（动力机械及工程专业论文）fai电喷摩托车发动机进气特性的研究.pdf

摘要 现有的汽油机电控燃油喷射系统在发动机过渡工况空燃比的精确控制方面 仍然存在不足之处。要对f a i 电喷系统做出有效的改进，充分挖掘电喷技术在减 少排放和提高燃油经济性方面的潜力，就需要针对发动机过渡工况空燃比控制问 题进行大量的基础性研究工作。 f a i 电喷系统每个工作循环进气量测量采样之后节气门位置突然变动而引 起的实际进气量偏差问题是影响汽油机过渡工况空燃比控制精度的一个主要原 因。本文以c g l 2 5 电喷发动机为研究对象，通过建立发动机模型对发动机的进 气特性进行仿真，进而模拟计算出过渡工况下的实际进气量，为制定f a i 电喷 系统控制策略提供了参考依据。 首先，本文对摩托车发动机进气系统的进气特性进行了实验研究，明确其特 征和基本规律，找出要解决的关键问题，为理论研究指明方向；然后，从气体动 力学的角度出发，系统地研究了内燃机进排气系统气体压力波动模拟计算的几种 理论，为针对实际问题的研究奠定理论基础；最后，运用g t - p o w e r 软件建立了 c g l 2 5 摩托车发动机模型，在确定其能够准确模拟稳态工况各项指标的基础上， 针对一些实验条件不能到达的特殊工况和过渡工况模拟计算发动机的实际进气 量，结果与理论分析较为一致，可以为制定e c u 控制策略提供参考。 关键词：发动机电喷系统空燃比控制过渡工况进气特性 a b s t r a c t i n c r e a s i n g l ys t r i n g e n tr e g u l a t i o n so nm o t o r c y c l ep o l l u t a n te m i s s i o n sh a v e f o r c e dc h i n e s em o t o r c y c l em a n u f a c t u r e r st oa d o p tt h ee l e c t r o n i cf u e li n j e c t i o n ( e f i ) s y s t e mf o rm o t o r c y c l e s , f o l l o w i n gt h es a r r l ep a t ht h ea u t o m o t i v ei n d u s t r yh a sd o n e h o w e v e r c u r r e n tm o t o r c y c l ee f is y s t e mi sm u c hl e s sa d v a n c e dt h a ni t sa u t o m o t i v e e q u i v a l e n t t h em o s ti m p o r t a n tp r o b l e mi s t h ea i r - f u e lr a t i oc o n t r o ld u r i n gt h e t r a n s i e n to p e r a t i o n t h e r e f o r e ，m o r ef u n d a m e n t a ls t u d i e sa r er e q u i r e dt oi m p r o v ei t s p e r f o r m a n c ea n de f f i c i e n c y t h ek e yp r o b l e mo ft h ea i r - f u e lr a t i oc o n t r o ld u r i n gt h et r a n s i e n to p e r a t i o ni s t h ea c t u a li n t a k ea i rm a s sw h e nt h et h r o t t l es u d d e n l ym o v e sa f t e rs a m p l i n go ft h e i n t a k ea i rm a s s t h eo b j e c to ft h i sr e s e a r c hi sc g l 2 5e f im o t o r c y c l e ，a n dam o d e lo f t h i se n g i n ei se s t a b l i s h e dt os i m u l a t ei t sc h a r a c t e r i s t i co fi n t a k ea i r u s i n gt h i sm o d e l c a nc a l c u l a t et h ea c t u a li n t a k ea i rm a s sd u r i n gt h et r a n s i e n to p e r a t i o n ，a n dt h e ng i v e s o m ea d v i c ef o rm a k i n gt h ee f ic o n t r o ls t r a t e g y a tf i r s t ，t h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i