔180度（曲轴转角360度）。

在丰田皇冠汽车无分电器点火控制系统中，G1设定在第六缸上止点附近，G2设定在第一缸上止点附近。

2）Ne信号。

所谓Ne信号，即发动机曲轴转速信号。

Ne信号的每一个脉冲，表示发动机曲轴转过一个固定的角度。

一般的系统中，Ne信号周期为转轴转过30度所对应的时间，在较精密的系统中，Ne信号周期为曲轴转过1度所对应的时间。

（2）ECU的输出信号
1）点火控制信号IGt
IGt实际上就是点火器中功率晶体管的通断控制信号。

它是ECU输出到点火组件的点火命令信号，也是点火组件计算闭合角的基准信号。

IGt信号输出后，在活塞位置达到存储器所记忆的最佳点火时间时，IGt信号消失，也就是发出了点火指令。

2）辨缸信号IGdA、IGdB
曲轴每转一周将产生多个G信号，而每个G信号与点火气缸的对应关系应该是确定不变的。

在有分电器的系统中，由于点火气缸是由分火头的指向决定的，所以不会出现问题。

但是在无分电器的系统中，仅有G信号不能决定具体的点火气缸，所以ECU输出信号中增加了辨缸信号IGd，以便与G信号一同决定需要点火的气缸。

在无分电器同时点火方式中，又把IGd分为IGdA和IGdB。

3、无分电器点火控制系统（DIL）
无分电器点火控制系统是一种全电子化的点火系统。

优点：（1）由于没有机械传动，减少了分火头与旁电极这一中间跳火间隙的能量损耗和干扰；
（2）由于无分电器，也使发动机各部件的布置更容易、更合理。

分类：（1）每缸一个点火线圈的独立点火方式；
（2）两个活塞位置同步缸（两个缸的活塞同时到达上止点位置，但一个缸为压缩行程的上止点，另一个缸为排气行程的上止点）共用一个点火线圈的同时点火方式。

1）无分电器同时点火方式
1、6缸，
2、5缸及
3、4缸分别为同步缸，两同步缸共用一个线圈，其方法是两同步缸的火花塞与共用的点火线圈二次线圈串联。

当点火线圈一次线圈断电时，一个气缸处于压缩行程的上止点，所以为有效点火；而另一个气缸处于排气行程的上止点，为无效点火。

由于处于排气行程中气缸内的压力很低，加之废气中导电离子较多，其火花塞很容易被高压击穿，消耗的能量非常少，不会对压缩行程气缸点火产生影响。

2）无分电器独立点火方式控制系统
由于每缸都有独立的点火线圈，所以即使发动机的转速高达9000r/min，线圈也有较长的通电时间（大的闭合角），可以提供足够高的点火能量。

与分电器系统相比，在相同的转速和相同点火能量下，单位时间内点火线圈的电流要小的多，因此，线圈不宜发热而体积又可以非常小巧，一般是将点火线圈压装在火花塞上，这种点火方式控制系统特别适合于多气门发动机。

三、最佳点火提前角及影响点火提前角的因素
1、最佳点火提前角
定义：能保证发动机的动力性、经济性和排放都达到最佳值的点火提前角称为最佳点火提前角。

一般来说，混合气在气缸内燃烧时，其最高燃烧压力（也可以说是发动机的最大输出功率）出现在曲轴转角的上止点后10度左右。

如图3-4，图中曲线A是气缸内不燃烧的压力波形，它是以上止点（TDC）为中心的左右对称波形。

曲线B、C、D分别表示点火时刻在上止点第10度以前，10度左右和10度以后三种点火提前角时的燃烧压力波形。

由图可知，Ⅱ时刻点火可以获得最佳的燃烧压力（作功也是最多的，作功的多少可以看阴影部分所示）且无爆震发生；而在Ⅰ时刻点火，虽然燃烧压力最高，但有爆震发生（曲轴B上部的的锯齿波形）。

可见，最佳点火提前角在上止点前10度左右。

但最佳点火提前角也不是一成不变的。

2、影响点火提前角的因素
1）发动机转速对点火提前角的影响
如图3-5知，发动机转速升高，点火提前角应该增大。

在普通EFI系统中，由于采用的是机械式离心调节器，所以调节曲线与理想点火调节曲线相差较大。

当采用ESA时，可以使发动机的实际点火提前角接近与理想的点火提前角。

2）进气歧管绝对压力对点火提前角的影响
如图3-6知，当管路压力高（真空度小，负荷大），要求点火提前角小；反之，管路压力低（真空度高，负荷小）时，要求点火提前角大。

