FAI缸内直喷二冲程摩托车发动机的研究

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摩托车。

fai缸内直喷二冲程摩托车发动机的研究杨延相1尤兵1刘昌文2郗大光1张平1 1一天津大学内燃机研究所2和油耗的有关问题，并进行了初步的试验研究。结果表明，在二冲程发动机缸内直喷系统中，喷油量和喷油提前角是非常敏感的控制参数，点火相位也对发动机性能有影响，在这些参数控制合适时，该发动机的油耗和排放可接近于四冲程摩托车发动机。

1可冲程发a动机有成本低、升功阻点趾ing勒分初始数据。试验结果表，控制参数选择bookmark1 1刖目随着摩托车产业在我国的不断发展，摩托车产品的价格不断降低，摩托车用户的数量大量增加，这种现代化发展在给人们带来方便的同时，也使我国的能源问题和城市大气环境问题日益突出。为了控制摩托车尾气排放对大气环境的污染，国家及部分城市对摩托车废气排放量制定了愈来愈严格的法规。目前全国摩托车实施的法规等同采用了欧洲i号法规，北京市还参照欧洲2号法规实施了更加严格的北京市地方标准111.随着形势发展，摩托车全面实施欧洲2号甚至更严格的欧洲3标准是必然的趋势。

由于传统的曲轴箱扫气化油器供油式二冲程发动机在换气方面存在的固有的问题，使其hc排放和油耗很高，二冲程摩托车基本无望达到欧洲1号排放标准，再加上其油耗高用户使用的负担大，因此近年来摩托车产业的发展趋势是逐渐淘汰二冲程车，其市场占有率逐年下降。如果通过分离供油和扫气过程，就可以消除混合气扫气损失，从而降低油耗和排放。在这方面国外有一些技术方案的探讨，如avl公司的半直接喷射系统121，orbital公司的ocp（orbitalcombustionprocess）二冲程发动机技术13，以及里卡多公司的分层燃烧系统14等。

从已发表的这些技术的阶段性成果来看，采用缸内直接喷射的方法能够大幅度降低二冲程发动机的hc排放和油耗率，但是在系统可靠性及控制成本方面仍有很多开发工作需要解决。

本项工作旨在应用低成本的一体化电磁燃油喷射器fai151实现二冲程摩托车发动机的缸内直喷，从而解决二冲程发动机的排放差、油耗高的根本问题，同时又不丧失二冲程发动机的成本低、功率大的优点。本文初步探讨了应用fai技术实现二冲程发动机缸内直喷化的基本方案，并通过台架试验研究了喷油量、喷油相位以及点火提前角等参数对发动机油耗和排放的影响，为进一步完成发动机控制软件参数的设计提供了合适时，发动机工作稳定，油耗和hc排放浓度接近于四冲程摩托车发动机。

2燃油喷射系统所示为本项研究所用的燃油喷射系统，它是由一个电控的fai（freearmatureinjection自由电枢喷射）喷油器和一个低压供油泵组成的。所需的电控单元硬件和软件是为本项研究而开发的。fai喷油器是一个电磁驱动的高压喷油装置，通过电磁线圈驱动其中的自由电枢和柱塞而对高压油箱中的燃油脉冲式加压喷射。调节驱动电压脉冲宽度就可以调节喷油量。

为试验所用fai喷油器的喷油量和喷油驱动脉宽的关系图。为喷油压力脉冲波形图例。从图中可看出，喷油压力可达90bar，驱动脉冲越宽，喷油压力越高。随着驱动脉冲宽度的增加，喷油量近似线形增加。

并且与脉冲频率，即发动机转速的关系不明显。由于fai喷油器采用了喷油和回位全程电磁驱动的结构设计，并且电枢在磁场中完全自由，所以该喷油器可以较低的驱动电压实现高频喷射。具体地说，本试验所用的喷油器在12v电池电压下可以实现最高120次/秒相当于7200r/min下的高压喷射。由于该喷油器压力大于30bar，所以可以在压缩行程的后半期喷油，从而有望实现缸内分层燃烧。由于二冲程发动机的燃烧温度高，因此在供油系统中增加了一个低压油泵；它可以保证喷油器中不产生气泡，而且有一定的冷却作用。

在电喷发动机中，由于喷油器有回油的油路，原有的测量油耗的系统就不适用了。为了测量电喷发动机的油耗，在本试验的供油系统中增加了一个回油处理装置（）。它的工作原理如下：以回油处理装置中的浮子控制单向阀的开关，从而控制燃油箱来的油量，使回油处理装置中的液面保持不变，这样喷油器喷出的油量就等于燃油箱流入回油处理装置中的油量，测量该油量就可以得到油耗量。

3燃烧系统8极磁电机外触发ecu控制的cdi点火系统。

为新设计缸盖的照片，fai喷油器接近于垂直地安装在靠近燃烧室中心的位置，火花塞斜置，其电极间隙的位置也靠近于燃烧室中心，但处于喷油器的下方。另外还要在缸盖上安装一个缸盖温度传感器，和一个测量缸内压力的压力传感器。

本项研究选用了排气量为100cc的ax-100型摩4电子控制系统托车发动机为发动机，对其缸盖和活塞重新进行本项研究中开发了专用于fai喷油器和数字控制了设计，并且将原机化油器换为装有节气门位置传感cdi点火的电子控制单元（ecu）。其输入信号有：节气器的节气门体1□另外入将原机的0点火系。统改换为、潘j置、曲轴位置脉丨冲磁电机点火触发脉冲）。缸盖温由于喷油器直接对着活塞顶部喷油，为使油束更集中于燃烧室中心，在活塞顶上设置了一个浅的凹坑。

改造后的缸盖图度、进气温度以及电池电压。输出信号有：喷油脉冲和点火脉冲。发动机转速和点火相位由相邻两个曲轴位置脉冲间隔时间和点火提前角设定表来计算。另外，为了能够在线诊断ecu工作状态，并在线改变发动机运转控制参数，ecu还要随时与外接设备（如pc机）进行通讯，该通讯接口为rs232标准串行接口。

5台架试验与控制系统本项研究应用了专门的台架试验系统151来进行试验。该系统以装于一台pc机上的disi电控开发平台为核心，发动机测功系统（天津科达测器公司生产的交流电力测功机）和发动机ecu以及排放仪（佛山仪器厂mexa五组分排放分析仪）等都将信号传送到disi开发平台上显示或保存到pc机中。通过该disi开发平台，还可以在线改变发动机ecu的工作参数，如喷油脉冲宽度和点火提前角等。同时该disi开发平台还可通过高速采集卡测量缸内压力波形，实时显示或保存数据。

6初步试验结果及分析500r/min三个节气门开度下的试验结果来说明在该直喷二冲程发动机中，喷油量、喷油相位本文中所用到的有些参数是进行控制的值，并没有转换成我们习惯的单位；如压力信号值是采集卡采集到经电荷放大器放大后得到的电压信号，并不是绝对的压力值。不过，在初步分析的时候这些数据的相对值已经能够说明问题了。

4500i/min，10%开度时的试验数据和分析500r/min、节气门10%开度时参数对油耗和hc的影响示于。a中，喷油量和喷油提前角保持不变，仅仅调整点火提前角以找出它对油耗和排放的影响。可以看出，点火提前角对油耗的影响的趋势大致是一条u型曲线。而在点火提前角不是特别大的时候，它对hc和co的影响不大。这是因为：当点火提前角非常小时，发动机后燃的可能性增大，而当点火提前角太大时，缸内燃烧大部分在上死点以前就完成了，从而活塞消耗的压缩功增加，功率减小使得油耗升高。hc的浓度反映的是燃烧的好坏，它主要受混合气浓度的影响；但是若点火提前角太大则会引起爆振，从而使hc升高。随着点火提前角的增大，缸内温度上升，nox就会相应升高，不过总的水平很低。因为负荷小，co水平比较高，说明混合气较浓。

b为保持点火提前角和喷油提前角不变而改变喷油量的结果。从图中可以看出，喷油量对油耗和hc的影响都是一条v型曲线。这是因为：喷油量太少以至混合气过稀会造成燃烧不稳定，因此油耗和hc水平就很高。喷油量太多又会导致混合气过浓使得燃烧不完全，这也可以从相应的缸内压力时间序列图（）中得到证实。当把参数调整到一个合适的范围时，主要是调整喷油量，此时汽缸内压力随时间的变化比较平稳，表明燃烧得比较好，这时的油耗、hc和co都会达到最好，但nox会达到最大。

和点角对性能排放及缸缸内压撼形的影响趾ing！步改进11而扉喷油提前角的增大妒排放越来越bookmark2 c为保持点火提前角和喷油量不变而改变喷油提前角的结果。对c进行分析可知：喷油提前角跟油耗的关系不太明显，但是随喷油提前角的增大油耗有减小的趋势。由于此时负荷低，缸内残余废气较多，喷油提前角小即晚喷有利于形成分层混合气，本应使得经济性变好，但是结果并非如此。这表明缸内并没有形成良好的分层燃烧，说明该燃烧系统有待进喷油提前角i以及点火10%开度时油耗、排放与点火提前角、喷油量和喷油提前角的关系曲线低，这是因为随喷油提前角的增大燃油跟空气就混合得越好，因此燃烧就会越好。但是当喷油提前角过大时会造成燃油的短路进入排气口而使hc排放又开始上升。

500r/min节气门50%开度时各参数对油耗和hc排放的影响示于。图中，通过分析能够得到跟4500r/min、10%开度时相似的结论。只是各个参数的最优值范围不同，最小油耗率达325g/kw°h，最低hc排放浓度700x106，这些指标接近于四冲程发动机。例如，比较和可以看出的最优点火提前角要小一些。这是由于这一工况下，节气门开度比较大因此缸内压力高、温度高、残余废气少而使得着火延迟变小火焰传播速度变大的缘故。

缸内压力比较4500r/min、100%开度时的试验数据和分析500r/min、节气门100%开度时各参数对油耗和hc排放的影响示于。中的三幅曲线图有跟和大致相似的结论。这就表明这些结论是普遍性的，但是它的具体表现形式又是跟具体的工况点有关系的。此时油耗和hc以及co都能达到一个比较满意的水平，油耗最低310g/kw 6，⑴最低0.8%左右。只是nox较高，这主要是由于燃烧温度高而且进气量大造成的，通过减小点火提前角可以使nox降低。

结合这三个工况，我们发现三个参数对油耗和排放的影响程度是不一样的。综合起来看有这么一些特点：喷油提前角在一定范围内（不至于产生燃油短路）跟油耗的关系不太清楚，但是随着它的增加油耗有减小的趋势。喷油量对油耗和排放的影响在三者中是最大的，当然这也是在稳定燃烧的前提下得到的。点火提前角在一定范围内对hc排放的影响不大。总之，对于二冲程汽油机的直喷，最关键的控制参数是喷油量；而且由于扫气会短路一部分汽油到排汽管中，氧传感器就不能检测缸内混合气的浓度，因此喷油量的优化就显得尤为重要。而且根据这三幅图可以初步得出这些工况下的最优控制参数，对精确生成电控map图很有帮助。

7结论初步的试验结果表明，fai燃油喷射器可用于二g冲程缸内直喷系统e在喷油喷油量（kg/h）b油耗、排放与喷油墙的关系曲线喷油提前角/ta c油耗、排放与喷油提前角的关系曲线4500i/min、50%开度时油耗、排放与点火提前角、提前角控制合适时，发动机的油耗和排放可以接近于四冲程摩托车发动机的水平。通过试验，明确了各个控制参数对发动机性能及排放的影响规律，即：随着点火提前角的增大油耗越来越小，增大一定范围后油耗越来越大，而且随着负荷的提高最佳点火提前角逐渐变小；点火提前角对hc和co的影响不大，但对nox的影响大。随着喷油量的增大，油耗和hc越来越小，达到最小值后油耗和hc都随喷油量增大而恶化。最佳喷油量随负荷的提高而增大。喷油提前角对油耗的影响有待进一步研究，但是就hc而言有一个最优喷油提前角。在中高负荷，负荷越大hc的最优喷油提前角也越大；但在低负荷喷油也不能太晚，这可能是因为该系统在形成分层混合气方面还不够理想。

4500i/min、100%开度时油耗、排放与点火提前角、喷油量和喷油提前角的关系曲线

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