点火方案对摩托车发动机燃烧特性的影响

【摘要】(1. College of Mechanical Engineering，Chongqing University，Chongqing 400044，China； 2. Department of Vehicle Engineering，Institute of Armored Technique，Changchun，...

摘 要：为了提高摩托车发动机的热效率，研究不同的点火方案对发动机燃烧特性的影响，基于宗申DB133发动机初步提出了5种点火方案，搭建了燃烧特性测试系统。试验针对单双火花塞及不同点火提前角曲线组合，通过燃烧压力、压力升高率、燃烧放热率、循环变动率、平均有效压力指标以及爆震的对比得出：同为双火花塞不同的点火提前角曲线，如果点火提前角匹配不合理，其性能反而不如单火花塞点火好；通过改变点火提前角在各转速的位置，也就是改变点火提前角曲线的斜率可以达到寻求最佳点火方案的目的，为摩托车双火花塞的研究提供了基础。

关键词：火花塞；点火提前角；燃烧特性

中图分类号：U483文献标文献标志码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2011.02.004

The Influence of Different Ignition on the Combustion Characteristics of Motorcycle Engine

Wang Meng 1，Zhang Li1，Huang Yongsheng1,2，Xie Boqiang1，Jiang Liang1

(1. College of Mechanical Engineering，Chongqing University，Chongqing 400044，China；

2. Department of Vehicle Engineering，Institute of Armored Technique，Changchun，Jilin 130117，China)

Abstract： In order to improve the thermal efficiency of a motorcycle engine and to explore the influence of the different ignition schemes on the combustion characteristics of an engine, five preliminary ignition plans based on Zongshen DB133 were proposed, and the combustion characteristic test system was built. Based on different spark advance curves of single spark plugs and double spark plugs, the experiment was carried out. By comparing the combustion pressure, rate of pressure rise, rate of combustion release, rate of cyclic variations, the average of effective pressure index and detonation, the simulation results indicate that the performance of the double spark plug may be worse than that of the single spark plug if the spark advance curve is unreasonable. The best ignition scheme could be obtained by changing the ignition advance angle in the position for different speeds, as well as changing the slope of the ignition advance angle curve. It provides a basis for the study of double spark plugs on motocycle engine.

Key words：spark plug; ignition advance angle; combustion characteristic

火花塞是将进入发动机燃烧的汽油和空气混合气体加以点燃的装置。在高温、高压的恶劣条件下工作，小型高速汽油机燃烧室为了获得较高的容积效率须采用较大尺寸的进、排气门，在狭小的燃烧室空间内火花塞的布置就受到限制，一般都采用单火花塞侧置布置。双火花塞点火系统DSI最初是在汽车用汽油机上得到应用，随着对双火花塞点火系统研究的深入，双火花塞的应用逐渐发展到小排量的车用汽油机产品领域，如2002年本田的Fit 1.3 L汽油机。为了提高发动机的热效率，试验在宗申DB133发动机的基础上增加了双火花塞燃烧室构造方案，探求不同点火方案对发动机热效率的影响。

1 试验设备及研究方法

1.1 试验设备

试验采用的是宗申DB133发动机，其中发动机数据采集及燃烧分析系统的硬件系统由高速PCI总线A/D卡、压力传感器、光电编码器、电荷放大器、PC机等硬件组成。系统以PC机为核心，通过高速PCI总线A/D卡采集发动机的状态参数。

试验采用的燃烧分析系统中传感器是KISTLER公司生产的发动机燃烧测试专用的传感器，由缸压传感器、曲轴转角传感器、上止点传感器，以及各个传感器用的信号放大模块等组成。数据采集系统使用的是DEWETRON公司生产的DEWE2010 8通道数据采集设备，该装置具体执行数据采集、数据处理、燃烧分析、数据管理等功能。试验实物图形如图1所示。

1.2 研究方法

由图2可知：点火提前角特性曲线2、点火提前角特性曲线3与点火提前角特性曲线1相比，两条点火提前角曲线都有较大的推迟。燃烧室在使用双火花塞点火时，两个火花塞可以使用同一条点火提前角曲线，也可以分别使用不同的点火提前角曲线。

