（动力机械及工程专业论文）摩托车发动机电喷改造的理论与实验研究.pdf

a b s tr a c t t h em e t o r c y c l e se m iss i o np r o b l e m sb e c o m em o r ea n dm o r e s e r i o u sw i t ht h ed e v e i o p m e n to fc h in e s ee c o n o m ya n dt h ei n c r e a s e o fm o t o r c y c l e sq u a n t i t y m o s to fc a r b u r e t o rm o t o r c y c l ec a nn o t r e a c ht h en e we m is s jo i lc o n t r o lr e g u l a t i o n t h ep a p e rd e s i g n st h e n o t o r c y c l e se l e c t r o h i cf u e lin j e c t i o ns y s t e m 。t h em a t h e m a t ic a l m o d e lo ft h ee l e c t r o n icr u e li n j e c t i o ns y s t e mb a s i cf u e li n j e c t i o n d u ls e w i d t hm a pa n di g n i t i o r la d v a n c ea n g l em a pi ss e tu p ，a tt h e s a m et i m e ，t h es i m u l a t i n gr e s u l ti sc o m p a r e dw i t ht h ea c t u a lm a p b e s id e s ，f u z z yc o n t r o lt e c h n o l o g yi su s e di nm o t o r c y c l e si d l e s p e e dc o n t r 0 1ino r d e rt oc o n t r 0 1t h ei d l ei n s t a b i l i t y a n dd e c r e a s e t h ee x h a u s te m i s s i 0 1 ：f i h a l l y ，e n g i n eb a de x p e r i m e n t sa n d m o t o r c y c i ei n t e g e re x p e r i m e n t sa r ed o n e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e n e wm o t o r c y c l eisa g r e e dw i t hc a r b u r e t o rm o t o r c y c l ei nd y n a m i c c h a r a c t e r is t i ca n df u e le c o n o m i cc h a r a c t e r is t i c ，b u te x h a u s t e m is s i o ni sd e c r e a s eg r e a t l y i nc o n c l u s i o n t h es e tu po fi n i t i a lm a pm o d e lc a ns h e r t e nt h e c y c l eo ft h e e l e c t r o n i cf u e l i n j e c t i o ns y s t e md e s i g n t h e i n s t a b i l i t y0 ft h ee n g i n ei d l e - s p e e dis c o n t r 0 1 1 e db yu s i n gf u z z y c o n t r o lt e c h n o l o g y t h en e wm o t o r c y c l ec a na c h i e v et h es t r i c t e m i s s i o nl a wa n disw o r t h yo fb e i n gs p r e a d k e yw o r d s ：m o t o r c y c l e e l e c t r o n i cf u e li n j e c t i o ns y s t e m m a t h e m a t i c a lm o d e li d l es p e e df u z z yc o n t r 0 1 i i 第一章绪论 1 1 国内摩托车的发展现状 在1 9 9 3 年，我国取代日本成为世界上最大的摩托车生产国，1 9 9 7 年我国摩托车为1 0 0 3 万辆，首次突破千万辆大关，从1 9 8 0 年至2 0 0 0 年 的2 0 年间，我国共生产各种型号的摩托车7 8 0 0 万辆。