在普通EFI系统中，由于采用真空调节器，所以调节曲线与理想曲线相差较大。

当采用ESA控制系统时，可以使发动机的实际点火提前角接近于理想的点火提前角。

3）辛烷值对点火提前角的影响
发动机在一定条件下，会出现爆震现象。

爆震使发动机动力下降、油耗增加、发动机过热，对发动机极为有害。

发动机的爆震与汽油品质有密切关系，常用辛烷值来表示汽油的抗爆性能。

汽油的辛烷值越高，抗爆性越好，点火提前角可以加大；反之，汽油的辛烷值越低，抗爆性越差，点火提前角应减少。

在无电控的普通点火系统中，是靠人工分电器初始位置进行调节来实现的。

在EFI中，为了适应不同辛烷值的汽油的需要，，在实际运用时，可以根据不同的汽油品种进行选择。

在出厂时，一般开关设定在无铅汽油的位置上。

3、点火提前角的控制方式
在ESA控制系统中，根据有关传感器送来的信号，ECU计算出最佳点火时刻，输出点火正时信号（IGt），控制点火器点火。

在发动机起动时，不经ECU计算，点火时刻直接由传感器信号控制一个固定的初始点火提前角。

当发动机转速超过一定值时，自动转换为由ECU 的点火正时信号IGt控制。

1．初始点火提前角
为了确定点火正时，ECU根据上止点位置确定点火的时刻。

在有些发动机中，ECU把G1或G2信号后第一个Ne信号过零点定为压缩行程上止点前10度，ECU计算点火正时时，就把这一点作为参考点。

这个角度就称作初始点火提前角，其大小随发动机而异。

2．点火提前角的计算
发动机工作时，ECU根据进气歧管压力（或进气量）和发动机转速，从存储器存储的数据中找到相应的基本点火提前角，再根据有关传感器信号值加以修正，得出实际点火提前角。

实际点火提前角=初始点火提前角个基本点火提前角十修正点火提前角（或延迟角）
3．点火提前角的控制
点火提前角的控制包括两种基本情况：①起动期间的点火时间控制：发动机在起动时，在固定的曲轴转角位置点火，与发动机的工况无关。

②起动后发动机正常运行期间的点火时间控制：点火时间由进气歧管压力信号（或进气量信号）和发动机转速确定的基本点火提前角和修正量决定。

修正项目随发动机而异，并根据发动机各自的特性曲线进行修正。

四、爆震控制
爆震是汽油机运行中最有害的一种故障现象。

发动机工作如果持续产生爆震，火花塞电极或者是活塞就可能产生过热、熔损等现象，造成严重故障，因此必须防止爆震的产生。

爆震与点火时刻有密切关系，同时还与汽油的辛烷值有关。

在传统的点火系统和无爆震控制的点火系统中，为防止爆震的发生，其点火时刻的设定往往远离爆震边缘。

这样势必就会降低发动机效率，增加燃油消耗。

而具有爆震控制的点火系统，点火时刻到爆震边缘只留一个较小的余量，或者说，就在爆震界面上工作，这样即控制了爆震的发生，又能更有效地得到发动机的输出功率。

1、爆震控制系统
组成：感器和ECU两大部分。

从硬件上看，爆震控制系统实际上就是加了爆震传感器的点火控制系统。

2、爆震控制方法
工作原理：爆震传感器安装在发动机的缸体上，利用压电晶体的压电效应，把缸体的振动转换成电信号输入ECU，ECU把爆震传感器输出的信号进行滤波处理，同时判定有无爆震以及爆震强度的强弱，进而推迟点火时间。

当ECU有爆震信号输入时，点火控制系统采用闭环控制方式，爆震强，推迟点火角度大；爆震弱，推迟点火角度小，并在原点火提前角的基础上推迟点火提前角，直到爆震消失为止，当爆震消失后，在一段时间内维持当前的点火时间角。

如果没有爆震发生，则逐步增加点火提前角一直到爆震发生，当发动机再次出现爆震时ECU又使点火提前角再次推迟，调整过程如此反复进行
4
国标规定用汽油的辛烷值表示汽油的号数，常用的汽油号数为66、70、85、90、93、97，号数反映汽油避免产生爆震燃烧的能力。

