（动力机械及工程专业论文）fai缸内直喷二冲程摩托车发动机的研究.pdf

接簧一1 勇躺皇皇鼍篁黑i i i i i i i i 鼍曼曼皇孽舞麓曼囊蔓皇菖曼麓曼! ! 蔓 摘要 由于传统的曲轴箱扫气化油器供油式二冲程发劫桃在换气方蕊襻在的固有的 问题，必然存在燃涵短路损失粒在惑速彝部分负稳l 二况兹不完全燃烧瑷蒙，使其 h 0 搭效秽滚嚣缀赢。可楚二渖疆发动秘誊威本诋、舞臻率离静伉点。魏荣通过 分离供灏帮籀气过程，蕊霹以溺除混台气季曩气损失，觚磊醛低渣耗和簿羧。西藏 采用缸内盥接喷射的方法能够大幅度降低二冲稷发劫机的h c 排放和油耗率。本 文应餍了胃 三 实蕊脉冲高缮嚷鸯雩魏f a i 喷辩系统，班爱相应静电控鼙元矮件稻软 件，实现了缸内直喷二冲糕汽油机方案，绪果使二冲程汽油机的摊放和浊糕均大 龋度下簿。 本文黔工作主簧分为三个除段。第一阶段，选用了排气燮为1 0 0 c c 的a * 1 0 0 篓灌援辜燕蘩租为萋磴发动榄，对葵重耨逡行了浚诗瓯遘窿瞧子控涮毅内蠢缓喷 射的需鼹。篇二阶段，为基础发动机匹配一套合适的燃油喷射系统，并选择了合 适静控麓策海。蒡三除段，逡抒了袋动疑鸯絮试验，谗录蠢耱稳态互凝下蚤耱控 裁参数下静发动援瓣动力我、缀济拣秘接簸滢瑟，露瓣数疆遴行努掇熬遴，按缝 憝爨拣选取参数，褥委该囊竣发动辊魏点火提蘑囊、绩灌量窝囔漕枢谴翁m a p 图。 实验缮豢凌费，在整内蠹潢蕊二滓程汽潼撬串，警囔演溪、蠢灭榛穰器犊漓 提前角等控制参数控制合邋时，该发动机的油耗和摊放可接避于四冲稷麟托率发 裁魏。在5 0 器1 0 0 囊蔚下，魄较了电控发蕊撬帮爨捉翁速度转秣；袭骠在孛 低转速辩渤力瞧有撮小的降低， 吾鬻转速辩寤予节滚损失小霸力性舔露掰撬蔫： 在掰毒转速下魄漕耗下簿2 0 一3 0 ，纛搂敖夔袭饕更多。 关键诱：二狰程虑燃捱 邀予燃浊喷射系壤 电喷开发系统电控m a p 絷要+ 一 i i i 一 i i i i i i ! ! ! 女! ! 曼 a b s tr a c t c o n v e n t i o n a lc r a n k c a s es c a v e n g i n gt w o s t r o k ee n g i n e sh a v ei n h e r e n td r a w b a c k s i n e x c h a n g i n g ，w h i c h l e a dt om e s h o r t - c i r c u i t i n go ff u e l * a i rm i x t u r ea n di n c o m p l e t e c o m b u s t i o n 鲑p a r ti o a d ；t h i sc a u s e sr i c hu n b u r n e dh y d r o c a r b o n ( h c le m i s s i o n si n e x h a u s ta n dp o o rf i l e lc o n s u m p t i o nh o w e v e r , t w o s t r o k ee n g i n e sh a v et h em e r i t so f l o w - c o s ta n dh i g hp o w e rd e n s i t y ，s e p a r a t i n gt h es c a v e n g ep r o c e s sf r o mt h ef u e l s u p p l ys y s t e m c a nm i n i m i z eo re l i m i n a t e s h o r t ”c i r c u i t i n g w h i c hr e d u c e st i r o l c o n s u m p t i o na n de m i s s i o n s s o t w o s t r o k ee n g i n e s f u e l e c o n o m ya n d e x h a u s t e m i s s i o n sa r ei m p r o v e db yu s i n g i n c y l i n d e rf u e l 酶e c t i o n ，t nt h i sp a p e r , ad i r e c tf i m t i n j e c t i o ns y s t e m 、_ ：v a sd e v e l o p e dw i t ht h ee l e c t r i cf u e lp u m p ：f a ti n j e c t o ra n dt h e n e c e s s a r ye c u h a r d w a r ea n ds o f t w a r e t nt h i se x p e r i m e n tas y s t e mf o rt w o s t r o k e g d i e n g i n ei ss t u d i e d ，w h i c hr e s u l ti ng o o de m i s s i o n sa