在2 0 0 1 年我国摩 托车行业共生产整车1 2 3 6 7 万辆，销售整车1 2 1 3 万辆。到2 0 0 2 年，我 国摩托车的总保有量达到6 8 5 4 万辆，其中国产摩托5 0 m 1 、9 0 m l 、1 0 0 m l 、 1 2 5 m l 这四种名义排量的摩托车发展最快，是我国摩托车的主导产品。 随着我国经济的不断增长，我国的摩托车保有量急剧增加，尾气污 染日益严重，摩托车的排放控制引起了整个社会的广泛关注。为了保护 人类赖以生存的环境，降低摩托车排放已是迫在眉睫。摩托车行业的“十 五”规划制定出到十五末期摩托车污染物排放限值达到欧洲同期水平的 目标，为了实现这一目标，国内外许多摩托车的生产企业和科研机构投 入了大量的人力和物力进行了相关方面的研究，并取得了一系列的成果。 目前，我国摩托车大都是化油器型，发动机混合气比较浓，因此摩托车 排放的尾气成分以c 0 、h c 为主，n o 。的排放很少，所以排放控制主要以 净化c 0 、h c 为目标。按照国家技术监督局已经颁布的最新的摩托车排放 标准g b l 4 6 2 2 2 0 0 2 和g b l 8 1 7 6 2 0 0 2 所规定的限值。我国化油器摩托车 产品在不采取专门的净化措施的情况下，二冲程产品几乎达不到标准， 每年将有4 0 0 万辆摩托车排放不达标，形势非常严峻，因此研究摩托车 排放控制技术非常重要。 1 2 国内外摩托车燃油喷射系统现状 近年来，随着摩托车保有量的急剧增加，环保问题引起了整个社会的 广泛关注。为此，国内外的许多科研机构和摩托车生产企业投入大量的 人力、物力进行有关方面的研究“1 。 燃油喷射系统是降低污染和控制油耗的一项关键技术。它能根据发 动机工况的变化提供精确空燃比的混合气，同时改变点火提前角，以达 到改善发动机燃烧过程的目的。 奥地利a v l 公司于上个世纪9 0 年代初，在铃木a x l 0 0 摩托车上研发 成功了一套二冲程摩托车用半直接电控喷射系统( 简称s d l 系统) ，所谓 第一章绪论 1 1 国内摩托车的发展现状 在1 9 9 3 年，我国取代日本成为世界上最大的摩托车生产国，1 9 9 7 年我国摩托车为1 0 0 3 万辆，首次突破千万辆大关，从1 9 8 0 年至2 0 0 0 年 的2 0 年间，我国共生产各种型号的摩托车7 8 0 0 万辆。在2 0 0 1 年我国摩 托车行业共生产整车1 2 3 6 7 万辆，销售整车1 2 1 3 万辆。到2 0 0 2 年，我 国摩托车的总保有量达到6 8 5 4 万辆，其中国产摩托5 0 m 1 、9 0 m l 、1 0 0 m l 、 1 2 5 m l 这四种名义排量的摩托车发展最快，是我国摩托车的主导产品。 随着我国经济的不断增长，我国的摩托车保有量急剧增加，尾气污 染日益严重，摩托车的排放控制引起了整个社会的广泛关注。为了保护 人类赖以生存的环境，降低摩托车排放已是迫在眉睫。摩托车行业的“十 五”规划制定出到十五末期摩托车污染物排放限值达到欧洲同期水平的 目标，为了实现这一目标，国内外许多摩托车的生产企业和科研机构投 入了大量的人力和物力进行了相关方面的研究，并取得了一系列的成果。 目前，我国摩托车大都是化油器型，发动机混合气比较浓，因此摩托车 排放的尾气成分以c 0 、h c 为主，n o 。的排放很少，所以排放控制主要以 净化c 0 、h c 为目标。按照国家技术监督局已经颁布的最新的摩托车排放 标准g b l 4 6 2 2 2 0 0 2 和g b l 8 1 7 6 2 0 0 2 所规定的限值。我国化油器摩托车 产品在不采取专门的净化措施的情况下，二冲程产品几乎达不到标准， 每年将有4 0 0 万辆摩托车排放不达标，形势非常严峻，因此研究摩托车 排放控制技术非常重要。 1 2 国内外摩托车燃油喷射系统现状 近年来，随着摩托车保有量的急剧增加，环保问题引起了整个社会的 广泛关注。为此，国内外的许多科研机构和摩托车生产企业投入大量的 人力、物力进行有关方面的研究“1 。 燃油喷射系统是降低污染和控制油耗的一项关键技术。它能根据发 动机工况的变化提供精确空燃比的混合气，同时改变点火提前角，以达 到改善发动机燃烧过程的目的。 奥地利a v l 公司于上个世纪9 0 年代初，在铃木a x l 0 0 摩托车上研发 成功了一套二冲程摩托车用半直接电控喷射系统( 简称s d l 系统) ，所谓 的半直接喷射系统( s d i ) ，它是在二冲程汽油机接近扫气行程终了时， 电控喷嘴在扫气口处进行燃油喷射。半直喷系统的应用可以减少= 冲程 汽油机在扫气行程中可燃混合气的“短路损失”从而能达到降低油耗和 控制排放的目的。由于电控喷嘴安装于扫气口附近，所以该系统采用低 压喷射，对供油系统的要求相对较低：同时，扫气气流还对喷嘴具有一 定的冷却作用。但是由于该系统仍然是在扫气行程中进行燃油喷射，所 以，还是有部分可燃混合气经排气口逃逸，造成燃油的浪费从而使耗油 增加，而且产生较高的排放水平。 1 2 1 澳大利亚o r b i t a l 公司的s e f i 系统 澳大利亚o r b i t a l 公司的直接喷射系统为二冲程汽油机缸内直接喷 射系统( 简称s e f i 系统) ，其最大的特点就是夹气喷射和缸内分层燃烧。 主要目的是利用新鲜空气扫气，在进气口接近关闭或已经关闭后再向汽 油机缸内喷射燃油，可以有效的解决普通二冲程摩托车汽油机的燃油“短 路损失”问题，从而尽可能减少燃油直接排向大气，大幅度降低了二冲 程摩托车的排放与油耗指标。 采用s e f i 系统后，按照a c e4 0 工况法测试的二冲程摩托车的排放 水平有大幅度的降低。但是，由于s e f i 系统在增加电控单元( e c u ) 、喷 嘴、油泵以及相关传感器的同时，燃烧方式发生了相应的变化，需对气 缸盖、气缸体和活塞进行重新设计，以实现分层燃烧。相对化油器而言， 成本会大幅度提高。同时，由于混合气过稀以及润滑条件较差，容易出 现活塞烧顶、拉缸等现象。因此该系统在二冲程摩托车上的应用尚存在 一定的困难。 1 2 2 法国s a g e m 公司的四冲程摩托车用燃油系统 与二冲程汽油机的电喷系统相比，四冲程的汽油机电控汽油喷射系 统在汽车上使用的比较成熟。法国s a g e m 公司四冲程摩托车用燃油喷射 系统为进气管喷射( 或气口喷射) 以开环或闭环控制方式对喷油量及点 火提前角进行控制。但由于该系统全部采用进口部件，制造成本较高。 1 2 3 意大利p i a g g i o 公司的v e s p a e t 2 系统 该系统也是针对二冲程摩托车，于前面的燃油喷射系统的不同的是 该喷射系统为机械式，该系统与采用化油器的原型样机相比，h c 下降 2 7 0 ，c o 下降5 0 9 6 ，在保证标定功率基本一致的前提下，可使油耗下降 3 0 。但是，该喷射系统需要在气缸盖上增加一套复杂的机械机构以及相 关的运动部件，从而使得原本简单的二冲程汽油机比四冲程机还要复杂， 成本大大增加：同时。还要求使用环境的空气比较干净，灰尘多会使e t 2 的喷射系统的可靠性大幅度的降低。 1 2 4 贵州红林机械厂的c a t 系统 贵州红林机械厂研制开发的二冲程摩托车电控燃油缸内直喷系统 ( 简称c a t 系统) 主要是由往复式高压单柱塞泵、高速记忆式电磁阀、 电控喷油器和节气门传感器等部件组成。 单柱塞泵由发动机曲轴带动，偏心凸轮驱动，向电控喷油器提供具 有期望压力的燃油，而电控喷油器由电磁阀、蓄压腔和喷嘴等部件组成， 其作用是向发动机燃烧室提供能够充分雾化的高压定量燃油：电控单元 ( e c u ) 根据发动机曲轴转角位置、速度、载荷指令及节气门位置等信号， 通过已经写入的喷油量m a p 和喷油正时m a p 图，确定合适的喷油量和喷 油定时，从而完成发动机的工况控制。同时，电控点火可以是发动机在 所有工况下都能得到最佳点火提前角，克服了传统的c d i 的步进角小的 缺点，保证发动机的正常运转。 该系统针对二冲程摩托车汽油机高速的特点，具有较高的响应速度， 系统的关键元件为高速记忆电磁阀，其响应速度已达到一个毫秒以下， 使整个发动机在最高转速也能对发动机燃油喷射进行精确控制；同时， 该系统采用怠速间隔喷油技术，发动机在怠速运转时，电喷系统在一定 的转速范围内和一定的节气门开度范围内采用规则的间隔的电控喷油方 式，大幅度的降低怠速时的油耗和排放。怠速排放中h c 排放比原机最多 降低6 2 ，c 0 排放最多降低5 9 ，油耗降低4 2 ，同时保证发动机的 怠速运转稳定不变。该系统的不足之处在于其油泵属于机械泵需要增加 驱动机构，对发动机也需有一定的改动，从而增加了系统的复杂性。 1 2 5 天津内燃机研究所的m c e f i 系统 天津内燃机研究所的m c e f i 系统，选用c 6 1 2 5 摩托车用1 5 7 f m 汽油 机作为试验样机，开发了电控汽油机开发平台。进行了适用于该机型的 电控汽油喷射系统m c e f i 的工作。 m c e f i 系统由电控单元( e c u ) 、电控喷油单元、节气门总成以及关 键传感器等组成，具有小型化、模块化和低成本等特点。在充分考虑摩 托车本身的技术特点后，利用原磁电机点火触发信号作为电喷系统喷油 脉宽和点火提前角的基准信号，这样可以尽可能的减少系统零部件，提 高按个集成系统的可靠性，同时也可以达到降低成本的目的。该电控喷 油单元采用新型的泵嘴( 电子燃油泵与喷油器) 集成方案，有效的降低 了系统的能耗，延长了蓄电池的使用寿命，同时提高了喷射系统的集成 度，降低了系统的有关成本。自主开发的电控单元e c u 及其控制程序， 有效的降低了系统开发的成本与制造成本，使摩托车大量的采用电喷系 统成为可能。 m c e f i 的应用使摩托车在中低负荷工况下的动力指标和经济指标得 到了很大的改善，结合怠速运转优化方案以及间隔喷射技术，使摩托车 的排放指标得到了有效的控制。 1 3 摩托车排放控制技术 目前在国内外摩托车排气污染控制技术措施分为机内净化、机外净 化和新能源及新材料技术。 机内净化技术是指通过改变发动机现有的燃烧状况，从本质上控制 和减少污染物的生成。主要技术措施有： ( i ) 改善发动机参数主要通过：减少燃烧室的面容比，可降低壁面激 冷层中包含的混合气量，以减少h c 的生成；为了组织良好的缸内气体流 动，使混合气充分燃烧，可以改变气门夹角和气门直径，以减少对气体的 阻力，提高化油器在怠速、中速和全负荷时过量空气系数的调整精度， 使其接近最佳值，可改善c o 和h c 的排放，提高点火提前角的控制精度， 使其接近各工况的最佳值； ( 2 ) 优化点火系统传统的真空和离心装置只能随负荷和转速的变化 对点火提前角进行近似控制，没有考虑到影响点火提前角的其他因素， 如缸体温度、空燃比、燃料辛烷值等。采用的c d i 无触点点火器的点火 系统可使摩托车的点火提前角根据发动机的工况不同进行自动调节，能 有效的改善燃烧，降低排放。采用微机控制的点火系统，它将发动机转 速、负荷等参数输入到微处理器中，经数字处理后。使点火提前角随工 况变化自动调整到最佳状态。因而，燃烧更加充分，能大幅度降低燃油 消耗和污染物排放量。 键传感器等组成，具有小型化、模块化和低成本等特点。在充分考虑摩 托车本身的技术特点后，利用原磁电机点火触发信号作为电喷系统喷油 脉宽和点火提前角的基准信号，这样可以尽可能的减少系统零部件，提 高按个集成系统的可靠性，同时也可以达到降低成本的目的。该电控喷 油单元采用新型的泵嘴( 电子燃油泵与喷油器) 集成方案，有效的降低 了系统的能耗，延长了蓄电池的使用寿命，同时提高了喷射系统的集成 度，降低了系统的有关成本。自主开发的电控单元e c u 及其控制程序， 有效的降低了系统开发的成本与制造成本，使摩托车大量的采用电喷系 统成为可能。 m c e f i 的应用使摩托车在中低负荷工况下的动力指标和经济指标得 到了很大的改善，结合怠速运转优化方案以及间隔喷射技术，使摩托车 的排放指标得到了有效的控制。 1 3 摩托车排放控制技术 目前在国内外摩托车排气污染控制技术措施分为机内净化、机外净 化和新能源及新材料技术。 机内净化技术是指通过改变发动机现有的燃烧状况，从本质上控制 和减少污染物的生成。主要技术措施有： ( i ) 改善发动机参数主要通过：减少燃烧室的面容比，可降低壁面激 冷层中包含的混合气量，以减少h c 的生成；为了组织良好的缸内气体流 动，使混合气充分燃烧，可以改变气门夹角和气门直径，以减少对气体的 阻力，提高化油器在怠速、中速和全负荷时过量空气系数的调整精度， 使其接近最佳值，可改善c o 和h c 的排放，提高点火提前角的控制精度， 使其接近各工况的最佳值； ( 2 ) 优化点火系统传统的真空和离心装置只能随负荷和转速的变化 对点火提前角进行近似控制，没有考虑到影响点火提前角的其他因素， 如缸体温度、空燃比、燃料辛烷值等。采用的c d i 无触点点火器的点火 系统可使摩托车的点火提前角根据发动机的工况不同进行自动调节，能 有效的改善燃烧，降低排放。采用微机控制的点火系统，它将发动机转 速、负荷等参数输入到微处理器中，经数字处理后。使点火提前角随工 况变化自动调整到最佳状态。因而，燃烧更加充分，能大幅度降低燃油 消耗和污染物排放量。 ( 3 ) 燃油喷射系统燃油喷射系统是降低污染和控制油耗的一项关键 技术。它能根据发动机工况的变化提供精确空燃比的混合气，同时改变 点火提前角，达到改善发动机燃烧过程的目的。 ( 4 ) 废气再循环( e g r )e g r 是将一部分废气引入进气系统，和混合 气一起再进入气缸燃烧。从而能有效降低废气中的n o 。 ( 5 ) 活性物质燃烧( a r ) 技术a r ( a c t iv a t e dr a d i c a lc o m b u s t i o n ) 燃烧就是活化基燃烧，它是利用自点燃特性点燃气缸内所有燃油的一种 燃烧方法。通常的点火方式，火焰是从火花塞电极点火，然后呈球形向 四周扩散。而a r 燃烧发动机，其气缸内燃烧残留气体同新鲜气体充分混 合和压缩后，在燃烧室壁上形成无数个点同时自燃，这样就大大提高了 燃烧效率，解决了二冲程发动机燃烧不充分和低负荷区缺火的问题。从 而能有效的降低排放。 ( 6 ) 可变气门控制技术可变气门技术是指在发动机整个工作范围 内，提供合适的气门开启、关闭时刻和升程，从而改善发动机进、排气性 能，提高各种转速和负荷下的动力性和经济性，降低排放。国内目前尚无 进行这方面的研究。 发动机机外净化技术是指在不显著改变发动机燃烧状况的前提下， 在排气管或消声器内采取排放控制措旌，以此达到机外净化的目的主要 技术措施包括凹h ： ( 1 ) 催化转化技术催化转化技术是利用在排气管内加装催化转化 器，将废气中的有害气体转化为无害成分，从而降低排放 ( 2 ) 二次空气供给技术二次空气供给系统是将新鲜的空气直接输 入到高温的排气中，促使废气中的c 0 和h c 在排气系统内氧化为h2 0 和 c o ：，目前在国内热反应器与二次空气喷射装置一起使用，通过提供高温 和富氧条件，使废气中的c o 和h c 再氧化或燃烧，从而改善排放。 ( 3 ) 日本本田公司在其最新的环保概念车上装备有三元催化转化器 加闭环控制加二次空气供给技术，其排放可以达到欧i 标准。这是目前 最有效、最洁净的排气净化方式。 国内许多摩托车集团和有关院校和研究单位对摩托车电喷系统及怠 速控制方法进行了理论和实验研究，但一直没有开发出实用性很好的产 品。 1 4 本论文的目的及课题来源 本论文的目的就是针对四冲程摩托车发动机的节能和环保的要求， 在参考国外摩托车电喷系统及先进控制理论的基础上，对原有化油器摩 托车进行电喷改造及并对其进行怠速控制，能适应国内外日益严格的排 放标准，因而具有十分重大的社会及经济利益。课题来源是湖南省环境 保护科技基金资助项目( h b 2 0 0 2 0 1 ) 。 1 5 本文的主要研究内容 1 5 1 摩托车电喷系统设计 根据汽车发动机上成熟的燃油喷射技术以及摩托车发动机的具体结 构，对摩托车的电控燃油喷射系统进行总体设计，对供油系统、进气系 统、电控单元系统进行分析研究。设计出适合摩托车实际的电控燃油喷 射系统。 1 5 2 初始喷油m a p 、点火m a p 的建模仿真及其与实际m a p 图 比较分析 根据四冲程摩托车发动机的实际换气过程及热力学第一定律得出 进气管绝对压力和节气门开度、发动机转速之间的关系，进而推出初始 喷油量与节气门开度和发动机转速之间的关系，从而得出初始喷油m a p 图。根据发动机准维燃烧模型中的湍流火焰传播模型通过分析推出发动 机点火提前角与节气门开度和发动机转速之间的关系，得到初始点火 m a p 图。用初始m a p 图与实际m a p 图进行对比，以验证两者的一致性， 将摩托车发动机的一些具体参数代入此模型中能得出该机的初始喷油和 点火m a p 图，可大大缩短得到该机实际m a p 图的时间。 1 5 3 摩托车电喷系统中怠速过程的模糊控制 主要根据摩托车怠速过程的转速的不稳定性，以稳定转速为控制目 标，将汽车上已经广泛使用的旁通空气调节装置运用于摩托车上，并采 用模糊控制理论对摩托车怠速时的步进电机的步数的调节来控制怠速时 的进气量，在使怠速转速趋于稳定同时也一定程度的降低了排放。 1 4 本论文的目的及课题来源 本论文的目的就是针对四冲程摩托车发动机的节能和环保的要求， 在参考国外摩托车电喷系统及先进控制理论的基础上，对原有化油器摩 托车进行电喷改造及并对其进行怠速控制，能适应国内外日益严格的排 放标准，因而具有十分重大的社会及经济利益。课题来源是湖南省环境 保护科技基金资助项目( h b 2 0 0 2 0 1 ) 。 1 5 本文的主要研究内容 1 5 1 摩托车电喷系统设计 根据汽车发动机上成熟的燃油喷射技术以及摩托车发动机的具体结 构，对摩托车的电控燃油喷射系统进行总体设计，对供油系统、进气系 统、电控单元系统进行分析研究。设计出适合摩托车实际的电控燃油喷 射系统。 1 5 2 初始喷油m a p 、点火m a p 的建模仿真及其与实际m a p 图 比较分析 根据四冲程摩托车发动机的实际换气过程及热力学第一定律得出 进气管绝对压力和节气门开度、发动机转速之间的关系，进而推出初始 喷油量与节气门开度和发动机转速之间的关系，从而得出初始喷油m a p 图。根据发动机准维燃烧模型中的湍流火焰传播模型通过分析推出发动 机点火提前角与节气门开度和发动机转速之间的关系，得到初始点火 m a p 图。用初始m a p 图与实际m a p 图进行对比，以验证两者的一致性， 将摩托车发动机的一些具体参数代入此模型中能得出该机的初始喷油和 点火m a p 图，可大大缩短得到该机实际m a p 图的时间。 1 5 3 摩托车电喷系统中怠速过程的模糊控制 主要根据摩托车怠速过程的转速的不稳定性，以稳定转速为控制目 标，将汽车上已经广泛使用的旁通空气调节装置运用于摩托车上，并采 用模糊控制理论对摩托车怠速时的步进电机的步数的调节来控制怠速时 的进气量，在使怠速转速趋于稳定同时也一定程度的降低了排放。 1 5 4 新型电喷摩托车性能与原化油型对比分析 为了测试新型电喷摩托车的动力性、经济性和排放等性能指标，在 嘉陵工业股份公司的嘉陵检测站进行试验，通过在发动机试验台架上对 原机和新机进行动力性能、经济性能和排放测试，在摩托车整车实验台 架上对发动机装车后的整车的动力性进行测试，以及运用g b l 4 6 2 2 2 0 0 2 中的工况法排气污染物试验方法对排放进行分析对比，在新型电喷 车与原车的动力性和经济性有一定提高的基础上，使排放大大降低，基 本上接近了国家环保总局要求的摩托车排放的第二阶段排放限值。 第二章摩托车电喷系统设计 2 1 电控燃油喷射技术的分类 电控燃油喷射系统总体来说，有三种方案，即缸内高压喷射、夹气 喷射以及进气管喷射。 2 1 1 汽油机直接喷射( g d i ) 汽油直接喷射方式是直接往燃烧室里喷射汽油，是一种用缸内喷射 实现的稀薄燃烧，由于汽油在进气后期喷入气缸，使缸内充气得到冷却， 提高了体积效率，减少了炽热点火倾向和爆震倾向；有可能利用纯空气 扫气；减少了由于燃油进入排气道带来的损失；同时，直接喷射容易造 成充量分层，便于实现稀薄燃烧。 汽油机直接喷射要使用的新技术比较多，主要包括 ( 1 ) 电子油门g d i 发动机不允许在节气门和油门踏板之间建立直 接的机械联系。因此，现代g d i 必须采用电子油门( e g a s ) ，即导线驾 驶( d r i v e w i r e ) 。 ( 2 ) 喷油正时现代g d i 要求自由选择喷油正时。 ( 3 ) 喷油器由于超稀薄燃烧对燃油变化提出了更高的要求，所 以现代g d i 采用离压涡流喷射器喷油压力必须大幅度提高。 ( 4 ) 控制技术g d i 之所以能具有如此优越的性能，首先得益于电 子控制：闭环控制、扭矩控制、喷油正时控制、喷油压力控制。 ( 5 ) 空气运动要实现分层充气，必须有组织缸内空气运动的元件 和喷油器。g d i 必须对活塞凹坑进行设计。 汽油机直接喷射所涉及的技术较多，如果要应用于摩托车发动机， 对现今的电喷匹配，显然从资金、技术上讲，都是不合适的。 2 1 2 夹气喷射( a f s ) 与高压喷射方式不同，夹气喷射使空气通过喷油器与燃油同时喷出 使空气从周围将燃油罩住，在空气对燃油微粒的冲击下使燃油得到彻底 的雾化。夹气喷射借用辅助空气，使燃油雾化质量比纯油更高。调整辅 助空气压力与夹入空气时间，可以获得不同雾化形状，适应燃烧室形状 和火花塞位置。燃油直接喷入气缸，减少了扫气时燃油的短路损失，可 第二章摩托车电喷系统设计 2 1 电控燃油喷射技术的分类 电控燃油喷射系统总体来说，有三种方案，即缸内高压喷射、夹气 喷射以及进气管喷射。 2 1 1 汽油机直接喷射( g d i ) 汽油直接喷射方式是直接往燃烧室里喷射汽油，是一种用缸内喷射 实现的稀薄燃烧，由于汽油在进气后期喷入气缸，使缸内充气得到冷却， 提高了体积效率，减少了炽热点火倾向和爆震倾向；有可能利用纯空气 扫气；减少了由于燃油进入排气道带来的损失；同时，直接喷射容易造 成充量分层，便于实现稀薄燃烧。 汽油机直接喷射要使用的新技术比较多，主要包括 ( 1 ) 电子油门g d i 发动机不允许在节气门和油门踏板之间建立直 接的机械联系。因此，现代g d i 必须采用电子油门( e g a s ) ，即导线驾 驶( d r i v e w i r e ) 。 ( 2 ) 喷油正时现代g d i 要求自由选择喷油正时。 ( 3 ) 喷油器由于超稀薄燃烧对燃油变化提出了更高的要求，所 以现代g d i 采用离压涡流喷射器喷油压力必须大幅度提高。 ( 4 ) 控制技术g d i 之所以能具有如此优越的性能，首先得益于电 子控制：闭环控制、扭矩控制、喷油正时控制、喷油压力控制。 ( 5 ) 空气运动要实现分层充气，必须有组织缸内空气运动的元件 和喷油器。g d i 必须对活塞凹坑进行设计。 汽油机直接喷射所涉及的技术较多，如果要应用于摩托车发动机， 对现今的电喷匹配，显然从资金、技术上讲，都是不合适的。 2 1 2 夹气喷射( a f s ) 与高压喷射方式不同，夹气喷射使空气通过喷油器与燃油同时喷出 使空气从周围将燃油罩住，在空气对燃油微粒的冲击下使燃油得到彻底 的雾化。夹气喷射借用辅助空气，使燃油雾化质量比纯油更高。调整辅 助空气压力与夹入空气时间，可以获得不同雾化形状，适应燃烧室形状 和火花塞位置。燃油直接喷入气缸，减少了扫气时燃油的短路损失，可 降低油耗，怠速时效果特别明显。但是夹气喷射不能充分利用由进气歧 管真空度吸入的雾化的空气，因为发动机低负荷时喷油时间太短，低转 速时喷油间隔太长。夹气喷射的喷油器上不仅有喷油嘴，也要有喷气e l ， 必须在系统中添加供气单元。 目前夹气喷射的研究主要用在二冲程发动机上，澳大利亚的奥必托 公司在相关研究方面处于国际领先水平。央气喷射与其他喷射方式相比。 有着显著的优点。 2 1 3 进气管喷射 进气管喷射是现在主要采用的汽油喷射形式，它由于将燃油喷射在 进气门前或者节气门前，并不需要高压供油，是一种低压喷射系统。进 气管喷射按喷油地点可分为进气门前喷射( 多点喷射) 和节气门前喷射 ( 单点喷射) ，节气门前喷射流入进气管的是空气与燃油的混合气，进气 管内有油膜，这一点与化油器式相同。化油器的各种弊端，如过渡工况 响应迟钝、油耗增加、排放恶化等在节气门前喷射中同样存在，但它免 除了化油器的许多其他不足，它能根据进气量实时调节喷油量，达到最 佳空燃比。进气门前喷射由于直接把燃油喷在节气门上，减少了进气管 上的油膜，可以改善过渡工况响应、降低油耗。 进气管喷射相对于前面两种喷射方式，由于采用的最广，所以技术 比较成熟，各种硬件的来源比较丰富，开发风险比较小。同时，进气管 喷射对不需要对发动机本体结构进行过多的改动，在生产型发动机的电 控喷射改造时最方便。 2 2 摩托车电控汽油喷射系统总体设计 电控汽油喷射系统( e l e c t r o n i cf u e li n j e c t i o ns y s t e m ) 简称为e f i 。它 利用各种传感器检测发动机的各种状态，经微机的判断、计算，使发动 机在不同的工况下均能获得合适空燃比的混合气“。 要使发动机动力性、经济性、排放性能指标达到最佳，必须控制好 空燃比，而空燃比是随发动机工况的变化而变化的，这种变化也是很复 杂的。目前国内绝大部分摩托车采用化油器来控制空燃比，由于其自身 结构上的局限性，它只能使发动机在某个工作范围内达到理想的状态， 而很难使发动机在冷车起动、暖机、怠速、小负荷、中负荷和大负荷等 降低油耗，怠速时效果特别明显。但是夹气喷射不能充分利用由进气歧 管真空度吸入的雾化的空气，因为发动机低负荷时喷油时间太短，低转 速时喷油间隔太长。夹气喷射的喷油器上不仅有喷油嘴，也要有喷气e l ， 必须在系统中添加供气单元。 目前夹气喷射的研究主要用在二冲程发动机上，澳大利亚的奥必托 公司在相关研究方面处于国际领先水平。央气喷射与其他喷射方式相比。 有着显著的优点。 2 1 3 进气管喷射 进气管喷射是现在主要采用的汽油喷射形式，它由于将燃油喷射在 进气门前或者节气门前，并不需要高压供油，是一种低压喷射系统。进 气管喷射按喷油地点可分为进气门前喷射( 多点喷射) 和节气门前喷射 ( 单点喷射) ，节气门前喷射流入进气管的是空气与燃油的混合气，进气 管内有油膜，这一点与化油器式相同。化油器的各种弊端，如过渡工况 响应迟钝、油耗增加、排放恶化等在节气门前喷射中同样存在，但它免 除了化油器的许多其他不足，它能根据进气量实时调节喷油量，达到最 佳空燃比。进气门前喷射由于直接把燃油喷在节气门上，减少了进气管 上的油膜，可以改善过渡工况响应、降低油耗。 进气管喷射相对于前面两种喷射方式，由于采用的最广，所以技术 比较成熟，各种硬件的来源比较丰富，开发风险比较小。同时，进气管 喷射对不需要对发动机本体结构进行过多的改动，在生产型发动机的电 控喷射改造时最方便。 2 2 摩托车电控汽油喷射系统总体设计 电控汽油喷射系统( e l e c t r o n i cf u e li n j e c t i o ns y s t e m ) 简称为e f i 。它 利用各种传感器检测发动机的各种状态，经微机的判断、计算，使发动 机在不同的工况下均能获得合适空燃比的混合气“。 要使发动机动力性、经济性、排放性能指标达到最佳，必须控制好 空燃比，而空燃比是随发动机工况的变化而变化的，这种变化也是很复 杂的。目前国内绝大部分摩托车采用化油器来控制空燃比，由于其自身 结构上的局限性，它只能使发动机在某个工作范围内达到理想的状态， 而很难使发动机在冷车起动、暖机、怠速、小负荷、中负荷和大负荷等 所有工况下都达到理想状态现代化油器进行了各种改进，采用了电子 控制，虽然起了一定作用，但其效果仍不很理想，而且结构越来越复杂价 格也大幅度上升。而电控汽油喷射系统，尤其是采用氧传感器的闭环电 控汽油喷射系统则能很好的改善这个问题，它可以使发动机在任何一个 工况下都能达到最佳的工作状态，从而达到节油、降低排污和提高动力 性的目的。但化油器摩托车进行电喷改造时考虑到成本的问题，一般不 采用氧传感器。 电控汽油喷射系统之所以具有良好的性能，首先是因为它使用了微 型计算机对发动机进行管理，所以电控单元( e c u ) 是整个系统的核心。 微型计算机主要是由中央处理器( c v u ) 、存储器、输入和输出接1 2 1 电路 等组成。要想获得理想的空燃比，必须精确控制喷油量。在电控汽油喷 射系统中，e c u 根据发动机吸入的空气量和发动机转速计算出基本喷射 时间，再由各传感器电路传来的信息进行修正，最后得出理想喷油时间， 从而决定喷油量。e c u 接收的信号中有两种不同的信号，一种是模拟信 号，即输出信号随时间变化而连续变化，如空气流量传感器的输出信号、 温度传感器等；另一种是数字信号，即输出信号是离散的脉冲信号，如 曲轴转角位置传感器和转速传感器的输出信号等。 本电控系统选择重庆嘉陵集团的j h l 2 5 1 9 型摩托车发动机为对象， 进行了电控燃油喷射系统的研究设计，该摩托车的主要参数如下表2 一i 所示。 表2 1j h l 2 5 1 9 型发动机的参数 缸数冲程数工作容积缸径行程冷却方式 141 2 5 m l5 6 4 9 5 m m强制风冷 本电控汽油喷射系统主要包括燃油供给系统、进气系统、电控单元 系统等。此电控系统的总体布雹简图如图2 1 所示： 0 图2 1 摩托车四冲程汽油机电控燃油喷射系统 1 一燃油箱；2 一电动燃油泵：3 一燃油滤清器；4 一燃油压力调节器；5 一点火执行 器；6 一缸体温度传感器：7 一转速曲轴位置传感器：8 一节气门位置传感器：9 一喷油嘴； 10 一进气温度传感器；1 1 一电控单元( e c u ) ：1 2 一继电器：13 一蓄 电池；1 4 一点火开关；1 5 一启动开关； 2 3 供油系统 电控燃油喷射系统的供油系统主要包括油箱、电动燃油泵、燃油滤 清器、燃油调节器、燃油管和喷油器等。现分述如下。 2 3 1 电动燃油泵 电动燃油泵是燃油系统的主要部件之一，功能是在规定的压力下供 给足够的燃油，电动燃油泵按安装位置分为箱内安装式和箱外安装式， 在这里选用箱内安装式燃油泵。如图2 2 所示电动燃油泵主要由泵体、 永磁电动机和外壳三部分组成。永磁电动机通电即带动泵体旋转，将燃 图2 1 摩托车四冲程汽油机电控燃油喷射系统 1 一燃油箱；2 一电动燃油泵：3 一燃油滤清器；4 一燃油压力调节器；5 一点火执行 器；6 一缸体温度传感器：7 一转速曲轴位置传感器：8 一节气门位置传感器：9 一喷油嘴； 10 一进气温度传感器；1 1 一电控单元( e c u ) ：1 2 一继电器：13 一蓄 电池；1 4 一点火开关；1 5 一启动开关； 2 3 供油系统 电控燃油喷射系统的供油系统主要包括油箱、电动燃油泵、燃油滤 清器、燃油调节器、燃油管和喷油器等。现分述如下。 2 3 1 电动燃油泵 电动燃油泵是燃油系统的主要部件之一，功能是在规定的压力下供 给足够的燃油，电动燃油泵按安装位置分为箱内安装式和箱外安装式， 在这里选用箱内安装式燃油泵。如图2 2 所示电动燃油泵主要由泵体、 永磁电动机和外壳三部分组成。永磁电动机通电即带动泵体旋转，将燃 油从进油口吸入，经燃油泵内部，再从出油口压出，为燃油系统供给压 力油。燃油流经燃油泵内部时，对永磁电机的电枢起冷却作用，燃油泵 供给的燃油量要比发动机要求的最大喷油量大，以便在各种行驶工况下 保持固定的输油压力，多余的燃油会通过燃油压力调节器自动返回油箱。 图2 - 2 电动燃油泵的结构 2 3 2 燃油滤清器 燃油滤清器的功用是过滤燃油中的污染物质。因为带杂质的燃油会 损害或者影响汽油喷射装鬟的正常工作。如图2 3 所示滤清器中有一个 纸滤芯，用支撑板固定在壳体上。纸层气孑l 孔隙的平均直径为1 0 - o n 。 图2 - 3 燃油滤清器 2 3 3 压力调节器 在燃油供给系统中，另一个必不可少的部件是燃油压力调节器。本 系统中使用的燃油调节器如图2 - 4 所示。燃油调节器的主要作用是保证 喷油器以恒定的压力喷出燃油。对于特定的喷油器，空隙的截面积、燃 油流过空隙时的流量系数、燃油的密度及为空隙两端的压力差都保持一 定，喷油器喷出的燃油量唯一地由喷油器的开启时间决定( 假设系统工 作在额定电压条件下) 。图中进气管接头1 与进气道相连，使调节器中空 气腔的压力等于进气道的压力，当燃油的压力大于预定压力时，膜片6 开启，燃油经过出口流回油箱，从而保持燃油压力的稳定。该燃油调节 器的预定燃油压力为2 0 0 k p a 。 图2 - 4 燃油压力调节器 1 接真空管2 弹簧3 阀门4 进油孔5 出油孔6 膜片 2 3 4 喷油器 喷油器是供油系统中非常关键的零件，它对发动机的性能有着很重 要的影响。喷油器按控制方式分压力控制式喷油器和电磁控制式喷油器 两种。压力控制式的原理是靠燃油的压力来开启和关闭针阀。电磁控制 式是根据电磁线圈和回位弹簧来开启和关闭的。在汽油机中应用的主要 是后者。在本系统中使用的喷油器是电磁控制式喷油器。 2 3 4 1 喷油器的构造及原理 本电喷系统选用的喷油器的结构如图2 5 所示。燃油进入喷油器后 经燃油滤网l 过滤，当电接头2 不通电时由于回位弹簧3 的压力，阀 体5 紧压在阀座上，燃油不能喷出：当e c u 输出脉冲，线圈通电，衔铁 4 被吸动，带动轴针6 上升，燃油在压力差的作用下便从轴针和阎座的 间隙喷出。 2 - 5 轴针式电磁喷油器 1 滤网2 电接头3 电磁线圈4 衔铁5 针阀6 轴针 电控喷油器的单位流量为： m ，= s 。口。2 p 。- 卸。( 2 - 1 ) 式中：m ，为燃油的质量流量；s ，为空隙的截面积；为燃油流过 空隙时的流量系数；成为燃油的密度：以为空隙两端的压力差，该压 力差由燃油压力调节器保持恒定。对于特定型号的喷油器单位时间的流 量为常数m ，因此每次的供油量为： m 。= r m r ( 2 2 ) e c u 只要控制每循环的脉冲宽度r 就可以控制燃油供给量。 2 34 2 喷油器的特性 式( 2 一1 ) 的流量特性只是假设电磁阀始终处于最大升程，没有考虑 到电磁阀从通电到针阀升程最大这一时间段内间隙截面积s 。以及燃油 流过空隙时的流量系数口。的变化，因此式( 2 一1 ) 称为喷油器的静态流量 特性。相对于静态流量特性，喷油器通电脉冲宽度与喷油量的关系就称 为喷油器的动态流量特性。一般情况下，喷油器的流量特性指的是其动 态流量特性。 根据马克士威尔公式和磁路欧姆定律可以得出： 肛2 矾。2 殆d + 鲁h lj m 卜卜 ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 式中：f 为电磁吸引力；鳓为真空磁导率；f 为电磁线圈内的电流 为线圈的匝数；f = ，y 为线圈两端的电压；r 为线圈的电阻。 图2 - 6 是脉冲电压波形和针阀升程的关系图。 一个脉 针阀升 图2 - 6 喷油器通电时间与针阀升程关系 从式( 2 - 3 ) 、式( 2 - 4 ) 可以看出，脉冲开始后，电磁线圈的磁场逐步 建立，对衔铁的吸引力逐步增大。当电磁吸引力超过衔铁与针阀重力、 弹簧作用力、燃油压力以及摩擦力的合力时，针阀开始升起并开始加速。 图中i 为电磁阀通电到针阀离座时的时间，称为开阀延迟：，：为针阀离座 至针阀运动到极限位置的时间称为开启反应时间，这段时间后，针阀 处于平衡位置。同样，在喷油脉冲结束后，磁场逐步减弱，吸引力逐步 减少，当电磁吸引力小于衔铁与针阀重力、弹簧作用力、燃油压力以及 摩擦力的合力时，针阀才开始复位并加速。 为电磁阀脉冲下降时刻至 针阀落座所用的时间，称为关闭反应时间。 因此喷油器的喷油量并不是完全与通电时间长度( 脉冲宽度) 成正 比的。电控喷油器应满足以下性能要求： ( 1 ) 喷油器流量m ，在发动机高转速时，在工作循环内能满足喷油量 最大值的要求：在怠速时，喷油量最小值应落在动态流量的线性部分。 由于喷油器流量特性曲线在喷油器开启和关闭阶段为非线性，所以喷油 量不能任意的小，否则，即使在相同的软件控制下，喷油量的误差也会 很大。另一方面，喷油时间又不能太长，因为发动机受到转速和进气过 程曲轴转角的限制。 ( 2 ) 具有较快的开启速度；对喷油器开启速度影响的一个重要因素是 喷油器针阀的重量。针阀的重量越轻，其开启和关闭的惯性越小，图2 6 中的f ，、，、f ，都会减少。 ( 3 ) 具有良好的雾化功能和合适的喷雾形状，以保证怠速稳定性，冷 启动性能和满足低排放的要求，具有抗污物堵塞的功能，耐久性好。 (