相比柴油而言，汽油是一种很容易蒸发的液体，从320K左右开始蒸发，至470K左右蒸发完毕，其自燃温度较高，但在外源引火的条件下容易着火。

汽油机除使用汽油外，必要时可使用其它液体借用燃料，如甲醇、已醇和苯等。

若将汽油机供系统进行适当改造还可以燃用气体燃料，如天燃气石油气、工业煤气、氢气甲烷等。

汽油机按其汽油供给方式的不同，可分为化油器式和喷射式两种系统形式。

第一节可燃混合气的形成与燃烧
一、可燃混合气的形成
在内燃机上，为了使燃油能在极短的时间内燃烧完了，必须使燃油以极小的粒子尽量与空气均匀混合，目前采用的方法都是让燃油充分蒸发，以蒸发的粒子与空气混合燃烧。

根据汽油的特点，汽油机工作时，一般是将汽油与空气混合后送入气缸的，在压缩终了时通过电火花点燃混合气完成作功。

为使汽油充分蒸发，一种方法是创造利于蒸发的环境，如提高温度，降低气压，增加蒸发表面积，加快气流速度等，这可以通过化油器来实现。

另一种方法是采用压力喷射，即汽油喷射系统来雾化汽油，形成混合气。

混合气要在气缸中迅速而完全地燃烧，除要汽油较好地雾化、蒸发并与空气均匀混合外，还要求其中燃油与空气的此例恰当，也就是混合气成分要合适。

在汽油机中能够被点燃的混合气成分的范围称为着火范围。

汽油与空气的混合气着火范围为。

不同时，内燃机的功率和油耗率有很大差异，实验表明，为
0.85~0.95时内燃机发出最大功率，而为1.05~1.15时内燃机具有最小油耗率。

汽车用汽油机在不同负荷进所需混合气成分如图5-1，大致可分为三种情况：
图5-1 汽油机不同负荷所需混合气浓度
A-小负荷 B-中等负荷 C-大负荷
1-功率混合气 2-经济混合气 3-理论混合气
1．中负荷节气门中等开度，这是汽车用汽油机大部分时间的工作情况。

这时不要求汽油机发出最大功率，如要增加功率，只要开大节气门即可。

因此，中负荷下化油器应当供给经济的混合气成分，相当于图中值应接近曲线2，即曲线3的中间段，。

2．大负荷和全负荷节气门开度接近或处于最大开度。

这时要求汽油机发出足够的功率，以克服加大了的行驶阻力，如重载爬坡、高速行驶等。

因此值应接近曲线1，曲线3应由接近曲线2逐渐过渡到接近曲线1。

值逐渐过渡到0.8~0.9。

3．小负荷节气门开度较小。

进入气缸的可燃混合气量少，上一循环残留在气缸中的废气相对较多，不利于燃烧，因此应供给较浓的混合气，以保证汽油机能稳定工作。

曲线3应由靠近曲线2向靠近曲线1过渡，值一般为0.7~0.9。

以上分析是在汽油机转速一定的情况下得出的，在转速变化的情况下，混合气成分曲线将在横座标方向上发生移动，形状基本相同。

二、混合气的燃烧
（一）正常燃烧过程
1．正常燃烧阶段
研究燃烧过程的方法很多，但简单易行且经常使用的方法是测取燃烧过程的展开示功图，它反映了燃烧过程的综合效应。

汽油机典型的展开示功图如图5-2所示。

为分析方便，按其压力变化特点，将燃烧过程分成三个阶段。

图5-2 汽油机燃烧过程
Ⅰ-着火延迟期Ⅱ-明显燃烧期Ⅲ-补燃期
1-开始点火 2-形成火焰中心 3-最高压力
（1）着火延迟期又称诱导期，图中l~2段，从火花塞点火点1至气缸压力明显脱离压缩线而急剧上升开始点2的时间或曲轴转角。

火花塞放电时两极电压达10~15KV，击穿电极间隙的混合气，电极间有电流通过。

电火花能量多在40~80mJ，局部温度可达3000K，使电极附近的混合气立即点燃，形成火焰中心，火焰向四周传播，气缸压力脱离压缩线开始急剧上升。

着火延迟期长短与混合气成分（时最短）、开始点火时的缸内气体温度和压力、缸内气体流动、火花能量及残余废气系数等因素有关。

对应每一循环都可能有变动，有时最大值可达最小值的数倍。

一般应尽量缩短着火延迟期并保持稳定。

（2）明显燃烧期又称速燃期若火焰传播期，图中2~3段，从形成火焰中心到火焰传遍整个燃烧室，示功图上指压力达到最高点3止。

在均质混合气中，当火焰中心形成之后，火焰向四周传播，形成一个近似球面的火焰层，即火焰前锋，从火焰中心开始层层向四周未燃混合气传播，直到连续不断的火焰前锋扫过整个燃烧室。

