点火時期によるシリンダー内圧力の変化

エンジン制御の都合上、
点火時期などはクランク角度を元にしたマップが作られる場合が多いと思います。

この時、点火時期はエンジン回転数と負荷の2軸で角度により設定されますが
エンジン回転数と点火時期の関係性がいまいち掴みづらかったため
点火時期って結局どのくらい前に点火してるん？
にてエンジン回転数とクランク角度による時間[ms]を算出しました。

また、
点火時期って結局TDC何秒前に点火してるん？
にてパワーFCの初期設定マップを使ってBTDC何msにて点火しているのかを算出しました。

Pmax、Pmeを最大限に高めるためにはATDC12°近辺で燃え終わっているのが良いことがこれまでの多くのテストで確かめられている。クランク角で見た熱発生時間は、回転数が上がってもあまり変わらないが、点火から熱発生までの絶対時間はほぼ一定のため、高回転になればなるほど、クランク角で見ると燃焼時間は長くなる。したがって、高回転になるほど点火時期を早くしなければならない。
参考文献
１）　長谷川浩之：HKS流エンジンチューニング　グランプリ出版

につきまして考察を行いたいと思います。

タイトル画像は
参考文献
２）　中村哲寿：ガソリンエンジンのノック制御　職業能力開発報分誌　第１巻　1988
X軸はクランク角度、Y軸はシリンダー内圧力となり山の盛り上がりはガソリンが燃焼している事が示されます。
こちらでは点火時期を変更した際のシリンダー内圧力の推移を示しています。

まず、
クランク角で見た熱発生時間は、回転数が上がってもあまり変わらない
につきましてタイトル画像を見ると、
点火時期を変更したときには山の盛り上がり方は異なるものの、
山も盛り上がり始めと山が盛り下がってき終わりに変化があまり見られないことからわかるかと思います。

こちらでは点火時期をBTDC20°からBTDC25°へ進角させることで、
シリンダー内圧力がTDCに近いところでピークを迎えることと、
山の面積が大きくなっていることから出力が大きくなっていることがわかります。

一方、BTDC30°では点火時期が早すぎるために、最大爆発時に圧力振動が生じ、ノック現象が生じていると説明されています。

また、点火時期を早くしていくと出力は大きくなっていくもののノッキングが発生することが知られていますが、
BTDC30°とBTDC25°のTDC前を比較すると
BTDC25°と比べてBTDC30°は早期に圧力上昇が見られることから損失が多くなっていることがわかるかと思います。

点火時期を進角させることでシリンダー内圧力を高く、
出力を高くすることが出来ますが、
TDC前の圧力上昇が多くなることで損失が発生するため
MBTを取ることが必要とされています。
１）　長谷川浩之：HKS流エンジンチューニング　グランプリ出版

また、Pmaxが高くなるにつれてピストンリング等への負荷が高くなるため
市販車では一定の安全マージンを取ったセッティングにされていたようです。

ところが、昨今のCO2排出削減のために点火リタードを前提として
攻めたマップ設定になっていると聞きました(-_-;)

----------略語----------
※TDC=Top Dead Center=圧縮上死点
ピストンがコンロッドから最も遠い位置(シリンダーヘッドに最も近い位置)の状態
ピストンピンがオフセットしている場合はクランクピンがシリンダヘッドに最も近い角度とピストンがシリンダヘッドに最も近い角度が異なる場合もある
私の記事ではピストンがシリンダーヘッドに最も近い位置をTDCと表現する


※BTDC=Befor Top Dead Cener=圧縮上死点前
ピストンがTDCに向かっている状態でTDC前の角度

クランクシャフトが時計回りに回っていると考えた場合、
12時の位置を0°とすると3時の位置は90°ATDCとなり
9時の位置は-90°ATDCとなるが、
-90°ATDCはTDCより前になるので
BTDCを使用した場合はTDC前の角度を表現するため90°BTDCと表現する

TDC後の角度を示すATDCがあるため、明示的に角度を表現する際に使用する


※Pmax=燃焼室内の最高圧力
シリンダー内の最高圧力
トルク(回転数をかけた出力)に関係する値であるが、
Pmaxが高すぎるとピストンリングの損傷が起こりやすいなどエンジンに負担がかかり
燃焼温度が高いので当然ながらNOxの生成が活発化される


※Pme=平均有効圧力
一気筒の一サイクル当たりの仕事を行程容積で割った値で、エンジンの大小によらずに出力性能を比較するうえで重要となる


※MBT=Minimun Advance for the Best Torque
最もトルクが出る時の最良の点火時期


こちらの設定内容は可能な範囲で公開しております。
注：この設定を行ったことに寄る不具合は当方では対応できません(-_-;)
パワーFC設定履歴

https://docs.google.com/spreadsheets/d/1dAj4tPknmJ0FLr9VkYtK4gQZPmDkLbGaRFSOueKuASY/edit?gid=604622174#gid=604622174