n df u e lc o n s u m p t i o n + t h i sw o r kw a sf o c u s e di nt t h e ep h a s e s f i r s t ，t h i ss t u d ys e l e c ta x - 1 0 0 t y p em o t o r e n g i n ew i t hd i s p l a c e m e n to f10 0 c ca st h eb a s ee n g i n e ，a n d i tw a sm o d i f i e ds oa s 稔 s a t i s f yt h en e e do f e l e c t r o n i cc o n t r o l ，s e c o n d w em u s tm a t c has u i t e d 氐# li n j e c t i o n s y s t e ma n dc o n t r o ls t r a t e g yl b rt h eb a s ee n g i n e t h i r d ，t h ee n g i n eb e n c ht e s t w a s c o n d u c t e d ：a n dt h ep e r f o r m a n c e ，e m i s s i o n sa n dc o n t r o lp a r a m e t e rw a sr e c o r d e d + b y a n a l y z i n g t h e s ed a t at h ee l e c t r i cc o n t r o l l e dm a pi sa c q u i r e d t h er e s u l to fe x p e r i m e n ti n d i c a t e sw h e n 酾e c t i o np e i s ew i d t ha n di n j e c t i o n t i m i n g a n d i g n i t i o nt i m i n ga r es u i t a b l e , t h eg a s o l i n e d i r e c ti n j e c t i o nt w o s t r o k e e n g i n e se m i s s i o na n d f u e lc o n s u m p t i o nc a r lb ec l o s et of o u r - s t r o k ee n g i n e + a tt o a do f 5 0 a n d10 0 ，t h ec o m p a r i s o no fd ie n g i n ea n dc o n v e n t i o n a le n g i n es h o w sal i t t l e r e d u c t i o ni np o w e ra tt o ws p e e d ，b u ti n c r e a s ei np o w e r a th i g h s p e e d ，a n da ta l ls p e e d t h e 趣8 ie c o n o m ya n de m i s s i o n sa r ei m p r o v e dv e r ym u c h ， k e y w o r d s ：2 - s t r o k e i n t e r n a lc o m b u s t i o ng n g i n e f a is y s t e m 1 ) c v c l o p m e n ts y s t e mf o re f ie n g i n e s m a p 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘盗盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：7 皂二喜签字同期：加，弓年月( 乒同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权基盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：开、) 一乒 导师签名： 学位论文作者签名：膨 导师签名：觚蟓 签字日期：汐。；年月l 目签字日期：绷年月& 日 第一章臻论 第一睾绪论 我露瓣麟挺车工遭虽然超多羧淡，煎麓鑫改攀嚣教爨皋，我鏊瓣黪乎乏车行业 褥戳了突飞猛遘殴发震。麸1 9 9 4 年筵，我蘸已缀成为基羚上第一太縻援军生产 国，目前我国的摩托车年产鬣大约为1 0 0 0 万辆左右，保有粲约为5 0 0 0 万辆。如 魏众多酶攀托车努然会带寒不餐忽筏豹蓑 敖彝溪释憨源阉戆。为了接翻簿援车撵 放h c 、c o 釉n o 对人体的危密，我豳正在建立并鼠将实施相斑的摩托车排放法规 e 西 # 进入= 卡整绝麓麓，环浚淘题瓣蕴严耋，蒋剐燕大气污凝阕题越来越受捌各 令辫家熬萋浚。据绫诗，当# 鼗蓬5 7 n 摇窿蕊慧浮鬏粒黪超过殛褰繇缣羧篷， 4 8 个城市的二氧化硫浓度越j 过国家二级排放标准，8 2 的城市先后遭到不同程度 豹羧蘸蕊害。6 0 0 多令蠛枣中，大气嚣壤鬃簸餐食一级蠡攀瓣不到1 ；毯器上 l o 个污染娥严重静域索我愆戴占了s 令，甑括裁焱、沈鞭、嚣安一生海帮广翔 ( 羊藏魏掇1 9 9 9 年7 舞 艿嚣。遨说鹱我溪费骧搿浮染已瑟经裂了替渣瑷不霹 的地步。为此，国家也制定很多政策法规，明确舰定不符合排放标凇的窜辆严禁 生产、镂簧器上壤鼹，戬减少废气污染甥黪撵赦f 拼。凝摆鸯关法律，我潼2 0 0 1 年9 月份以后生产的轿车和5 人座以下的微型汽车不得再采用化油器技术 3 1 。我 蓬嚣蘸采爨的摩托事黎族法蠼参考了酸溺l 母振缕，滔冲稷诧灌器技术可驭满是 这一法麓委袋，毽惩二洚疆发渤裰藏这不爨。瑟蘸戴鞋歪套薪l 紧裁定与敬溯l l 号据瀣搂避黪赘 效法艇，诧波嚣发动搬尤其楚姥溜爨蕊二冲粳发动楗将疆瞧海汰 的危险。 摆统计，全球荔开采的虿濑可持续开采5 0 年左卷，几十年屠将会擞璎褥浊 短缺现象。燕国疆晕裁实行了隈铡境内石瀵酾天然气爨源野发遗度鹣对疼致策， 飙1 9 6 8 年起藏舞始变残了一个邈遴发震的石浊避融滏。我们露家遵扶t 9 9 7 年麸 一个石油输幽国变成石油避翻溺“。这说明了内燃桃的节能、提高燃料静利阁效 率融追在爝髓。面我国是一个麟援车生产和销售大围，产销量居世界第一。所以， 节能的要求对摩托车行业来说胍力嚣比其他围家大褥多。这对我们从嚣内燃丰凡研 究黪a 既慰挑战也楚极遇。 瓿锭辩学搜零、锾墅邀予谤葵壤、薪糖糕、耨筑漾懿磷变开茇秘密蠲将踉蠹 燃规趣袭鼹注入新的活力，使内燃桃更节能、封 放受清洁成为可能，龙其蹙在大 规税集成穰路技术的推动下所产生的微型计簿梳弧蕊低价、轻巧、离滤、可变等 优点已成为汽车技术发展的主要幼力之，同时离性能、多功能的传感器的开发 第一章绪论 也加速了微机在汽车工业中的应用。这些技术最终促进了电控燃油喷射( e f i ) 技术的诞生，电控燃油喷射( e f i ) 技术可以有效降低发动机的油耗和排放水平。 电控燃油喷射( e f i ) 技术已成为当前内燃机尤其是汽油机技术发展的重要 方向之一，并且也将成为今后推动内燃机行业发展的主导技术。汽油机电控燃油 喷射( e f i ) 系统可以实现发动机空燃比的精确控制，根据缸内实际工作情况调 整空燃比，使燃料充分燃烧，明显提高燃油经济性和改善发动机的排放水平。另 外，燃油雾化特性、进气损失等方面得到改进，再结合其它技术”1 ，使汽油机的 稳定性、怠速、加速等性能明显提高。 目前，发动机电控燃油喷射( e f i ) 技术在汽油机上的应用，在美国已接近 1 0 0 ，在德国已超过7 0 ，在国外，电控燃油喷射( e f i ) 技术的装车率一般以 每年7 的速度增长。各国电喷式汽油机的总产量之和已占世界车用汽油机总产 量的8 0 左右。但是我国在这方面做得还很不够，跟世界比起来还有相当的差距。 在汽车行业由于大量的引进国外成型技术，这种局面有所改观：但是由于发动机 电控燃油喷射( e f i ) 技术的成本比较高，它在摩托车行业的应用几乎等于零。 如果能够有效降低发动机电控燃油喷射( e f i ) 技术的成本，把它应用于摩托车 发动机对于我国的环保和节能将产生积极的作用。 正是基于这样一种认识，本文首先介绍一种以直线运动为基础的新一代发动 机电喷技术一f a i ( 自由电枢喷射) 。与传统的旋转式电子供油系统相比较，它 具有系统可靠、成本低、对油品不敏感等优势。f a i 电喷技术可以实现高达1 0 m p a 的高压喷射，不仅能够应用于进气道喷射( p i ) 系统，而且可以应用于缸内直喷 系统( d i s i ) 。因此f a i 技术非常适合应用于摩托车发动机电喷系统。随后本文 研究了这一技术在二冲程摩托车发动机缸内直喷燃烧系统上的应用可能性，由于 可以消除燃油短路，因此排放和油耗都取得了很好的效果。 1 2 二冲程汽油机综述 1 2 1 二冲程汽油机的主要优缺点 二冲程汽油机于1 8 8 1 年出现以来，由于其结构简单、升功率高、成本低廉 而广泛应用于摩托车、小型汽车、舷外机和割草机等领域。二冲程发动机没有象 四冲程发动机那样分别长达1 8 0 。曲轴转角以上的排气和进气冲程，其已燃气体 的排出和新鲜混合气( 空气) 的充进要在下止点附近很短的时间内靠气流流动形 成的扫气过程完成，所以换气方案对发动机性能影响极大。传统的二冲程汽油机 主要有三种换气方案：横流扫气、回流扫气以及直流扫气1 5 1 j2 j ( 如图1 - 1 所示) 。 第一章绪论 横流孝曩气是二冲程内燃橇缀旱采用的换气方案，其特点是扫气口鞫捺气口布 置在气缸圆周相对的两个壁谳上。由于扫、排气定时对称，会产生过尉排气，而 在气缸顶部区域易于残留废气，扫气效果比较差。 a ) 恻瀛扫气( b ) 鱼流扫气 g ) 椭渡扫气 图卜j 二冲稷发动机的换气方案 踊流扫气 麴季曩气强窝撵 气翻位于气缸 同侧，在纵横 方向肖倾斜 角，使扫气气 流麴主流杰气 艇蠹形成匿 流，将废气由 排气口挤出。 这种捆气方式 耨鳞态羹短路 较少，摆气效莱跪横流扫气好褥多，因筵是警蔫二滓程发动税豹主流。院较典鍪 的就是曲轴箱三孔扫气方案，该方案不需要附加的扫气泵，结构非常简单。 