火焰前锋相对于未燃混合气向前推进的速度称为火焰速度，用UT表示。

UT的大小取决于层流火焰速度（约在每秒几十厘米到几米之间）和混合气紊流状态。

因为绝大部分燃料在这一阶段燃烧，此时活塞又靠近上止点，所以气缸压力迅速上升。

常用平均压力上升速度表征压力变化的速度：
式中 p3、 p2——第二阶段终点和起点的压力（MPa）；
——第二阶段终点和起点相对上止点的曲轴转角（0）汽油机在0.15~0.4MPa／（0）的范围。

明显燃烧期是汽油燃烧的主要时期。

明显燃烧期愈短，愈靠近上止点，汽油机经济性、动力性愈好，但可能导致值过高，而使噪声、振动变大，工作粗暴，对排污亦不利。

一般明显燃烧期约占20o~40o曲轴转角，燃烧最高压力出现在上止点后 12o~15o曲轴转角，
=0.175~0.25MPa／（o）为宜。

（3）后燃期又称补燃期，图中点3以后，它是指明显燃烧期以后的燃烧，主要有火焰前锋过后未及燃烧的燃料再燃烧，贴附在缸壁上未燃混合气层的部分燃烧以及高温分解的燃烧产物（H2、CO等）重新氧化，这种燃烧已远离上止点，热功转换效率明显降低，大部分热量以增加发动机热负荷的形式释放，后燃期应尽量缩短。

综上所述，汽油机正常燃烧过程是唯一地由定时的火花点火开始，且火焰前锋以一定的正常速度传遍整个燃烧室。

2．燃烧速度
燃烧速度是指单位时间燃烧的混合气量，可以表达为：
式中AT ——火焰前锋面积；
——未燃混合气密度；
UT——火焰速度
控制燃烧速度就能控制明显燃烧期的长短及其相对曲轴转角。

现代汽油机转速很高，一般在5000~8000r／min，燃烧时间极短，仅几毫秒，这就需要有足够快的燃烧速度，并希望它合理地变化。

由上式可见，影响燃烧速度的因素有：（1）火焰速度UT
火焰速度UT是决定明显燃烧期长短的主要因素。

现代汽油机的UT可高达50~80m／s。

燃烧室中气体的紊流运动、混合气成分和混合气初始温度均会对UT产生影响。

紊流运动由具有一定运动方向的涡流运动和无数小气团的无规则脉动运动
所组成，这些由气体质点所组成的气团大小不一，流动的速度、方向也不相同，但宏观流动方向则是一致的。

这种紊流运动使平整的火焰前锋表面严重扭曲，甚至分隔成许多燃烧中心，导致火焰前锋燃烧区的厚度增加，火焰速度加快，如图5-3。

图5-3 紊流对火焰前锋厚度的影响
a）较弱紊流 b）强烈紊流
图5-4示出紊流强度与火焰速度比的关系。

图5-4 紊流强度与火焰速度比的关系
紊流强度u指的是各点速度的均方根值，火焰速度比是紊流火焰速度与层流火焰速度之比。

可见，加强燃烧室的紊流尤其是微涡流运动，会使火焰速度有效地增加，这是提高汽油机燃烧速度最重要的手段。

混合气成分不同，火焰传播速度也表现出明显不同，图5-5为试验所得火焰速度与过量空气系数的关系。

图5-5 混合气成分对火焰传播速度的影响
当＝0.85~0.95时，火焰速度最大，汽油机用这种浓混合气工作，燃烧速度最快，功率也最大，这种混合气称为功率混合气。

当＝0.95~1.1时，火焰速度降低不多，又因有足够的氧气而使燃烧完全，因此用这种浓度的混合气工作，汽油机经济性最好，此时混合气称为经济混合气。

当继续增大，由于火焰传播速度下降，燃烧过程拖长，热效率和功率均降低。

>1.3~1.4时，火焰难以传播，汽油机不能工作，此种混合比称为火焰传播下限。

同样，＜0.4~0.5时，由于严重缺氧，也使火焰不能传播，这种混合比称为火焰传播上限。

实际上，为了保证可靠地工作，汽油机的应在0.6~l.2范围，即空燃比A／F=9~18。

应当注意，混合气火焰传播界限并非一个常数，它是随条件而变化的，如混合气温度高，点火能量大，气体紊流强等，火焰传播界限就扩大；混合气中废气含量多，界限就变窄；混合气初始温度高，火焰速度增加。