co f t h ei n t a k ea i rf o rm o t o r c y c l ee n g i n ei sf o u n d t h r o u g hs o m ee x p e r i m e n t a ls t u d y , w h i c hi sd i s t i n c td i f f e r e n tf r o mt h ea u t o m o t i v e e n g i n e t h ew a v ea c t i o ns i m u l a t i o no f t h ei n l e ta n de x h a u s tm a n i f o l df o ri n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n e sh a v eb e e nd e v e l o p e df o rm a n yy e a r s ，a n ds e v e r a ls o l u t i o n m e t h o d so f t h i sp r o b l e ma r er e s e a r c h e d f i n a l l y , ac g l 2 5e n g i n em o d e li ss e tu pb y u s i n gt h eg t - p o w e rw h i c h i sp o w e r f u le n g i n es i m u l a t i o ns o f t w a r e t h i sm o d e lc a r l e x a c t l ys i m u l a t et h ee v e r yp a r a m e t e r o ft h e s t e a d yo p e r a t i o n ，a n dt h e ni ti su s e dt o c a l c u l a t et h ea c t u a li n t a k ea i rm a s sd u r i n gt h et r a n s i e n to p e r a t i o na n ds o m ee x t r e m e o p e r a t i o nc o n d i t i o n s t h eo u t p u to f s i m u l a t i o ni sa c c o r d i n gw i t ht h et h e o r ya n a l y s i s , a n dc a nb eu s e df o rm a k i n gt h ee f ic o n t r o ls t r a t e g y k e yw o r d s ：e f is y s t e ma i r - f u e lr a t i oc o n t r o lt r a n s i e n to p e r a t i o n c h a r a c t e r i s t i co fi n t a k ea i r 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 或攒! ；过的研究成果，也不包含为获得墨生态堂或其他教育机构的学位或证 l 史用过的材料。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。 学位论文作者虢狄崤 签字同其目： 川年月1 7r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权基鲞本堂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 向因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：狐听 掺字 _ 期：如司年 f 月or 导师签名：阳易乒vl y 签字同期：问年 ，月 ；o 同 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着我国摩托车产量和保有量的迅速上升，摩托车尾气排放已经成为城市大 气的主要污染源之一。国家和地方政府相继出台了一系列的排放法规和地方限制 政策，更加严格的摩托车排放法规和排放测试循环也即将正式启动。因此，近 年来国内各摩托车企业及科研院所都开始投入大量的人力和物力进行摩托车电 子燃油喷射技术的开发。另一方面，国家早已把能源资源问题作为中国发展的重 大战略问题，随着目前油价的不断飞涨，市场对摩托车产品燃油经济性的要求越 来越高，电喷摩托车的产业化已经加快了脚步，电喷技术在摩托车上的应用范围 会迅速扩大。 目前的摩托车电喷系统仍然有一些技术细节有待进一步研究，其中比较复杂 的一个问题就是过渡工况空燃比的控制1 2 j 。在影响发动机性能的诸多因素中，空 燃比控制的精度占有重要地位，它与发动机的动力性、燃油经济性和排放性能有 非常密切的关系。