表1中有5种点火方案，设定表中数字1表示点火特性曲线是同为1的双火花塞，数字2表示点火特性曲线为1的单火花塞，数字3表示点火特性曲线同为2的双火花塞，数字4表示点火特性曲线分别为2、3的双火花塞，数字5表示点火特性曲线为2的单火花塞。

2 燃烧测试分析

2.1 燃烧压力对比

宗申DB133发动机要求最高燃烧压力（爆发压力）应在5 MPa，在上止点之后10 oCA ～20 oCA产生。

由图3～图5得出：DSI1爆发压力过大，出现在离上止点的位置较早；SSI2爆发压力较小，出现在离上止点的位置过晚且最高压力波动较大。点火提前角相同时，双火花塞点火比单火花塞点火时的缸压上升得快，最高压力大。DSI2与DSI3爆发压力以及在上止点后的位置较为理想，DSI2比DSI3的最高燃烧压力高。由此得出DSI2出现最高燃烧压力以及位置合适最优，发动机的循环热效率和循环功率大，发动机动力性好。高转速时爆发压力要比低转速时高一些且爆发压力出现稍早，这样发动机进气系统对高速燃烧时比较有利。爆发压力位置在不同循环下不停变动，也说明汽油机存在工作时的不稳定性。

2.2 压力升高率对比

压力升高率是表征内燃机燃烧等容度和粗暴度的指标。压力升高率越高，则燃烧等容度越高，这对动力性和经济性是有益的，但会使燃烧噪声及振动增加，同时，也是排放中氮氧化合物增高的重要原因。一般汽油机的平均压力升高率为200～400 kPa/oCA，有的资料推荐最佳范围在170～250 kPa/oCA。最高压力升高率不应出现在上止点之前，否则会降低发动机的动力性。

由图6可知最大压力升高率对应曲轴转角从低到高的顺序依次是DSI1、SSI1、DSI2、DSI3、SSI2。在DSI1和SSI1两种点火策略下，最大压力升高率位置出现过早，在压缩行程上止点之前，对发动机曲柄连杆机构的冲击载荷较大，影响其动力性，因而SSI2压力升高率较小。在SSI1、DSI2、DSI3低速时，压力升高率差别不大，且随着转速的升高，由图6和图7可知DSI2 具有高于其它策略下的压力升高率的趋势，且符合平均压力升高率的范围，对动力性和经济性有益。点火提前角相同时，双火花塞比单火花塞的最高压力升高率高，出现的位置提前。

2.3 燃烧放热速率对比

燃烧放热速率最大值及其所在的位置对发动机热效率的影响最大。燃烧越迅速、燃烧持续期的时间越短越有利于热效率的提高。

如图8～图11所示，采用 DSI1及SSI1的点火策略时，最高燃烧放热速率基本出现在上止点之前，燃料燃烧放热太早，一半左右的燃料在上止点前就已燃烧，这样不仅会使压缩过程中压力升高太快以致增加压缩负功，而且会使膨胀过程中压力下降太快降低了膨胀做功的能力。应用DSI2和DSI3双火花塞点火时，最大放热速率相对单火花塞明显提高，而且最大放热速率出现的位置也比较合适，燃烧持续时间短，有利于热效率的提高。SSI2火花塞点火时，由于点火提前角过分推迟，燃烧放热率曲线的相位大大滞后，最大放热速率值也最小，因此燃烧性能较差。在相同的点火提前角下，双火花塞比单火花塞燃烧放热速率快且提前。

2.4 循环变动系数对比

由于循环变动的存在使发动机的性能指标不可能得到充分优化，因此应尽量降低发动机循环间的变动。在表征循环变动的参数中最高燃烧压力易于直接测量而且误差较小，另外最高燃烧压力波动比较剧烈可以认为其对循环变动比较敏感。采用最高燃烧压力作为表征循环变动的参数，用循环变动系数来度量循环变动的大小。最大缸压的循环变动系数一般不应大于10%，性能较好的汽油机一般不超过7%。

由图12～图13可知，在SSI1、DSI2、DSI3点火策略下的最高压力循环变动系数差别不大，都在7%以下，虽比在DSI1点火策略下的循环变动系数高一些，但仍是比较好的状态。由于几种情况差别不大，对于循环变动系数来讲，提高点火提前角和提高点火能量具有相似的效果。在SSI2点火策略下，循环变动系数过大。当点火提前角相同时采用双火花塞点火的循环变动系数都比单火花塞点火的小，可见双火花塞点火提高了点火的可靠性，有利于降低循环变动。