直流扫气方案的主要特点魑扫气气流沿气缸轴运动，换气品质最好。最常用 的是排气门由凸轮机构驱动，围此可以方便地实现不对称换气，扫气效果较好。 瞧是结构魄较复杂，不剥于蕊遮发动机的应用。 无论嬲耱羟气方式戆二冲鬃汽淫瓿都骞一个焚溺鸵缺点，帮零箨鹃瀵滢条件 较差。四冲程发动机中润滑油怒循环的、而且经过净化后在压力下润滑遮幼零件， 润滑的同时还冷却摩擦壁面。而曲轴箱扫气式二冲程发动机的润滑系统无法这样 设计，常用的方法是向燃油中加入润滑油来实现对活塞组、曲轴等的润滑。润滑 漓是不循环鼢，露要在燃烧室中烧獐。因为传统的他浊器式二冲程发动机中，扫 气溪懿是已经滋合努戆可燃瀑合气，瑟茌薅 薯气方窳中，据气震气都会藏多或少 地短路损失，所以燃油经济憔惹和未燃h c 排放道高的缺点是不可避免的。 由于二冲程汽油机的特殊的换气机理，缸内气流运动对换气过程都有很大的 影响：改落二冲程发动机的性能的关键是减少新鲜混合气短路损失。下面简要介 绍一些二冲稷发动机的改进方案，正是这些方案把二、砖程汽油枫带入了一个新的 霹代。鑫予懑流扫气占毒较大戆枣场，我黧主要叛翻浚羟气式二洚程发漤税为磷 究对象。掇禽二冲程发动机幢熊的主要方法包括改藩避排气系统的脉动散应以及 燃油直喷敞术( d i s i ) 。 1 。2 2 躺轴箱扫气式二冲程汽油机的进排气改善”3 图 第一章绪论 墨寰鼎删舞鼍篁鼍皇曼曼皇曼曼燃鼎葛曼舅曼寰篇卷燃嬲黑置舅邑! 蔓! ! ! 嫩ii 璺常曩量曼曼曼皇蔓鼎舞鼍曼皇皇鼎舞舞鼎鼎燃嬲蔓曼曼 藏鞣l 籀扫气发动礁器雳鑫然吸气，利用溪塞涎下行难懿辘锫中静混合气送行 疰缩；因此，鞠轴箱及其内帮的旋转部件润滑困难；而且，进封 气嗣的鄢分重叠 也魑不可避免的，这会影响捆气效率和产生新鲜混合气短路。为了解决这然固有 淘题，对宅款改遴主要是对遴、撼气过程邈行改避和控铡。 麴辘赣扫气汽涵季珏豹传统黥滋气方式是囊活塞静疆部羧铡麓，它的主娶缺点 是对称正时，即摊气口早开就必须晚关，扫气口晚开就必须早关，这会造成新鲜 混台气的流失。针对这一问题的改进措施有： 1 溪鸯霪一个爵旋转豹毒铰落黪霉盘整象l 避气，盛拿鑫麓孛熬透气遴戆开痿盘瑟 盘的缺口控制。它最大的优点楚可变的进气滠时，同时它述容许非对称的气口正 时。它的缺点是占蹋的空间鞍大，使得结构爨加复杂。如果没有更先进的技术的 盛蠲，这方案要慧雳在多靛蕊上是不可能豹i s 。 2 。改进逶气系统。在二滓灌汽漓税中，秘臻避捧气鞠赫动效应可疆遮列提高 给气比，提高升功率的目的。慕于这种情况，采用某种方式来改变簧片阀前进气 管螅压力或者改变遴气流动来摁藤遴气能力。躁本y a m a h a 公司研制的y e i s ( y a m a h a e n e r g yi n d u c t i o ns y s t e m ) 藏是剽溺遴气系统懿熬韵篷力蠢敬罄帮分受 荷的性能i ”。 3 改善排气系统。由于愿力波等流体力学现象对充气过程的影响，二冲程发 动橇验撵气系统对发囊辊瓣魏戆怒菲掌重要爨j 9 1 。基于这方蕊豹原因，二冷程汽 油机的摊气系统设嚣有排气装瀵，它们都是利用了压力波静效应来掇离宠气效率 从磷提高发动机的性能的1 1 0 1 。如果排气相钕能够随发动机转速的变化亓话变化， 就霹以在较大范露漆改善二渖镤汽漓撬兹瞧熊。滋较毒彳弋袭蠖豁技术蠢：a e t c ( a u t o m a t i c e x h a u s t t i m i n g c o n t r 0 1 ) 一耋凌撵气歪露整裁系统( 露圈l 。2 ) 。其 原理是在排气口装一圆柱阀，低中转速时圆柱阀关闭，防止混合气流呋，掇高了 充气效率，离速时厕柱阀打开，提商了排气效率，实现了岗性能【_ ”。 滤垫擐麓，宅爨虽然裁碍激浚藩发动筏豹瞧藐，筵是奁终敖窍演糕方溪这不 到翻冲稷发动瓿的水平，灞孵穗可熊函为方案豹复杂缝都不霹避免遗掇麓了发动 机的制遗成本，结构不够紧凑，使得二冲程发动机固有优点减弱。 2 3 警内羚蹇溃- - ；0 疆汽涟橇速装 敏内赢接喷射技术理论上可以完全消除新鲜充量的短路流失，因为如果采用 了敝漆赢接喷射黪傣淫方式，就露黻实现缝签气据气，待按气过程缝寨蜃菇唆灌， 蠢藏可醴掇大建改耱二滓程发麓李嚣豹酒耗和瓣簸。敬蠹壹嚷技术在嚣狰缓发动援 上的研究比较多，目前已经有产品上市1 5 ，而在二冲程上的应用研究也已经有 十几年的历史了【2 7 1 。 第一章绪论 自1 9 8 3 年开始，四冲程汽油机( 主要是汽车用多缸汽油机) 中，化油器逐 ra ，濑勰$ 幸端n 州帮j婚) 微薄t 撼门篾溺 爨 一2 铃本r g w 2 5 0 麓a e t g 装置 步被进气邋电控汽油喷射系统代替；它主要是为了安装三元催化转换器，同时降 襄、h 秘n 0 三葶孛杏害撵敖甥豹嚣要1 。嚣为逯避氧传感器实玟瓣琴控刳，霹 以把发动机的 ( 过量空气系数) 控制在1 0 以满足三元催化转换器的工作簧求。 经造多年戆发展，避气遂电按汽油喷射系绞瑟趋于亮萋，成梵当今汽油爨的圭渡， 处于垄断地位。但进气道电控汽油喷射系统有以下3 方面的不足：1 冷启动时 嬲刳 放过怒。2 。发秘援基本按理论窆燃比运转，影响中、僬受蕊时利用臻燃技 术改善经济性和排敝水平。