稳态工况下，电控汽油机大多采用氧传感器空燃比反馈控制方 案( p i d 控制) ，可以很好的抑制空燃比的偏差；然而在快速过渡工况下，氧传 感器提供的严重滞后的空燃比信息不能用于反馈，所以电控系统在过渡工况时一 般采取开环控制策略，通常根据发动机节气门位置的变化情况和具体的工况参数 进行附加喷油或减少喷油。喷油量的多少是以达到理论空燃比为目标的，而在这 种过渡工况下进气系统内的气体流动情况会直接影响实际进入气缸的空气量。能 否准确计量实际进入气缸的空气量，从而准确地选取燃油补偿量决定了过渡工况 空燃比控制的精度。 要解决上述问题，必须弄清楚内燃机进排气系统内的气体流动状况。关于进 排气系统内气体流动的模拟计算研究多年来一直是国内外内燃机研究的重要课 题，其中比较成熟并且实际应用广泛的是一维非定常流动模型，针对这一模型各 国研究人员先后发展了特征线法、有限容积法等多种数值计算方法，并开发出相 应的计算软件，可以方便而快捷地解决实际应用问题p j 。 摩托车普遍采用的小型风冷汽油机，其进排气系统的结构明显区别于汽车发 动机，从而其进气特性也会有很大的不同，因而很多汽车发动机空燃比控制技术 的研究成果不能直接地移植到摩托车上来，所以我们有必要针对摩托车的进气特 性，针对摩托车电喷系统的开发来进行一些有意义的基础研究工作。本文的研究 第一章绪论 工作正是这一大框架下展开的。 1 2 汽油机空燃比控制的重要意义 汽油机正常工作时，首先要在气缸内形成一定浓度的可燃混合气，其浓稀程 度可以用空燃比表示。进入发动机气缸的可燃混合气中空气和燃油的质量比称为 空气燃料比，简称空燃比，用a f r 表示： 彳豫= 蔫震 燃油完全燃烧时所需的空燃比称为理论空燃比，因不同产地汽油的化学组份 有所不同而略有差别，大体上在1 4 5 1 5 3 ( k g 空气k g 汽油) 之间，一般取1 4 7 为理论空燃比的值，即完全燃烧一千克汽油需要1 4 7 千克的空气，此时的空气 量称为理论空气量。 空燃比与发动机的动力性，燃油经济性和排放性能有着密切的关系1 4 j ，由图 1 1 可知，火焰燃烧温度在a f = 1 2 - - 1 3 处出现最高值，此时，滞燃期最短，火 焰传播的平均速率最高，最高爆发压力达到最大值，使发动机发出最大功率，因 此该空燃比称为功率空燃比；而当空燃比在1 6 左右时，燃油燃烧完全，发动机 的燃油消耗率达到最低，此时的空燃比称为经济空燃比。发动机正常工作时的空 燃比一般介于功率空燃比和经济空燃比之间，可使发动机获得较好的性能。 ，、 蝴 - ， 麓 赠 毒i 鬟 o 燕绶搴 c 0 1 01 21 4i1 6l 量幻2 2m 空稿比 图1 1 空燃比对发动机性能的影响 2 j _ 毛 ： 占 z 嘲 姗 啪 吣 一 一 粥 。 +。t。-十上 期 锕 枷 枷 o 0 8 6 4 2 母一h旨u r1-j 瑚 撇 锻 第一章绪论 汽油机燃烧后排出的尾气成分，主要包括二氧化碳( c o d 、水蒸汽( h 2 0 ) 、 空气中不参与燃烧的氮气( n 2 ) 、剩余的氧( 0 2 ) 、汽油中的碳氢化合物( h c ) 、 不完全燃烧产生的一氧化碳( c o ) 以及在高温燃烧过程中产生的氮氧化物 ( n o x ) 。在上述排气成份中，对人体或大气有害的污染物主要是c o ，h c 和n o x 三种，这也是目前各国立法限制的有害气体排放物。由图l l 可知，当混合气浓 度低于理论空燃比时，排出的c o 浓度便急剧上升；反之，当大于理论空燃比时， c o 排放趋于稳定，并且数值很低。对于h c 的排放，当空燃比在1 7 以内随空燃 比的增大而减小，但混合气过稀时，由于燃烧不稳定甚至发生断火，又会迅速增 加。而n o x 的生成与两个因素有关：一是发动机的燃烧温度，一是混合气中氧 的含量。当发动机空燃比刚开始偏离理论空燃比变稀时，尽管燃烧温度下降不利 于n o x 的生成，但混合气中的氧含量的增加，却促成了n o x 的生成，此时后者 起主要作用，使n o x 的排放随空燃比的增大稍有上升；当空燃比继续变稀，偏 离理论空燃比较远时，燃烧温度的下降对n o x 生成的抑制作用开始占主导地位， 此时n o x 的排放随空燃比的增加而下降。其他因素，如点火提前角、配气相位、 发动机的结构和运转条件也会影响其污染物的排放。相比较而言，空燃比的影响 是最主要的。 面对日益严格的排放法规，仅仅靠改进内燃机本身的设计和优化其工作过程 是不能满足要求的。世界各国都先后开发了排气后处理技术，在不影响或很少影 响发动机其它性能的同时，来降低污染物的排放。三元催化转换器是降低发动机 有害排放h c 、c o 和n o x 的一种很有效的后处理装置，早已得到广泛的应用。 但是三元催化转换器的应用对发动机空燃比控制精度的要求很高。为了保证催化 转换装置的转化效率( 通常要求对三种有害排放物的转化效率不得低于8 0 ) 以 满足排放法规的要求，必须将发动机的空燃比控制在理论空燃比附近非常狭窄的 范围内，如图1 2 所示。通过增加空燃比波动的频率可以稍微提高催化转换器的 转换效率，8 0 转换窗口可以扩大到1 个空燃比1 4 j 。 目前，汽车发动机采用电喷系统精确控制空燃比，加三元催化转换装置，可 以把排放降到很低，甚至出现了零排放的车辆。而我国国内摩托车由于成本和技 术的限制，长期采用传统化油器发动机，面对越来越严格的排放法规限制，即使 在化油器发动机上加上尾气后处理技术，也只能暂时解决排放问题，不能提高车 辆性能，难以保证耐久性能纠。 把电控燃油喷射技术应用于摩托车，将从根本上提高摩托车排放水平、使发 动机保持在较低的燃油消耗率和良好的耐久性。借鉴已有的汽车电喷发动机技 术，将是现在研制摩托车电喷系统的必由之路。同样，汽车电喷系统空燃比控制 的理论和研究方法，对我们研究摩托车发动机空燃比控制策略也有着重要的指导 3 第一章绪论 意义。 ，_ 、 窖 、_ ， 鼍 凝 譬 j 拳 图l 一2 三元催化器转化效率与空燃比的关系 1 3 汽油机空燃比控制偏差产生的主要原因 1 3 1 稳态工况空燃比控制偏差 在发动机处于稳态工况时，空燃比偏差可以分为系统偏差和随机偏差两种类 型【6 l 。系统偏差的产生主要与发动机产品的制造公差、老化磨损和燃油品质情况 有关。由于发动机的喷油脉宽只是与标定试验时所用的发动机结构参数和燃油品 质相对应，因此当由于产品公差或老化磨损原因造成发动机的实际结构参数发生 改变，或者所用燃油品质发生变化时，若发动机仍按照原标定喷油m a p ( 喷油 控制预设参数表) 进行喷油，必然会使空燃比出现偏差。系统偏差的特点是其值 相对于目标空燃比的偏离方向是不变的。 空燃比随机偏差与发动机的工作情况密切相关，例如当发动机的传感器信号 由于受到电磁干扰而失真时，根据该信号计算得到的喷油量必然会偏离目标值， 造成空燃比偏差。随机空燃比偏差的特点是它的出现和相对于目标值的偏离方向 都是不确定的。 电控系统在稳态工况一般都采用开关型氧传感器( e g o ) 的空燃比闭环反馈 控制( p i d 调节) ，反馈控制能够同时消除稳态工况时的系统误差和随机误差。 而且，控制系统中加入自适应机制，可以利用稳态工况时氧传感器的反馈信号来 对稳态m a p 进行修正，这样就有效地减小了稳态工况时的系统误差。 4 第一章绪论 1 3 2 过渡工况空燃比控制偏差 首先说明一下对过渡工况的定义。广义的过渡工况可以包括：发动机的冷启 动、暖机过程、加速过程、减速过程和动态负荷等。而在汽油机空燃比控制这一 领域，多数人普遍将节气门位置的变化引起发动机转速和负荷的变化过程称作过 渡工况。本文所指的“过渡工况”即为后者。 稳态工况下，e g o 传感器空燃比反馈控制方案可以满足对空燃比控制精度 的要求。但是，过渡工况下很难使用空燃比反馈控制。因为真正进入汽缸的混合 气的空燃比要经过一定的延迟才能反映到氧传感器的测量输出，而且传统的p i d 反馈控制需要一定的调节时间，因此当发动机进行急加速或急减速时，空燃比反 馈控制方法无法满足过渡工况对控制响应速度的要求，必然造成较大的空燃比偏 差。因此汽油机电喷系统在过渡工况下一般采用开环控制策略，通常根据发动机 节气门位置的变化情况和具体的工况参数，对实际进气量进行判断，从而进行附 加喷油或减少喷油( 燃油补偿) ，所增减的燃油量通过大量的试验进行标定。 电控系统在过渡工况采用开环控制，所以发动机稳态工况的空燃比偏差因素 首先会反映出来，但这仅是过渡工况空燃比偏差产生的次要原因。前人研究表明， 造成发动机过渡工况空燃比控制偏差的主要原因包括以下几个方面l ，j ： 1 进气充排效应 在汽油机电喷系统中，空气流量的计量方法可以分为直接测量法和间接测量 法两种。直接测量法使用空气流量传感器直接测定空气流量，然后根据转速确定 每循环空气吸入量。空气流量计通常安装在节气门体之前，由空气流量计测量得 到进气量为节气门处的空气流量。间接测量法根据节气门位置或者进气管压力， 结合转速、进气温度、发动机温度等信息间接地确定循环进气量，即通常所说的 速度密度法和速度开度法。 当节气门打开时，节气门处迅速增加的进气流量首先需要填充进气管容积才 能到达进气阀，所以通过节气门的进气流量要大于实际进入缸内的进气流量。当 节气门关闭时，节气门处的进气流量要小于实际进入汽缸的进气流量。 对于进气道喷射系统( p i ) ，如果e c u 按照采用安装在节气门体之前的空气 流量计或者采用速度开度法测量得到的进气流量来计算喷油量，就会造成空燃 比控制的偏差。和气道喷射系统相匹配的进气计量方法是速度一密度法。 对于单点电喷系统( c f i ) ，燃油喷射在节气门板之前，所以为避免进气效应 的影响，和单点喷射系统相匹配的是速度开度法和进气流量计直接测量法。采 用速度密度法必然会造成空燃比控制的偏差。 对于摩托车，由于空间的严格限制，摩托车发动机一般没有进气稳压腔，进 5 第一章绪论 气管和进气道的容积非常小，所以节气门位置的变化会迅速引起进入气缸的空气 流量的变化。也就是说，进气充排的影响可能会相对较小。 2 进气道燃油传输特性( 油膜效应) 对于汽油缸外喷射系统( 指单点喷射和多点喷射系统，以区别于缸内直喷系 统) ，在进气管或者进气道壁面会附着一层油膜。油膜的作用类似于一个“电容 器”，当发动机节气门快速打开时，喷油量增加，此时进入油膜的燃油量大于 从油膜蒸发的燃油量，所以真正进入汽缸的燃油量小于喷油器喷射的燃油量，这 样会造成空燃比稀的偏差。相似地，当节气门快速关闭时，真正进入气缸的燃油 量大于喷油器喷射的燃油量，造成发动机守燃比浓的偏差。也就是说，进气道油 膜的存在使发动机的燃油供应产生了“滞后”。 3 进气量测量采样之后节气门位置的快速运动问题 汽油机电喷系统通常采用定相位采样的方式，即对于每一缸，e c u 每循环 在固定的相位对各种传感器进行采样，然后根据这些采样值来确定下一次的燃油 喷射量。进气道喷射系统的喷油相位通常选取在进气阀关闭时刻，以获得良好的 油气预混效果。进气道喷射系统典型的工作相位示意图如图l - 3 。可以清楚地看 出，真正的进气过程在进气量测量采样点之后才会发生。在这段时间内，节气门 位置可能已经发生了明显的变化，所以发动机真正的循环进气量和e c u 采样值 计算出来的循环进气量之间会出现偏差。当节气门快速打开时，实际进气量会大 于e c u 计算的值，空燃比会产生稀的偏差；节气门快速关闭时，空燃比会产生 浓的偏差。 相对于汽车发动机，摩托车发动机的这个问题对过渡工况空燃比控制的影响 可能会更大。因为摩托车油门把手的操作非常快，而且使用频繁。 进气量测量采样点 i 喷油日撅i 译气- 】升居迸气r 丁升居 jij。 +_ r 1l_ ，y ai o ll1 0 。 1 8 0 。3 6 0 。 5 4 0 。 7 2 0 。曲轴转角 图1 3 电喷系统e c u 工作方式示意图 除了以上三个主要因素，研究还表明空气流量传感器和进气压力传感器的响 应滞后、进气回流现象8 1 等问题，也会造成过渡工况空燃比控制的偏差。但是这 些因素的影响相对较小。 6 第一章绪论 综上所述，对于摩托车电喷系统过渡工况空燃比控制精度影响最大的因素主 要是进气道燃油传输特性和节气门的快速运动问题。节气门快速运动时进气系统 气体流动的响应情况以及此时进入气缸的实际进气量是本文所要研究的重要内 容。 1 4 本研究的意义和主要工作 1 4 1 本研究的意义 本研究的意义主要包括两个方面： 一、摩托车电喷系统的开发需要我们对小型汽油机开展大量的基础性研究 中小排量的摩托车普遍采用小型风冷汽油机。和汽车发动机相比，单缸风冷 汽油机有着自身的特点：结构简单、空间紧凑、成本低、转速高、发动机工作温 度高、自然风冷却条件不稳定。这些特点使得： ( 1 ) 发动机进气腔内压力在每个循环内的波动很大，造成不论采取哪种进 气计量方式都不能得到很高的精度； ( 2 ) 发动机加减速时节气门运动非常快，影响发动机进气量测量精度； ( 3 ) 进气道油膜参数和发动机运行参数之间的关系复杂，确定过渡工况油 膜补偿量比较困难。 所以，小型风冷汽油机过渡工况空燃比控制特性会和汽车发动机有明显的区 别，很多汽车发动机空燃比控制技术的研究成果不能直接地移植到摩托车上来。 我们只有对小型汽油机开展大量的基础性研究工作，深入了解造成发动机过渡工 况空燃比控制偏差的各种原因及其变化规律并采取有针对性的补偿策略，才能有 效地提高摩托车电喷系统对发动机空燃比控制的精度，才能真正发挥电喷系统在 降低有害排放和提高燃油经济性方面的潜力。 二、本研究对基于模型的过渡工况空燃比控制方法在摩托车电喷系统中应用 的进行初步探索 目前的汽油机电喷系统在过渡工况下的开环控制策吲9 】【1 0 】，通常根据发动机 节气门位置的变化情况和具体的工况参数进行附加喷油或减少喷油来补偿由进 气道油膜和进气量测量误差造成的空燃比控制偏差，所增减的燃油量通过试验进 行标定，以修正表格的形式存储在e c u 中。采用上述方案需要事先作大量的标 定试验，空燃比的控制精度完全依赖于标定试验的精度，而实际上很多特殊工况 和过渡工况标定实验无法覆盖。 7 第一章绪论 事实上以达到理论空燃比为目的，喷油量很大程度上是取决于实际迸气量 的，如果能较为准确的确定某些实验不能达到的特殊工况和过渡工况下的的实际 进气量，对于确定所增减的喷油量将具有指导意义，可以简化并修正标定试验， 并填补标定试验不能达到的空缺部分。 1 4 2 本研究的主要工作 本研究主要针对影响电喷系统过渡工况空燃比控制精度的一个主要问题 进气系统的进气特性进行了建立模型模拟计算研究。 本文的主要工作包括： ( 1 ) 对摩托车发动机迸气系统的进气特性进行实验研究，明确其特征和基 本规律，找出要解决的关键问题，为理论研究指明方向； ( 2 ) 从气体动力学的角度出发，系统地研究内燃机进排气系统气体压力波 动模拟计算的几种理论，为针对实际问题的研究奠定理论基础。 ( 3 ) 用g t - p o w e r 软件建立c g l 2 5 摩托车发动机模型，在确定其能够准确 模拟稳态工况各项指标的基础上，针对一些实验不能达到的特殊工况和过渡工况 模拟计算其进气量，从而为制定e c u 控制策略提供参考依据。 8 第二章摩托车发动机进气特性和进气测量方法 第二章摩托车发动机进气特性和进气测量方法 发动机的进气量是电控系统根据发动机的工作需要控制喷油量的主要依据。 e c u 根据输入的空气流量信息，输出相应信号控制喷油量，实现空气量和汽油量 的最佳混合比控制。由此可见，准确、及时地计量摩托车发动机各工况下的空气 流量是精确控制空燃比的基础。而摩托车的进排气系统从结构上明显区别于汽 车，其进气特性和进气测量方法也呈现出明显区别。 2 1 摩托车发动机进气特性的实验研究 为了减小进气管的进气充排效应，保证油门变化时发动机进气量的变化能快 速跟上，摩托车发动机的进气系统非常紧凑，与汽车多缸发动机的进气系统有显 著区别，如图2 1 。 -i 空滤器 l 单缸 发动机 图2 1 摩托车发动机与汽车发动机进气系统比较 汽车发动机中，由于几个进气歧管共用一个稳压腔，压力波动会被稳压腔平 抑。摩托车多采用单缸发动机，没有进气稳压腔，节气门体距离进气门很近。摩 托车发动机中进气管和进气道的总容积与发动机的工作容积大小相当，每循环进 气管中压力波动很大。下面以我国摩托车中最具有代表性的1 2 5 m l 发动机作为 研究对象，在节气门后的进气管中加装一个压力传感器，对摩托车发动机的进气 特性加以研究。图2 2 为本文所研究的装有f a i 电喷系鲥1 1j 的钱江c g l 2 5 型( 具 9 第二章摩托车发动机进气特性和进气测量方法 体型号为1 5 7 f m i ) 发动机在稳定转速下，随节气门开度不同时进气管内的压力 曲线。图中t p 表示节气门的开度，其数值越大，表示节气门开的越大，t p 0 为 怠速位置，t p l 6 为节气门全开。 a ) 3 0 0 0 r m i n b ) 8 5 0 0 r m i n 图2 - 2 进气管内的压力波形 从图中可见，进气管中存在明显的压力波动。特别是在高转速大负荷，进气 脉动十分强烈，图b ) 8 5 0 0 r m i n 比图a ) 3 0 0 0 r m i n 节气门全开( t p l 6 ) 时，压力 1 0 第二章摩托车发动机进气特性和进气测晕方法 波动大得多。在中等负荷( 如t p l 0 ) 时，进气结束后进气管内压力回复较快， 有较长一段时间接近于大气压力，波动趋于平稳。在较低负荷( 如t p 6 ) 进气结 束后，进气管压力慢慢回复到大气压力。从图a ) 中可以看出，较低转速 ( 3 0 0 0 r m i n ) ，节气门在怠速位置时，还存在着明显的进气回流现象。 摩托车进气管中的压力波动是由发动机的进气方式决定的，在吸气冲程，进 气门打开、气缸向下运动，相当于一个高速抽气泵从进气管内吸气，当吸气流量 大于从节气门流入进气管的进气流量时，进气管内气压下降；当进气流量大于吸 气流量时，进气管内气压上升。而当高转速节气门全开时，进气管中气流量达到 最大，气体压力波自皈射叠加作用更为明显，造成了强烈的压力脉动。由于没有 进气稳压腔，因此摩托车发动机进气管内存在的压力波动是无法抑制的。 在测得1 5 7 f m i 发动机不同转速和节气门开度下进气管压力波形后，对每一 个节气门级别下的波动的进气压力求取平均值，如图2 3 ，而实验测得相应转速 和节气门开度对应的循环进气质量如图2 - 4 ，做出平均进气压力对应的循环进气 质量图，如图2 5 。 比较2 3 、2 4 两图可以看出，1 5 7 f m i 发动机在中等负荷( 如t p 8 ) 和大负 荷之间( 如t p l 6 ) ，迸气量变化很大，而循环平均压力变化很小。若以平均压 力计算发动机的循环进气量，则会存在严重的非线性区域，如图2 5 所示，计算 得到的进气量必然存在较大误差。这个误差在某些工况点对发动机运转条件非常 敏感，即使进行多次重复标定也不可能完全消除。所以在摩托车发动机进气系统 中，不能够以进气管的平均压力来反映进气量。 图2 3 不同节气门开度所对应的进气平均压力 第二章摩托车发动机进气特性和进气测簧方法 图2 - 4 不同节气门开度所对应的循环进气量 图2 5 循环进气量和循环平均进气压力关系图 2 2 汽油机进气测量方法 在研究摩托车发动机进气测量方法前，简要介绍一下汽油机电控系统中用到 的几种典型进气测量方法。 2 2 1 直接测量方式 直接测量方式就是使用空气流量传感器直接测定发动机的进气量，然后根据 转速确定每循环空气吸入量。直接测量方式中采用的传感器有叶片式传感器、卡 1 2 第二章摩托车发动机进气特性和进气测量方法 门涡式传感器以及热线和热膜式传感器等1 1 2 1 。 叶片式空气流量计，图2 6 所示，主要由叶片、回位弹簧和电位计组成。经 由滤清器吸入的空气冲击叶片，使之绕轴转动，旋转轴上安装有螺旋状回位弹 簧，当吸入空气作用于叶片上的力与回位弹簧的回位力平衡时，叶片静止不动， 即叶片的开度与吸入空气量成正比。 叶片式空气流量计结构简单，测量精度较高，但有一定进气阻力，且容易磨 损。由于测量板( 叶片) 的惯性作用，加减速时响应时间较长，常有滞后，并且它 测量的不是真实的空气质量流量，而是空气流速，因而要对大气压力和温度的变 化进行修正。 卡门涡式流量计是以卡门涡物理现象为基础，利用流体因附面层的分离作用 而交替产生一种自然振荡分离型旋涡( 卡门涡) 的原理来测量气体的流速，并通过 流速的测量直接反映出空气的流量，图2 7 所示。 卡门涡流式流量计测量精度高，测量范围广，响应速度在几种流量计中是最 快的，几乎能同步反映出空气流速的变化。由于发动机启动时空气流量变化大， 涡流不能稳定，必须设计固定的频率，控制此时的空燃比。 图2 - 6 叶片式空气流量计 图2 7 卡门涡式空气流量计 l 涡流发生体2 超声波发生器 3 旋涡4 超声波接收器 1 3 f ， 舡4 k - ， 扣书岁一 l f ， 图2 8 热线式空气流量计 l 进气2 放大器3 输出信号 r h 热线r c 一冷线 第二章摩托车发动机进气特性和进气测量方法 热线式空气流量计的工作原理应用了发热体和空气之间的热传导现象。采用 可加热的铂丝装在进气歧管内，被加热的铂丝( 热线) 是惠斯登桥形电路的一个 臂，功率放大器控制供给电桥4 个臂的电流，使电桥平衡。当空气通过流量计时， 热线被冷却，温度下降，其电阻值随之减小，电桥失去平衡。此时放大器会自动 增加供给热线的电流，使热线恢复原来的温度和电阻值，直至电桥恢复平衡，这 就提供了空气流量和加热电流之间的函数关系，图2 8 所示。热膜式空气流量计 的测量原理和热线式空气流量计基本相同，只是它的测量元件为板式。 热线( 膜) 式空气流量计可以直接测得进气的质量流量，无需温度和大气压力 补偿；由于没有运动件，进气阻力小，响应性较好，能在几毫秒内反映出空气流 量的变化，但容易受到进气管内不规则流动所造成的进气脉动的影响，同时也容 易受到进气的污染，所以在发动机起动时，需要瞬间加热热线( 膜) ，烧掉上面 的污染物。 为了提高进气流量计量的准确性，汽车用汽油机电喷系统中的空气流量传感 器的性能有着严格的要求：空气流量检测范围6 - - 一6 0 0 k g h ，测量精度在2 以 内。 2 2 2 间接测量方式 所谓间接测量方式，是根据发动机进气管压力或节气门位置，结合转速、进 气温度等参数确定进气量的方式。 1 速度一密度法 速度一密度法( p n 法) 是目前绝大部分汽车发动机使用的进气量测量方法。 速度一密度法通过发动机转速和进气管压力推算出每一循环的吸入空气量。在汽 车发动机中，由于进气稳压腔的存在，管内绝对压力在很大程度上代表了进气门 前的空气密度，所以习惯上把利用进气管绝对压力和转速确定循环进气量的方法 称作速度一密度法。只要进气管绝对压力波动比较小，就可以利用节气门全开时 的充气系数和实测的进气管绝对压力等参数来计算发动机进气量，公式如下： 薏 ( 2 - 1 ) 式中，发动机每循环进气量：圪发动机的排量；行发动机的转 速；仉发动机的充气效率；进气管内的绝对压力；k 进气管 内的气体温度；r 气体常数。 发动机的充气系数仉是进气管绝对压力和转速刀的函数， 1 4 第二章摩托车发动机进气特性和进气测量方法 仉= 厂( p u ，西，需要通过试验进行标定。 2 节气门密度法 节气门一密度法测量的是节气门处的进气流量，主要是针对单点喷射( c f l ) 发动机制定的。节气门一密度法根据发动机节气门模型，计算通过节气门进入进 气管内的气体流量。该方法将气体流过节气门的过程简化为可压缩流体通过一个 可变面积喷嘴的过程，其流量可由如下方程求解： 梳= v h - , l f l i ) 及皿瑚m f o 帆。二c蟹p,b、2k(k-1) 届似) = 1 一c o s ( 口一a o ) 履( ) = 若只( 矗) 酉 ，否则 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 式中，c 节气门的流通系数；d 节气门板的直径，吒o 旁通空气质 量流，为常数；屈似) 与节气门开度有关的的流通面积修正系数；屈( ) 反 映的是节气门板前后压差不同时，空气质量流速的变化；= 。 3 节气门速度法 节气门一速度法( 口一刀法) 利用节气门开度( 口) 和发动机转速( 疗) 来 推算出每一循环发动机的喷油量。节气门一速度法与发动机的工况定义完全一 致，因此理论上可以适用于稳态和任何变工况。在发动机工作过程中，只要工况 稳定，负荷就不会改变，因此喷油量也是定值。只需事先建立在发动机工作范围 内口、”所对应的喷油量的二维表，然后直接通过查表求得，即： m 咐= 歹心，确 ( 2 6 ) 式中，发动机喷油量； f ( a ，哟喷油量二维表格对应值。 节气门速度法不能够反映大气压力和温度的变化对进气量的影响，因此必 1 5 第二章摩托车发动机进气特性和进气测量方法 须利用温度传感器和大气压力传感器( 或海拔修正方法) 来进行适当的修正。为 了降低成本，通常大气压力传感器都集成在e c u 电路板上。 2 3 摩托车发动机进气测量方法 只有少数大排量摩托车发动机采用空气流量计测量进气量，对于中小排量的 摩托车发动机，采用空气流量计则会出现多种问题。 ( 1 ) 流量计量程不够。以1 2 5 m l 摩托车为例，其空气流量范围在1 - - - 4 0 k g h ， 远小于汽车发动机所用的量程，这意味着汽车用空气流量传感器不能满足摩托车 的要求，必须开发摩托车专用的空气流量计。 ( 2 ) 目前使用的热线或热膜式空气流量计很容易受到污染的影响，而摩托 车有时行驶条件非常恶劣，无法满足传感器工作所需的条件，导致传感器出现测 量误差或损坏。 ( 3 ) 空气流量传感器价格相对较高，增加了摩托车的成本。 ( 4 ) 过渡工况响应性差，不能满足发动机控制灵敏性的需要；需要借助其 他传感器信号进行修正。 根据前文实验数据分析可知平均压力在中高负荷下对发动机循环进气量的 分辨率极低，并且在汽车发动机进气测量中普遍采用的速度一密度法公式适用的 前提是进气管绝对压力在一个循环内波动比较小，从而发动机的充气效率不随进 气管绝对压力而改变，因此采用对摩托车进气压力取平均的速度一密度法精度不 会很高。同时，采用平均压力也会带来对发动机进气量测量的延迟，使电喷系统 对发动机的进气量变化的响应变差，这是影响过渡工况空燃比控制的因素之一， 同时也会影响摩托车的操控灵敏性。 节气门一速度法是我国目前摩托车电喷系统中普遍采用的进气测量方法，其 优点和缺点都很突出l l 引。 节气门速度法的优点是成本低、过渡工况响应优越。在表示发动机运转状 态的各参数中，利用节气门开度能最快地检测出加减速情况，并且节气门位置 信号不受压力波动影响，可以提供节气门位置和节气门变化率等驾驶信息。另外， 节气门位置传感器结构简单，可靠性和精度高，不需要外围电路，在摩托车上安 装方便，可得到大范围下的动态输出，满足摩托车对传感器部件简单、小型、轻 型化的要求。 节气门速度法的缺点也很明显： ( 1 ) 节气门开度与发动机的进气量在不同转速下的大小关系不同，如图2 9 所示为1 5 7 f m i 发动机上的实测结果。在低转速小开度时，进气量对节气门开度 1 6 第二章摩托车发动机进气特性和进气测量方法 非常敏感，进气量曲线起始段斜率很大，对节气门位置较小的测量误差就会引起 迸气量较大的计算误差，因此不得不在小负荷时使发动机工作在较浓的混合气 下。 ( 2 ) 节气门速度法要求发动机有很高的一致性，尤其是进气管和节气门 体的加工一致性，否则发动机之间的差异和发动机老化、磨损引起的负荷差异将 不能被检测出来，直接导致排放和油耗的恶化。 ( 3 ) 节气门速度法不能反映温度和大气压力的变化对进气量的影响。因 此需要利用温度传感器和大气压力传感器( 或海拔修正方法) 来进行适当的修正。 通过以上分析可知，虽然速度密度法是对进气更为直接的测量( 进气压力) ， 能更好地适应由各种不确定因素引起的负荷变化，但只适用进气压力波动不大的 汽车发动机中。对于进气腔压力波动很大并且需要对过渡工况快速响应能力的单 缸摩托车发动机来说，反而优势不如节气门一速度法明显。 图2 - 91 5 7 f m i 发动机节气门开度与发动机循环进气量的关系 考虑到成本和其对过渡工况的高度响应能力，目前节气门速度法在我国现 阶段摩托车电控系统开发中仍是进气量测量的首选。为了弥补节气门谜度法存 在的不足，可以采用下述措施提高其计量精度。 ( 1 ) 增加采集节气门位置信号的a d 传感器的位数，提高小开度时对节气 门位置的分辨率，尽可能地减少小开度进气量的确定误差。 ( 2 ) 利用氧传感器闭环反馈的自适应功能，对系统中由口、刀确定的喷油 量表格进行适当的调整，从而克服发动机生产，特别是进气系统制造上的产品的 不一致性和产品老化等不利因素。 ( 3 ) 摩托车应用节气门一速度法的难点在于小负荷时，对节气门开度与对 1 7 第二章摩托车发动机进气特性和进气测量方法 应进气量的处理。硬件的能力总是有限的，只能通过软件算法重新对节气门位置 信号进行处理，例如在节气门小开度时增加口、, 确定的基本喷油量二维表的密 度，从软件上使节气门采样值与进气量成一定线性关系。为了保证小负荷的精度， 可以同时选择时间常数比较大的迸气压力传感器，在较少增加成本的同时，对发 动机的怠速进气量进行准确判断。 2 4 摩托车发动机过渡工况进气测量 摩托车在行驶时，一般驾驶者手把油门操作加减速非常快( 油门全关到全开 最快可达l o o m s ) ，并且使用频繁，因此要求电喷系统对发动机进气量变化响应 灵敏。 摩托车发动机进气管内充排现象并不明显，节气门一有动作，进气管中的压 力立即随之改变，直接影响了进气门打开时发动机的进气量。试分析在某一转速 时，在一个工作循环中节气门位置快速发生变化，随节气门开始变化的曲轴转角 位置不同，对循环进气量的影响也会有所不同。若节气门在进气结束时突然打开， 不会影响此循环的进气量，而进气门关闭后，由于进气过程中抽吸的作用，进气 管内压力小于大气压，压差的存在使空气通过节气门流入进气管中，节气门打开， 流通面积加大，进气管内压力则较上个循环升高得快。若节气门在进气过程中突 然打开，流通面积的加大，立刻对进气产生了影响，此时进气量较上个循环会增 加。若节气门在上个循环的排气冲程或做功冲程时就突然开启，此循环的进气量 较上个循环会增加更多。这一问题我们将在第四章通过所建立的发动机模型进行 模拟计算来具体说明。 为了保证喷射燃油的雾化效果，降低发动机的排放污染，电喷系统通常采用 闭阀( 进气门关闭) 喷射，若在根据口一以计算出喷油量- 燃油喷射_ 进气门打 开叶进气门关闭这个过程中，节气门的位置不发生变化，则不会出现进气测量的 问题，这里忽略了发动机转速变化的影响，但是通过上面的分析可知若上述环节 处于节气门运动过程中，该怎样确定发动机的进气量，必须认真考虑。 由于节气门运动过程中迸气量的测量误差不可避免，在一部分汽车发动机中 已经采用了电子节气门( e t c ) 技术【1 4 】，使节气门的运动过程可预测。由于成本， 及e t c 运动延迟时间的限制，目前，在低成本的摩托车电喷系统中还无法实现 e t c 控制方式。 本文将通过建立摩托车发动机模型，模拟计算过渡工况下，即节气门快速变 化时进气量所产生的变化，从而在e c u 控制策略中，针对实际进气量与进气量采 样值偏差较大的工况进行喷油补偿修正。 1 5 第三章摩托车发动机进气特性的理论研究 第三章摩托车发动机进气特性的理论研究 3 1 内燃机工作循环的换气过程悯 在内燃机工作的充量更换阶段，即从排气门开启到进气门关闭的整个