2.5 平均有效压力指标对比

在各个转速下比较了各个策略下的指示平均有效压力以及泵气平均有效压力。虽然采用双火花塞DSI2点火时，发动机的指示平均有效压力最高且动力性最好，但是与SSI1比较可知，在4 000 r/min和6 000 r/min时，DSI2平均有效压力仅仅比SSI1分别高1.4%和1.5%，且在整个转速范围内平均有效压力并没有很好地得到提高；双火花塞DSI3点火时其做功能力在低于5 500 r/min时不如SSI1，且在6 000 r/min时，平均有效压力仅比SSI1提高0.4%，SSI1的指示平均有效压力比DSI1大。泵气平均有效压力受火花塞数目和点火提前角影响较小，且随着转速的升高，泵气损失是逐渐增大的。

2.6 爆震强度对比

爆震是汽油机最主要的一种不正常燃烧现象，常在压缩比较高的时候出现。爆震因子KF高于2认定为爆震发生，文献资料表明，轻微爆震有利于发动机功率的提高。

从图16～图17可知，在DSI1点火策略下，发动机出现了明显的爆震现象，这是因为点火过于提前，且点火能量较大导致的，采用其它点火策略并未出现爆震。点火提前角相同时，双火花塞点火比单火花塞点火更容易发生爆震，当火花塞数目相同时，点火提前角大的比小的也更容易发生爆震。

3 结论

（1）双火花塞的方案比单火花塞方案更好地提高了宗申DB133发动机的热效率。当点火提前角相同时，双火花塞点火比单火花塞点火的压力升高率以及燃烧速率上升得快。泵气平均有效压力受火花塞数目和点火提前角的影响较小，且随着转速的升高，泵气损失是逐渐增大的。

（2）同为双火花塞，采取不同的点火方案对发动机热效率的提高是不同的，如果点火提前角匹配不合理其性能反而不如单火花塞点火好。

（3）通过改变点火提前角在各转速的位置，也就是改变点火提前角曲线的斜率可以达到寻求最佳点火方案的目的。因此，对于宗申DB133发动机来说，DSI2并不一定是最优的点火方案，为此可以在以上试验的基础之上，通过改变点火器点火特性曲线来寻找适合它的最佳点火提前角，为以后摩托车发动机双火花塞的研究提供了基础。

参考文献(References):

兰华．JS154FMI型发动机的研制[D]．重庆：重庆大学，2009.

Lan Hua. Development of JS154FMI Type Engine.[D] Chongqing：Chongqing University，2009.（in Chinese）

刘峥，王建昕．汽车发动机原理教程[M]．北京：清华大学出版社，2001.

Liu Zheng，Wang Jianxin. Automobile Engine Principle Tutorial [M]. Beijing：Tsinghua University Publishing Company，2001.（in Chinese）

周龙保.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，2000.

Zhou Longbao. Internal Combustion Engine[M]. Beijing：Publishing Company of Mechanical Engineering，2000. （in Chinese）

吴正权．双火花塞新技术[J]．摩托车技术，2005（1）：37-38.

Wu Zhengquan. New Technology of Double Spark Plugs [J]. Motorcycle Technology，2005(1)：37-38.（in Chinese）

刘小强.小型内燃机燃烧测试平台的构建及应用[D].重庆：重庆大学，2008.

Liu Xiaoqiang. Test Platform Building and Application of Small Combustion [D]. Chongqing：Chongqing University，2008. （in Chinese）

王谦.汽油机数据采集及燃烧分析系统的开发[D]．天津：河北工业大学，2006.

Wang Qian. Development of Combustion Engine in Data Collection Analytical System [D]. Tianjin：Hebei University of Technology，2006. （in Chinese）

FUJIMOTO M，IWAI K，KATAOKA M，et al. Effect of Combustion Chamber Shape on Tumble Flow，Squish-generated and Burn Rate [J]. JSAE，2002，23(3)：291-296.

NISHII S，INOUE K，MITSUISHI S，et al. Internal Combustion Engine：America，US7207312 [P]. 2007-04-24.