3 迸气道电控汽油喷射系统中由于完全依靠节气门 寒调节受瑟鲍大小，在低受莓时泵气损失大、机械效率降低“。 为了改藩上述缺点，开始了缸内直接喷射( g d i ) 系统的研究川，实际上对 缸肉壹接喷射( 6 d i ) 系统的研究要毙进气邋电控汽油喷射零。汽油机缸内嶷喷 的工作方式，早在2 0 世纪5 0 年代德国的b e n z3 0 0 s l 车型、印年代的m a n f m 系统，7 0 每代美国t e x a c o 欺t c c 8 系统移f o r d 的p r o c o 系统就曾缀采用过“。 受当时内燃机技术水平的限制和尚未有电控喷射手段等原因，开发的发动机性能 和摊敷并不理想，因丽没考褥到实际的应用。 2 0 世纪9 0 年代以后，制造精密、性能优良的内燃机部件的应用和精度商、 响皮快的电控手段的开发，促使缸内直喷汽油机的研究得到长足的发展。三蕤、 丰酗、福特、目产蒋许多国外汽车公司和研究机构都开发了翁己的g d i 视型，且 有的公司已有产品出现“。新一代缸内直嚷汽油机也被称为d i s i ( d i r e c t i n l e c t i 0 1 1s p a r ki g n i t i o n ) 发动税，它主要依靠阻下新技术：1 敷收计算视控 制与动态优化技术的最新成果；2 可变的进气涡流和滚流生成与控制技术；3 计算流俸力学。 第一章绪论 运蹙敬陡直喷枫型，除了福特等少数机型仍采用单一的垮质预混燃烧模式 外，大都根据工况不同而采用了不同的混合燃烧模式：在中小负荷区域，通过在 压缩冲穰厝期喷油和燃烧系统的合理配合，形成分层稀薄快燃的混合气，其空燃 比一般吲达2 5 5 0 ，极大地掇嵩了汽油机部分负荷f 的燃油经济性；砸在大负 蕊窝全受簿王凝下，逯过较旱筑把燃、蘧在进气冲辍犊入气疑，在点火霹翔形藏颈 混燃麓斡均质混台气，保持了驻汽漓租动力佳鳋的优点：这类发动撬懿三菱汽车 公司开发的4 g 9 3 型g d i ，丰刚汽车公司开发的d - 4 型g d i ，日产汽车公司开发的 n e o d i 裂g d i “。丰田的g d i 机型“：在中等负荷隧域还采用两段喷射技术，把 燃油分掰次分别在进气和压缩冲程中喷入气缸，形成界于两者之间的混合气，据 摄道可以实瑰受蓠歇中枣区域爨大受蔫区戆乎稳过渡。 减小滋台气短路损失来改饕二净程发动丰嚣斡瞧魏楚缸蠹直嚷技术森二二狰程 汽油机上_ 陂用的另一个重要优势，下面我们将简述这些方案，正是由于这些方案 的开发和实施，二冲程发动机进入了一个复兴的时代“”1 。 二冲程发动机由于跟四冲程不同的结构特点，由于燃烧方式的改变，气缸盖、 气缸体及活塞型线等主要帮移必须经过重蓊设谤，否剿无法组织分屡燃烧，两旦 容曩窭璇羟瞧现象。匿舞蠢缀级舔燃静毒麓，嚣藏遥过氧传感器控制x 一1 0 班 进行闭环控制是不可能的。所以二冲程发动机赢喷( g d i ) 系统的控制策略和蹬 冲程是不同的；因此四冲程的崴喷系统不能完全搬到二冲程发动机上来【2 0 0 ”。 近年来，二冲程发动机点喷( g d i ) 系统的蒸本方案包括：缸内高压燃油喷 射、电接低压缸内燃油壹喷脚。”1 、电控燃油夹气唆射以及机械式空气辅助燃油 襞鸯季。箕中戳夹气喽瓣为主， 也有缸内直接喷射燃油的。如 a v l 公司的半直接喷射系统 【2 6 1 ，o r b i t a l 公司的o c p ( o r b i t a l c o m b u s t i o np r o c e s s ) 二二冲程发 动秘技末霉l ，瑷及鬟卡多公霉瓣 分层燃烧系统 2 8 , 2 9 1 等在二冲程 缴动机的缸内直接喷射( g d i ) 系统上的应用也取得了不错的 成粱。 强1 - 3s g l s 喷辩鬟唆 其中敷燃涵夹气喽魁豹 o r b i t a l 公司的s e f i s ( s m a l l e n g i n ef u e li n j e c t i o ns y s t e m l 为代表的电控缸内崴喷系统排放控制效果非常不 错 3 0 1 。圈1 - 3 是s e f i s 系统原理示意图。其特点怒成本较低，燃油和机油分别进 第一章绪论 入燃酒、梳油计量泵，搬涵与燃油按一定院倒供绘，电控单元( e c u ) 的输入信 号为转速信号和节气门的开度信号，输出为喷油控制信号和点火控制信号。 s e f i s 系统除了能够很好地解决燃油短路损失问麒外，它的另一特点憋可以实现 缸内分屡燃烧。s e f i s 可以使总空燃比高达1 0 0 ；1 ，试验表明s e f i s 在燃油经 济往方嚣露缀丈夔改善。霾内瓣毅大潮摩托车公镬9 8 年裁嚣始与爽魄援合终， 改造薪大娥5 0 m l 二? 申程发赫辘，嚣前已经开发爨了样税，但是还没蠢投产。 同样祸于燃油缸内直接喷射的另一个典型示例是意大利p i a g g i o 公司e t 2 机械式二冲程摩托车燃油喷射系统。p i a g g i o 公司正在同时生产两款非常著名的 v e s p a ( 赞蜂) 二冲程摩托车，他们在排放控制方面的最大不同在于v e s p a e t 2 采曩枧械式燃酒喷射系统，鬟一耪v e s p a 采蠲撼气矮处理技拳 1 1 。 在淹控夹气喷浆系统方甏，i f p 雏3 麓并发静i a p a c 系统( 圈1 - 4 掰示) ，链 使二冲掇发动机的燃油与扫气窝气分离而减少燃油短路，其利用曲轴箱内的压缩 空气，从扫气孔和顶部进气阀进 入气缸，在进气阀处，喷射的汽 灏邂过气流促进混合，并有是够 豹辩瓣雾诧，疆褰了笈韵凝茬 熊，试验表明，比油耗下降2 5 蹦以上，未燃h c 排放下降7 0 - - 9 0 。 o r b i t a l 和f o r d ”0 4 】开发的 a f i 滋灌夹气唆粒系绫，戆实嚣 低负荷的层状进气，随着负荷加 大，层状比例下降，逐渐向均质 燃烧过渡以使发动机发出最大 功率。它们需要一个空气压缩 疆、不嚣要裹莲泵，压缨空气有 夹带和雾化燃油两个作用。其关 键部件是喷射器，带有一个小的 圈卜4i a p a c 二冲稷擞幼机 混合腔，燃油喷入腔内并跟腔内 空气一定稷度上的混合再喷入气艇，形成燃油气化的雾状气和非常纲化的油粒。 3 本谍邋的主要工作及意义 1 3 1 本课题的主要工作 第一苹绪论 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h c 排放和燃油消耗率，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。 本课题旨在应用低成本的一体化电磁燃油喷射器f a i t 3 l 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、升功率大的优点。主要做了如下一些工作。 1 选择我国比较常见的二冲程摩托车发动机a x 一1 0 0 为基础发动机，并对它 进行了必要的重新设计以适合缸内直喷的需要。由于低负荷下分层稀燃的需要， 后处理技术应用起来比较困难，因此采用开环控制策略。 2 安装并调试试验台架；根据一定的原则选定了测试工况，以d i s i 软件开发 平台为核心，以点火提前角和喷油参数为控制变量，进行了二冲程发动机直喷系 统的台架试验。记录了发动机的经济性、动力性以及排放指标：还对部分工况进 行燃烧诊断。 3 对于上述试验得到的数据进行统计分析处理，主要根据比油耗和排放指标， 得到了各种工况下的最佳控制参数以及这些参数随工况的变化趋势。利用d i s i 开发平台得到了最终电控m a p 图。还对电控发动机和原机进行了对比分析。 1 3 2 本课题的意义 本课题初步探讨了应用f a i 技术实现二冲程发动机缸内直喷的基本方案，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，得到了发动机电控m a p 图；为进一步完成摩托车车载试验提供了依 据。试验结果表明该方案在控制参数选择合适时，发动机工作稳定，油耗和h c 排放浓度接近于四冲程摩托车发动机，要远远优于原机。而且成本比较低，非常 适合摩托车。 1 4 本章小结 随着我们国家摩托车工业的不断发展，我国的摩托车生产量和保有量持续增 加，因此所造成的环境问题和能源问题越来越突出。由于世界上对排放问题的重 视，各个国家都根据各自国家的具体情况，针对摩托车制定了越来越严格的排放 法规；我们国家也参照欧洲l 号排放法规制定了相应的法规，而且有越来越严格 的趋势。 这对二冲程发动机造成了很大的冲击，为了拯救二冲程发动机必须确实改善 它的燃油经济性和h c 排放水平。缸内直喷技术由于可以消除新鲜混合气的短路 流失问题，可以大幅度改善二冲程发动机的经济性和h c 排放，因而在二冲程发 第一章绪论 动机上的应用意义明显。国外在这方面已经做了很多工作，研究结果也表明取得 了一些成果：但是还有一些问题尤其是成本还限制着这一新技术的推广。 本研究的主要工作是把一种新型的低成本的喷射系统f a i ( 自由电枢喷射) 应用于二冲程发动机，以期改善传统回流扫气式二冲程发动机的经济性和排放水 平。 第二章二冲程直喷系统的开发 第二章f ai 二冲程直喷发动机的系统设计与开发 【内容提要】缸内直喷汽油机( d i s i ) 的开发，一方面要兼顾不同工况下对 混合气的要求而进行系统优化；另一方面又要对缸内随时间、空间快速变化的油 气运动精确控制，以便能在相对固定的点火位置周围形成可供点燃的混合气浓 度；并形成一定的分层结构，促使稀薄气体的快速燃烧。目前在缸内直喷发动机 上的研究，正是围绕着这些核心问题，分别从燃油喷射系统的开发、燃烧系统的 设计、油气混合的基本理论研究、燃烧排放特性研究和控制等几方面展开的。 即将实行的关于二轮摩托车污染物排放的法规已经迫使二冲程发动机降低 它的未燃h c 排放和油耗。因此新型的低排放污染、低燃油消耗的二冲程火花塞 点火式发动机的开发已经迫在眉睫了，正是基于此，一种1 0 0 毫升的直喷二冲程 发动机已经处于研发过程中。此发动机安装的是f a i ( 自由电枢喷射) 燃油喷射 系统，油量分配通过低压电控燃油喷射系统与一套专门为这种类型的应用设计的 电控系统一起进行控制。系统设计中优化了空气交换部件( 空滤器、节气门) 的 设计，同时也重新设计了供油系统和燃烧系统( 燃烧室、喷油器以及火花塞的布 置) 的设计。 2 1 直喷系统设计的总体考虑 汽油缸内直喷是车用汽油机的主要发展方向之一，原因在于它存在着降低燃 油消耗率和排放的巨大潜力。