2003年10月(SAEC2003P007)汽車工程(增刊)電控噴射乙醇燃料在火花點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用研究劉志敏鄧寶清陳慶海王惠萍劉巽俊祖英利李理光吉林大學(xué)上海交通大學(xué)摘要]本文介紹了電控噴射汽油摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)改造為電控噴射乙醇摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的手段,以及試驗(yàn)臺(tái)上數(shù)據(jù)的在線采集及發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)控制系統(tǒng)的原理、組成及其應(yīng)用。該在線測(cè)控系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集,實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)保存,試驗(yàn)曲線實(shí)時(shí)監(jiān)控和發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的實(shí)時(shí)控制功能。并對(duì)電控噴射125mL汽油機(jī)和乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)的過量空氣系數(shù)和點(diǎn)火提前角與動(dòng)力性能、排放性能之間的關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)研究。指出了影響乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)排放的這些敏感參數(shù)的合理取值范圍,可作為乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)匹配的參考。驗(yàn)證了發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒乙醇燃料可降低NOx排放濃度的事實(shí)。關(guān)鍵詞:電控噴射乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)汽油機(jī)測(cè)量與控制A Study of Ethanol Fuel Application on the Electronic Fuel Injection SI EngineLiu Zhimin, Deng Baoqing, Chen Qinghai, Wang Huiping, Liu Xunjun, Zu Liying, Li LiguangJilin University, Shanghai Jiaotong University[Abstract] The measurement is introduced about the using ethanol fuel on the electronic gasoline injectiengine. Principle and application of On-line Measure and On-line Control(OMOC) system for a small sparkignition engine are presented. OMOC system has the functions as data sampling, saving, on-line monitoring andcontrolling. Effects of excess air ratio a and ignition timing 8 on CO, HC and NOx emissions from a 125 mLgasoline and ethanol engine with electronic controlled fuel injection were studied experimentally. It is proved thatethanol engine emits less NOx than equivalent gasoline engine. Relatively optimal ranges of a and etolower emissions from ethanol engine were proposed which is useful to parameter matching of ethanol engine.Key words: electronic controlled injection ethanol engine gasoline enginesignal measurement1引言隨著排放法規(guī)的不斷嚴(yán)格和電子技術(shù)的迅速發(fā)展,汽油機(jī)電控技術(shù)取得了顯著的進(jìn)步,作為一種成熟技術(shù)已在汽車工業(yè)中建立了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。電控噴射系統(tǒng)能有效地改善發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放指標(biāo)也是迄今為止實(shí)現(xiàn)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)高效燃燒、清潔排放最有效、最簡(jiǎn)捷的途徑之一。電控發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)信號(hào)都是由傳感器輸入到ECU,再由ECU發(fā)送給噴油器、點(diǎn)火線圈等執(zhí)行部件。電控程序一般都在生產(chǎn)過程中固化在ECU中,在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中很難進(jìn)行外部千預(yù)。而燃用乙醇燃料后必須調(diào)整噴油脈寬和點(diǎn)火提前角,否則使用汽油機(jī)的點(diǎn)火和噴油MAP難以使發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)中國(guó)煤化工狀況,為研究電控噴射乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)性能,開發(fā)了一套可以測(cè)量電控發(fā)動(dòng)機(jī)各種CNMHG信號(hào)進(jìn)行控制的在線測(cè)量及控制系統(tǒng),簡(jiǎn)稱在線測(cè)控系統(tǒng)汽車工程(增刊)2003年10月SAEC2003P007)2試驗(yàn)方法與儀器設(shè)備試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)是125mL四沖程單缸風(fēng)冷進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)。燃燒乙醇時(shí)將汽油取出,加入乙醇即可使用(僅作研究用)。汽油機(jī)技術(shù)參數(shù)見表1。試驗(yàn)用主要測(cè)試儀表見表2。試驗(yàn)中燃料噴射量、點(diǎn)火提前角和噴油提前角是利用自行開發(fā)設(shè)計(jì)的在線測(cè)控系統(tǒng),通過計(jì)算機(jī)輸入控制信號(hào)完成的。表1汽油機(jī)技術(shù)參數(shù)表排量/mLS/mm(Pe/kW)/(np/r. min)Tto/N. m/nT/r. min12449555968007/8000點(diǎn)火提前角:13°A~32°CA點(diǎn)火方式:電子控制(DC-CDI)表2主要測(cè)試儀器器名稱型號(hào)cW-10洛陽南峰廢氣分析儀FGA4015廣東佛山3在線測(cè)控系統(tǒng)的原理及組成23.1在線測(cè)控系統(tǒng)的原理試驗(yàn)使用的電控發(fā)動(dòng)機(jī),采用進(jìn)氣道噴射方式。原機(jī)ECU通過采集磁電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)(兼作曲軸位置信號(hào)),節(jié)氣門開度信號(hào),缸溫信號(hào),空溫信號(hào),輸出控制噴油信號(hào),點(diǎn)火信號(hào)試驗(yàn)中為了使原電控機(jī)燃用乙醇,并為以后開發(fā)乙醇ECU制取MAP圖。因此利用原機(jī)ECU,通過在線測(cè)控系統(tǒng),截取原機(jī)ECU的噴油信號(hào)和點(diