1、小排量汽油機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)的研制王興海1馬 震1劉 兵2曾 科2(1-西北工業(yè)大學(xué)第365所 西安 710072; 2-西安交通大學(xué)汽車工程系摘 要:本文在總結(jié)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)電控汽油噴射原理的基礎(chǔ)上, 針對(duì)小排量汽油機(jī)的特點(diǎn)和要求, 研究開發(fā)了適合小排量汽油機(jī)的電控汽油噴射系統(tǒng), 對(duì)該系統(tǒng)的構(gòu)成細(xì)節(jié)和特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的描述, 并給出了在排量為125mL 的2缸四沖程摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)上的試驗(yàn)結(jié)果。與使用化油器相比, 使用電控汽油噴射技術(shù)可以較大幅度的改善發(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣排放, 在不使用排氣后處理裝置的情況下, 使其達(dá)到歐洲 排放標(biāo)準(zhǔn), 發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、低速扭矩特性有明顯的改善, 動(dòng)力性比原來略有改善。本文還

2、對(duì)如何進(jìn)一步完善摩托車電控燃油噴射系統(tǒng)提出一些建議。關(guān)鍵詞:小排量汽油機(jī) 電控 摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)中圖分類號(hào):TK414. 32 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1671-0630(2006 01-0021-04Develop m ent of E lectronic Control Fuel InjectionSyste m for S mall Gasoline EnginesW ang X inghai 1, M a Zhen 1, L i u B i n g 2, Zeng Ke21-N orthw est I ndustrialUn i v ersity (X ia ' n 710072

3、 2-X ia ' n Jiao tong Un iversityAbst ract :An electron ic contr o l fue l injecti o n syste m suitab l e for the s m all gaso li n e eng i n es is developed . Thestructura l details and characteristics o f this syste m are i n troduced . The test result on a 125mL 2-cy li n der 4-stroke mo torc

4、yc le eng i n e is presented . The result sho w s that th is syste m can reduce the eng i n e exhaust e m is si o n m arkedly . Som e suggestions to i m prove the syste m are a lso put f o r w ard . K eyw ords :Sm all gaso li n e eng i n e , E lectr onic contro, l M oto rcycle eng i n e概述經(jīng)過二十多年的發(fā)展和應(yīng)

5、用, 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)電控燃油噴射技術(shù)已經(jīng)很完善, 并廣泛地得到應(yīng)用, 根據(jù)其構(gòu)成原理和特點(diǎn)1, 歸納總結(jié)如表1所示。節(jié)氣門開度/轉(zhuǎn)速法除了精度稍差外, 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 成本低的特點(diǎn), 另外它還具有電控燃油噴射系統(tǒng)所具有的優(yōu)于化油器的普遍優(yōu)點(diǎn), 因而適合在小排量摩托車用發(fā)動(dòng)機(jī)上使用。本文主要介紹采用節(jié)氣門開度/轉(zhuǎn)速法的電控燃油噴射系統(tǒng)的初步開發(fā)過程及其結(jié)構(gòu), 并針對(duì)其特點(diǎn)加以闡述。1 小排量發(fā)動(dòng)機(jī)的電控燃油噴射系統(tǒng)的開發(fā)采用節(jié)氣門開度/轉(zhuǎn)速法的電控燃油噴射系統(tǒng), 主要由以下幾個(gè)部件構(gòu)成, 如圖1中所示。1. 1 噴油器噴油器的設(shè)計(jì)主要是使其有合理的噴柱形狀和供油特性。噴柱形狀和供油特性主要由噴油器出

6、口的形狀和尺寸決定, 噴油壓力對(duì)其特性也有一定的影響。在噴油壓力確定的情況下, 通過合理設(shè)計(jì)噴口的形狀、尺寸來確定噴柱形狀和供油特性, 其設(shè)計(jì)方法與一般噴油器設(shè)計(jì)方法相同。小排量發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用的噴油器, 要求每次噴射量較小, 每循環(huán)供油量一般只有幾毫克至幾十毫克, 要達(dá)到如此之小的供油量, 可以通過減小流通面積和降低噴射壓力達(dá)到, 因?yàn)?作者簡(jiǎn)介:王興海(1963-, 男, 高級(jí)工程師, 主要研究方向?yàn)樾⌒秃娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研制。第35卷 第1期2006年2月小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車S MALL I N TERNAL COM B UST I O N ENG I N E AND MOTORCYCLE Vo.

7、 l 35No . 1Feb . 2006表1 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)電控燃油噴射的類型和特點(diǎn)類型 決定供油量的基本參數(shù)特點(diǎn)應(yīng)用范圍節(jié)氣門開度/轉(zhuǎn)速法節(jié)氣門開度, 轉(zhuǎn)速結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 成本低, 精度較差。要求低成本的場(chǎng)合, 單點(diǎn)噴射系統(tǒng)。進(jìn)氣壓力/轉(zhuǎn)速法(D 型 進(jìn)氣管壓力, 轉(zhuǎn)速結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 成本適中, 精度適中。應(yīng)用在經(jīng)濟(jì)車型中, 性能價(jià)格比較高。機(jī)械連續(xù)噴射(K 型 進(jìn)氣流量零部件精度高, 結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 成本較高, 精度適中。主要用在奔馳等德國公司早期的部分車型上進(jìn)氣流量/轉(zhuǎn)速法進(jìn)氣流量, 轉(zhuǎn)速結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 成本較高, 精度較高。排量較大的發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用較多圖1 采用節(jié)氣門開度/轉(zhuǎn)速法的電控燃油噴射汽油機(jī)簡(jiǎn)圖q

8、 = A 其中:q -流量, -流量系數(shù), A -噴口流通面積, p -油壓與出口背壓之差。但降低噴射壓力會(huì)降低燃油噴射的霧化效果, 對(duì)于轉(zhuǎn)速較高的小排量發(fā)動(dòng)機(jī)的排放是不利的。一般電控燃油噴射系統(tǒng)的油壓約0. 250. 30M Pa 。本文采用法國SAGE M 公司的三孔式噴嘴, 在 p =0. 2MPa 的情況下靜態(tài)流量為60g /mi n , 流量小且具有良好的霧化效果。與普通針閥式噴油器相比, 該種噴油器的針閥采用片狀結(jié)構(gòu), 不容易結(jié)膠, 便于維護(hù), 運(yùn)動(dòng)件質(zhì)量非常輕, 具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能, 非常適合通常轉(zhuǎn)速都很高的摩托車用發(fā)動(dòng)機(jī)。1. 2 燃油泵同普通電噴系統(tǒng)一樣, 燃油泵為直流電

9、機(jī)帶動(dòng)的葉片式結(jié)構(gòu)。本文采用日本A I SHAN 公司生產(chǎn)的汽油泵, 在電壓為12V, 燃油壓力為0. 2M Pa 時(shí), 燃油流量約80L /h,電流約2. 54A 。對(duì)于國內(nèi)的摩托車, 由于排量不大, 如采用此油泵, 燃油流量顯得太大了。在進(jìn)一步開發(fā)國產(chǎn)油泵時(shí), 還可以適當(dāng)降低流量, 從而降低電能消耗。1. 3 壓力調(diào)節(jié)器本系統(tǒng)采用法國SAGE M 公司生產(chǎn)的燃油壓力調(diào)節(jié)器, 額定燃油壓力為0. 2MPa , 與一般電噴系統(tǒng)的壓力調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)完全相同。1. 4 傳感器本控制系統(tǒng)采用的主要傳感器有:曲軸位置傳感器、節(jié)氣門開度傳感器、氣缸溫度傳感器、進(jìn)氣溫度傳感器和進(jìn)氣壓力傳感器。節(jié)氣門開度傳感器

10、的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為線性電位器式, 曲軸位置傳感器用原發(fā)動(dòng)機(jī)CD I 點(diǎn)火系統(tǒng)中的電感式觸發(fā)線圈來充當(dāng), 氣缸溫度傳感器和進(jìn)氣溫度傳感器為具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻, 其特性與一般汽車用電噴發(fā)動(dòng)機(jī)的相同。1. 5 電子控制單元ECU 的開發(fā)1. 5. 1 硬件開發(fā)圖2是所開發(fā)的整個(gè)電控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方框圖。在該系統(tǒng)中, EC U 采用了具有高性價(jià)比的M CS-51系列單片機(jī)。為了提高系統(tǒng)的可靠性, 該單片機(jī)具有程序存儲(chǔ)器(ROM 、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM 、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、A /D 轉(zhuǎn)換器、可編程定時(shí)器陣列(PCA 、I /O端口和監(jiān)視定時(shí)器(WDT , 同時(shí)還使EC U 具有故障診斷和故障指示功能。1. 5.

11、2 軟件設(shè)計(jì)與控制策略控制系統(tǒng)主要包括:噴油控制, 點(diǎn)火過程控制, 燃油泵控制, 怠速控制, 故障診斷控制等。這些內(nèi)容涉及工況有:冷起動(dòng)控制, 暖機(jī)工況, 運(yùn)行工況, 過渡工況, 超速保護(hù)。軟件設(shè)計(jì)的內(nèi)容較為復(fù)雜, 本文簡(jiǎn)要介紹其主要內(nèi)容。1. 5. 2. 1 噴油時(shí)間控制根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況的不同, 發(fā)動(dòng)機(jī)的主要工況噴油時(shí)間和控制策略如下:起動(dòng)工況:T =T st +T u其中有效噴油時(shí)間為T st , T u 是無效噴射時(shí)間, 噴油時(shí)間T 是有效噴油時(shí)間與無效噴油時(shí)間之和。其中T st 是發(fā)動(dòng)機(jī)缸溫的函數(shù), 無效噴射時(shí)間T u 是蓄電池電壓的函數(shù)。起動(dòng)時(shí)根據(jù)缸溫的高低確定噴油量, 溫度低時(shí),

12、 由于燃油的蒸發(fā)和霧化差, 應(yīng)加大噴油量, 以保證順利起動(dòng)。運(yùn)行工況:T =T p F c +T u22小 型 內(nèi) 燃 機(jī) 與 摩 托 車第35卷 圖2 電控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方框圖式中:T p 為基本噴油脈寬, 它是發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)空燃比標(biāo)定的有效噴油脈寬。本文中它是進(jìn)氣管絕對(duì)壓力p I N 與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n 的函數(shù), 由穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況匹配得到。F c 為基本噴油脈寬修正系數(shù), 它是發(fā)動(dòng)機(jī)的不同狀態(tài)和運(yùn)行工況的修正系數(shù)。過渡工況:T =T p F c +F ad +T u式中:F ad 為加減速運(yùn)行工況修正系數(shù)。加減速過程的處理較為復(fù)雜, 本文利用節(jié)氣門開度變化來進(jìn)行起步加速、一般加速和急加速判斷, 處理方法

13、較為簡(jiǎn)單, 尚有改進(jìn)的余地。加速時(shí)節(jié)氣門突然加大, 進(jìn)氣壓力增加, 會(huì)使附在壁面的燃油增多, 同時(shí)這一部分附著的燃油需要一定的汽化時(shí)間, 需要進(jìn)行加速補(bǔ)償。補(bǔ)償主要考慮進(jìn)氣管壓力與溫度高低這兩種因素的影響。壓力的影響可用節(jié)氣門開度的時(shí)間變化率! /! t 和節(jié)氣門開度修正系數(shù)K THR 來表示, 即有以下計(jì)算式:F ad =K THR (! /! t K THWK THW 為缸溫修正項(xiàng), 是缸體溫度的函數(shù)。減速工況與之相反, 應(yīng)減油, 計(jì)算方法與加速工況相同。燃油切斷控制:在缸溫過高、怠速超速和轉(zhuǎn)速超限的情況下, 切斷燃油供應(yīng)。1. 5. 2. 2 怠速控制由于沒有專門的怠速空氣量控制閥, 所

14、以怠速的高低是由調(diào)節(jié)節(jié)氣門的最小開度來實(shí)現(xiàn)的, 同時(shí)利用點(diǎn)火提前角來消除機(jī)體溫度對(duì)怠速轉(zhuǎn)速的影響。對(duì)于機(jī)體溫度很低時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)怠速, 最好選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的機(jī)械溫控閥或者EC U 控制的通斷型電磁閥。1. 5. 2. 3點(diǎn)火控制點(diǎn)火控制包括點(diǎn)火充電時(shí)間(閉合角 控制和點(diǎn)火提前角控制兩部分。充電時(shí)間按蓄電池的電壓來控制。起動(dòng)時(shí)點(diǎn)火提前角根據(jù)輸入的曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào), 以固定的點(diǎn)火提前角進(jìn)行(例如:15CABTDC 。起動(dòng)后按正常方式進(jìn)行控制, 即:點(diǎn)火提前角=基本點(diǎn)火提前角+暖機(jī)校正項(xiàng)+大氣壓力校正項(xiàng)+怠速校正項(xiàng)+過熱修正項(xiàng)?；军c(diǎn)火提前角是發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門和轉(zhuǎn)速的函數(shù), 以表格(MAP的形式存儲(chǔ)在EPROM

15、中, 該MAP 由匹配試驗(yàn)獲得。暖機(jī)校正項(xiàng)考慮缸溫對(duì)點(diǎn)火提前角的影響, 當(dāng)缸溫低時(shí)應(yīng)加大點(diǎn)火提前角, 以促進(jìn)盡快暖機(jī)。大氣壓力校正項(xiàng), 點(diǎn)火提前角隨大氣壓力升高而適當(dāng)減小。對(duì)于怠速校正項(xiàng), 根據(jù)實(shí)際怠速與目標(biāo)怠速的偏差進(jìn)行控制, 實(shí)際怠速高于目標(biāo)怠速時(shí), 減小點(diǎn)火提前角, 反之, 增加點(diǎn)火提前角, 且偏差量越大, 則校正量越大。對(duì)于過熱修正項(xiàng), 當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速運(yùn)行且缸溫過高時(shí), 應(yīng)增加點(diǎn)火提前角, 以避免發(fā)動(dòng)機(jī)長時(shí)間過熱。2 系統(tǒng)匹配試驗(yàn)研究EC U 在電控試驗(yàn)臺(tái)調(diào)試成功后, 以一臺(tái)125型發(fā)動(dòng)機(jī)為對(duì)象進(jìn)行了匹配試驗(yàn)。為此編寫的標(biāo)定程序, 可使該ECU 與個(gè)人電腦實(shí)現(xiàn)了由RS-232接口的通

16、信, 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。通過個(gè)標(biāo)定程序, 可以實(shí)時(shí)改寫和顯示EC U 中的各個(gè)MAP 數(shù)據(jù)和控制參數(shù), 如點(diǎn)火提前角, 噴油時(shí)間和噴油提前角等。標(biāo)定過程分為臺(tái)架試驗(yàn)標(biāo)定和整車標(biāo)定。2. 1 發(fā)動(dòng)機(jī)的臺(tái)架試驗(yàn)和結(jié)果標(biāo)定時(shí), 對(duì)于中小負(fù)荷節(jié)氣門開度, 確定過量空氣系數(shù)為1. 01. 05, 節(jié)氣門開度在70%以上時(shí)為0. 90. 95, 圖3是發(fā)動(dòng)機(jī)在正常運(yùn)行條件下, 穩(wěn)定工況的基本噴油脈譜(MAP。2. 2 工況法試驗(yàn)簡(jiǎn)介在臺(tái)架標(biāo)定基本完成后, 進(jìn)行了工況法的試驗(yàn)。試驗(yàn)按標(biāo)準(zhǔn)GB14622-2002進(jìn)行, 試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。表2 摩托車的工況法試驗(yàn)結(jié)果單位CO HC NO x 標(biāo)準(zhǔn)的限值實(shí)測(cè)值g

17、/km5. 51. 20. 33. 10. 50. 1223第1期王興海等: 小排量汽油機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)的研制 圖3 基本噴油量脈譜3 結(jié)論和討論根據(jù)以上思路開發(fā)的電控系統(tǒng)其優(yōu)點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。由于充分考慮了在滿足需要的前提下盡量降低電控系統(tǒng)的成本, 所以省略了在汽車電控系統(tǒng)中要用的一些傳感器, 只保留了主要的傳感器, 因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單了, 成本下降了, 零件數(shù)的減少對(duì)增加可靠性也有好處。根據(jù)作者從事本研究的經(jīng)歷, 及該產(chǎn)品使用過程中的問題來看, 該系統(tǒng)尚需進(jìn)一步改進(jìn)和完善之處為:1 該系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差。由于沒有采用氧傳感器閉環(huán)控制, 無法消除同一種發(fā)動(dòng)機(jī)中由于每一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)制造誤差造成的空燃

18、比控制偏差及其影響, 即使是同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī), 由于新舊程度不同也會(huì)存在類似的問題。在使用過程中曾表現(xiàn)出一些問題, 如怠速工作不穩(wěn)定, 油耗增加, 動(dòng)力性下降等。原因是由于采用節(jié)氣門開度-速度法和開環(huán)控制的方式本身所存在的缺陷, 造成系統(tǒng)在使用一段時(shí)間后, 發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際空燃比偏離研發(fā)時(shí)標(biāo)定的空燃比。采用開環(huán)控制方式, 對(duì)燃油的計(jì)量精度要求較高, 空氣隨節(jié)氣門開度和轉(zhuǎn)速變化的特性要穩(wěn)定。實(shí)際情況是滿足不了上述要求, 所以需要采用以下改進(jìn)方案:#采用氧傳感器測(cè)量排氣中氧的含量, 如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)一樣采用閉環(huán)方式控制空燃比, 以消除不同發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的差異導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)性能不一致, 以及同一發(fā)動(dòng)機(jī)因使用時(shí)間的長

19、短引起的性能變化對(duì)空燃比的影響, 使發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比始終能工作在理論空燃比附近的一定的范圍內(nèi)。采用測(cè)量進(jìn)氣管壓力代替測(cè)量節(jié)氣門開度, 也就是采用速度%密度法來確定基本噴油量, 以提高空燃比開環(huán)控制精度, 尤其在發(fā)動(dòng)機(jī)小負(fù)荷(小節(jié)氣門開度 、高轉(zhuǎn)速時(shí)的空燃比開環(huán)控制精度。這似乎存在一定的必要性, 因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)在機(jī)體溫度較低、突變工況等情況下是需要進(jìn)行開環(huán)控制的。但由于摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管壓力是急劇波動(dòng)的, 尚需要進(jìn)一步認(rèn)真仔細(xì)的研究如何測(cè)量進(jìn)氣管壓力, 而得到一個(gè)特征壓力值來代替節(jié)氣門開度, 和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一起確定開環(huán)控制的基本噴油量。由于壓力傳感器和氧傳感器的價(jià)格均在百元以上, 對(duì)系統(tǒng)的成本增加較多, 所以需要綜合考慮。2 關(guān)于怠速控制問題。由于冷起動(dòng)后機(jī)體溫度較低時(shí), 發(fā)動(dòng)機(jī)怠速低、怠速不穩(wěn)、甚至停機(jī)等問題, 因而需要增加進(jìn)氣量以提高怠速轉(zhuǎn)速。目前的摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng), 其怠速轉(zhuǎn)速的控制基本與化油器發(fā)動(dòng)機(jī)一樣, 是通過調(diào)節(jié)節(jié)氣門的最小開度來實(shí)現(xiàn), 輔之以改變發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火提前角來小范圍調(diào)節(jié)怠速轉(zhuǎn)速及其穩(wěn)定性。采用的辦法可以有兩種:一是采用附加空氣閥的方法, 如怠速步進(jìn)電機(jī)式怠速空氣閥、占空比式空氣閥、機(jī)械控制或者溫控開度的怠速空氣閥; 二是自動(dòng)改變節(jié)氣門開