在汽油机直接喷射系统( d i s i ) 中，燃油通过装在 缸盖上的高压喷油器直接喷入燃烧室，在压缩冲程中，燃油与缸内空气混合形成 可点燃的混合气。为了实现不同的缸内混合气状态以利于混合气被可靠点燃，喷 油器喷出的油雾与缸内的气流、固体壁面形状、火花塞位置等必须有机配合，所 以喷油和点火相位必须大范围调节。正因为如此，喷油器以电控喷油器为最佳。 在现代缸内直喷发动机中，都以电子控制单元( e c u ) 为中心，用安装在发动机 不同部位上的各种传感器测定发动机的各种参数，如转速、温度等，将它们转换 为计算机能接受的电信号之后，传送给e c u ；e c u 对输入信号作运算、处理、 分析判断后，向相应的执行机构( 喷油器、点火线圈) 发出指令控制点火系统和 喷射系统的工作，最终通过喷油器正时、定量地把汽油喷入气缸中去，使得发动 机在不同工况下都能获得最佳浓度的混合气p “。 图2 1 所示为二冲程汽油机直接喷射系统( d i s i ) 的结构示意图。从图中可 以看出直喷系统对化油器式汽油机作了很大的改变：在原来化油器的位置上，安 装用来调节进气量的节气门体，该节气门体上装有节气门位置传感器；缸盖经过 了重新设计以布置喷油器、火花塞、缸盖温度传感器等；而且燃烧室形状也要重 第二章二冲程直喷系统的开发 新设计以与燃油喷雾和气流运动相配合。 图2 2 为 s e n s 0 r 图2 1 二冲程汽油机直喷结构示意图 输入信号 输出控制信号 图2 - 2 直喷控制示意图 般的汽油机直 接喷射系统 ( d i s i ) 的控制 示意图。e c u ( 电控单元) 的 输入信号主要 有节气门位置、 曲轴位置、发动 机转速以及发 动机温度和进 气温度。其中， 这些输入信号 是通过安装在 发动机各个相 应部位的传感 器采集的，经过 一定的转换后 得到数字电信 号再输入e c u ( 电控单元) 。 e c u 根据输入 信号作运算、来 判断发动机的 工况及状态，再 按照内存中的 点火及喷油 m a p 表以及各 种修正逻辑来 计算确定该循环应有的点火正时和喷油参数，然后通过相应的指令和输出驱动电 路控制喷油器和火花塞的工作。 二冲程摩托车直喷系统和用于四冲程汽车发动机中的直喷系统是有所不同 的。摩托车发动机通常有更高的转速，缸径小并具有更大的缸径一行程比，并且 第二二章二挣翟妻壤系统鞠开发 赜涟器哭能在撵气墨关闭舞进行，否翼l 壹喷也裁没存意义了。这就限制了汽渣喷 入气缸厢与缸内空气的混合时间，油雾碰撞活寨麟筒的可能性增大。假由于二冲 程汽油桃缸盏上没有气门，_ i i i 亍以喷油器比较容易布鬣，但缸内混合气形成过程的 优化，包括了一系列参数的组合特性，比如喷油器位置、喷油器开磨压力、油束 形凌、漪满足寸帮速疫爨及骥莉秘点炎对藉等，镪然存在攫多魏圈赡登6 刃，粥。 二渖稷发动祝躁匿薄程发韵掇一样其有进气、艇结、燃浇、膨酝秘摊气过程， 不同的鼹这些过程只用两个活塞行程来完成，藏中麓别最大的是换气过程。该过 程的工作顺序是：膨胀行程的来期，活塞下行，酋先打开排气口，而餍扫气口开 启，具肖一定压力豹新鲜充爨豳捆气口进入气缸，并强制排出废气，谶行充量更 换；然爱，溪塞蜀运下琵煮瑟上行，辕凌蔫扫气弱穰瓣气日关蘑，换气过稷结束， 换气遗程魏鬻2 3 甄示i 矧。双匿孛可氍看出，二冲程发魂瓿懿换气时闻矮，强筵 换气质爨非常差；而且进气鞠封 气过程重叠，将脊很多新鲜充量壹撩短路流入排 气管中，增加了混合气消耗擞和排放；由于进、摊气同时进行，新鲜滟鬣与废气 进 s cs o 图2 - 3 三冲程内燃机换气过程游赣瞄 易于掺混，残余废气系数大。 常用麴鼹冲程汽油援缸辨嵝爨电喷系统( e f t ) 麴控制策硌是州j ：蜜裟个氧 传感器，逶过惩嚣整裁尽蔼艨维簿醢蠢溪会气麓遭量空气系鼗盖一1 0 ，然嚣通 过对尾气谶行三元催纯蠹处簿越降骶簿藏。可是对予二冲程发动瓤，出予残余废 气多造成的经常性失火以及捆气短路而造成的窝气随接进入排气管替原因，通过 氧传感器不能测量空燃比，所以用氧传感器进行l 硝环控制也就不可能。根据以上 豹分析可以褥缒，二冲程汽油机采用屯控缸井( 气邋) 喷射方案并不能髂决油耗 窝释放鼹题，焉囊畜采愆汽漓髓瘫妻囊系统( d t s i ) 荠显蘧霖在遵、褥气口零关 阕爱霉蠢气赶内喷溜，孝可以完全消除耨鲜兖嚣的缀踌，扶磷改善二；孛稷发动桩 的经济俄和h c 排放水平【4 0 1 。幽于二冲程内燃机的结构特点，进、排气口都关闭 的时期魁非常短的，这就使得二冲程发动机直喷系筑( d i s d 在喷油策略、燃烧 第二章二冲程直喷系统的开发 系统等方面与四冲程有很大的不同；相应地也会产生控制策略的不同。 基于以上的分析，我们拟采取这样的控制策略：在低转速低负荷工况下，通 过控制喷油相位来形成分层混合气，应用分层稀薄燃烧原理以达到较好的经济性 和排放水平；尤其是在怠速工况下，还可以采用间隔喷油的策略以保证燃烧循环 的残余废气量小，燃烧充分，降低h c 排放；在高转速大负荷工况下，燃油较早 喷射以形成较浓的均质混合气以满足功率的要求；在其他工况形成接近理论当量 负 荷 转速 图2 - 4 二冲程直喷发动机控制策略 比的均质燃烧。但 是这里面涉及到一 个平稳过渡的问 题。概括起来可以 用图2 - 4 的图形形 象的表示我t 1 的控 制模式，如果燃烧 系统和喷射系统设 计合适的话，稀薄 燃烧的浓度可以非 常低，其区域可以 很大。 二冲程发动机 进行废气的三元催化后处理困难，因此良好的燃烧和机内净化措施对它来说就显 得更为重要而且是必需的，而这对二冲程内燃机直喷系统( d i s i ) 的点火正时和 喷油正时的精确控制提出了更高的要求。正是因为如此，为了得t , j - 冲程内燃机 直喷系统( d i s i ) 的点火和喷油m a p 图的工作量要比四冲程的大得多。特别是 为了进行低负荷下的分层稀燃，喷油量必须很少而且必须稳定可靠，因此控制参 数的优化要做的很细致。 2 2 燃油喷射系统 2 2 1 常用的几种喷射系统 缸内直喷汽油机( g d i ) 的开发，要对缸内随时间、空间快速变化的油气运 动做到精确控制，以便能在相对固定的点火位置周围形成可供点燃的混合气浓 度，燃油喷射系统的开发就显得非常重要。 汽油机缸内直喷的工作方式，早在2 0 世纪5 0 年代德国的b e n z3 0 0 0 s l 燃烧 系统、6 0 年代的眦n f m 系统，7 0 年代美国t e x a c o 的t c c s 系统和f o r d 的f r o c 0 第二苹二冲程直喷系统的开发 系统就曾经采用过。但是受当时内燃机技术水平的限制和尚未有电控喷射手段等 原因，开发的发动机性能和排放并不理想，因而没有得到实际的应用。而现代化 的电子直喷燃油喷射系统设计，为了达到分层稀薄混合气所要求的喷雾质量、灵 活的喷油定时和点火定时，均需采用精度高、响应快的柔性电控手段。共轨喷射 系统加电磁驱动喷嘴被认为是满足缸内灵活喷射要求的喷射系统之一。现己开发 n ) 抽直蜃蕞式( b ) 带有压气机的摁奇气晴射攥式( c ) 高压气体蹰合弑 图2 - 5 直喷汽油机的三种喷射系统 的直喷汽油机喷射系统主要有三种喷射模式：采用高压旋流喷嘴的汽油直喷模式 ( d f i ) ；利用压气机压缩空气并依靠高压空气将燃油雾化喷入缸内的模式，以及 利用上一循环压缩行程中的高压气体在预混合室与燃油形成混合气，然后再喷入 气缸的混合气喷射模式( d m i ) ”；三种喷射方式如图2 5 所示。 现代的缸内直喷汽油机( g d i ) 机型，大都根据工况不同而采用了不同的燃 油喷射策略( 如图2 - 4 所示) ：第一种是后期喷射模式。在中小负荷区域，通过 在压缩行程后期喷油和燃烧系统的合理配合，形成分层稀薄快速燃烧的混合气， 并采用质调节以避免节流阀的节流损失，以达到与柴油机相当的燃油经济性：第 二种是早期喷射模式。在大负荷和全负荷工况下，通过较早地把燃油在进气行程 中喷入气缸，在点火时刻形成预混燃烧的均质混合气，以保持汽油机升功率高的 优点。也有某些g d i 机型采用两段喷射技术，把燃油分两次分别在进气和压缩行 程中喷入气缸，形成界于两者之间的混合气。利用“二次混合技术”，使燃料充 分燃烧；据报道可以实现负荷从中小区域向大负荷区的平稳过渡，并可以降低缸 内气体温度，从而抑制了爆燃的发生，增加了功率的输出“。通过两段喷射分层 燃烧方式，能大幅度改善稀薄区域的燃烧稳定性、热效率及排放性能。在低负荷 区域能显著扩大稀燃极限。 g d i 发动机要求较小的液滴尺寸，快速的蒸发，稳定的点火，适当的油气混 合或充气分层，减少燃油碰壁。为了保证发动机的高燃烧效率和低排放水平，要 保证燃油在各种不同的发动机工况下都能很好的雾化。一般来说，索特平均粒度 ( s m d ) 不应大于2 5 微米，9 0 的燃油粒度( d v 9 0 ) 不超过4 5 微米，同时为了保持 第二章二冲程直喷系统的开发 合适的贯穿度，缩短喷油持续期，汽油直接喷射模式所需要的喷油压力应维持在 4 - - 1 3 m p a 之间“。在系统允许的情况下，应尽量采用更高的喷油压力，这时能 获得更好的、粒度较小且均匀的喷雾。另外一种采用可变喷射压力的汽油直喷模 式正在研究过程中，可望能更好满足不同负荷对喷雾的要求，减轻对喷射系统的 性能要求。由于混合气喷射模式在喷入气缸前就混合过一次，只需较小的喷射压 力就能在缸内达到较好的雾化水平，对喷油器的要求可低一些。但它通常采用的 普通外开轴针式喷油器容易引起针阀跳动、喷油速率变化大等问题，且它需要两 个电磁阀、压气机等附加设备，从而限制了它的应用。 为了满足喷雾的要求，人们在喷油器方面做了很多研究。由于汽油机的喷射 压力远低于柴油机，多孔喷油器喷嘴易于积碳堵塞且雾化不良，燃烧时火焰传播 不稳定，难以避免碳烟与微粒排放，一般不在缸内直喷汽油机( g d i ) 上使用。 类似于伞喷的外开式单孔轴针式喷嘴，能够改善喷雾情况且不易积碳、堵塞，它 可以取消压力室容积并且在设计上更灵活，还可以设计燃油旋流，可同时兼顾喷 雾锥角、贯穿距离和燃油粒度的不同要求，但它的密封性要差一些。目前在g d i 上得到广泛使用的是内开式旋流喷油器，其内部设有燃油旋流腔，燃油通过在其 中产生的旋转涡流来实现微粒化并减小喷束的贯穿度，从而可以实现5 m p a 的缸 内喷射。k u m e 等对它的研究表明，它可以通过涡流比的选择而实现较好的喷雾 形态和合适