（2）火焰前锋面积AT
利用燃烧室几何形状及其与火花塞位置的配合，可以改变不同时期火焰前锋扫过的面积，以调整燃烧速度。

它直接影响明显燃烧期所对应的曲轴转角及燃烧速度，与压力增长规律密切相关。

（3）可燃混合气密度
增大未燃混合气密度，可以提高燃烧速度，因此增大压缩比和进气压力等，均可加大燃烧速度。

3．不规则燃烧
汽油机不规则燃烧是指在稳定正常运转的情况下，各循环之间的燃烧变动和各气缸之间的燃烧差异。

这是汽油机燃烧过程的一大特征。

（1）循环间的燃烧变动
火花塞附近混合气的浓度和气体紊流性质、程度在各循环之间均有差异，致使火焰中心形成的时间不同，即由有效着火时间变动而引起缸内压力随循环而产生的变化。

循环间燃烧变化较大，是不应忽视的，低负荷时情况还要严重。

这种循环间的燃烧变动使汽油机空燃比和点火提前角调整对每一循环都不可能处于最佳状态，因而油耗上升，功率下降，不正常燃烧倾向增加，整个汽油机性能下降。

目前对各循环间燃烧变动现象的机理至今尚不十分清楚，但可以肯定：
a．当＝0.8~0.9时循环燃烧变动最小，混合气加浓或变稀，变动均增大。

因此，为了减少排气中的CO而运用稀混合气时，即使在较高负荷也容易发生循环变动，成为稀混合气使用的障碍之一。

b．在中等负荷以上变动较小，低负荷时，残余废气相对量多，变动更为明显。

c．加强紊流有助于减少变动，因此转速增加，变动会减小。

d．加大点火能量，采用多点点火，情况可有所改善。

e．燃烧变动对点火时刻和点火位置很敏感。

（2）各缸间燃烧差异
汽油机主要采用在预混合气中燃烧的方式，故混合气成分对燃烧有很大的影响。

由于缸外混合，在汽油机进气管内存在着空气、燃料蒸气、各种比例的混合气、大小不一的雾化油粒以及沉积在进气管壁上厚薄不同的油膜，情况非常复杂，要想让它们均匀分配到各个气缸是很困难的。

另外，各缸进气歧管的差别，各缸间进气重叠引起的干涉等现象，导致各缸进气量、进气速度以及气流的紊流状态等不能完全一致。

因此，在多缸汽油机上，各缸混合气成分存在差异，化油器式汽油机的这种现象尤为严重。

各缸混合气成分不同，使得各缸不可能都在最佳调整状况下工作，即各缸不可能都处于经济混合气或功率混合气浓度，从而使整个汽油机功率下降，耗油率上升，排放性能恶化。

影响混合气分配不均匀的因素很多，总的来说，与进气系统所有零部件的设计和安装位置都有关系，任何不对称和流动阻力不同的情况都会破坏混合气均匀分配，其中影响最大的是进气管的设计。

4．燃烧室壁面的熄火作用
在火焰传播过程中，燃烧室壁对火焰具有熄火作用，即紧靠壁面附近的火焰不能传播。

这样，在熄火区内存在大量未燃烧的烃，它是汽油机排气中HC的主要来源之一。

一般解释缸壁熄火是由链反应中断和冷缸壁使接近缸壁的一层气体冷却所造成。

根据试验观察所知，当值在l左右时，熄火厚度最小，混合气加浓或减稀，此厚度均增加；负荷减小时，熄灭厚度显著增加；燃烧室温度、压力提高，气缸紊流加强，熄火厚度均减小。

根据熄火厚度可以推定熄火范围的容积，从而可以推定排气中HC的浓度。

应尽量减小熄火厚度及燃烧室的面容比 F／V，以降低汽油机的HC排出量。

（二）不正常燃烧
提高汽油机压缩比是提高其热效率的有效途径，但这会引起不正常燃烧。

20世纪60年代前，提高压缩比和防止不正常燃烧是汽油机发展的主要矛盾。

汽油机压缩比曾一度达到10左右，但到20世纪70年代后，由于对排污限制逐渐严格以及遇到高辛烷值汽油生产问题，压缩比曾一度降低。

目前，由于电子技术。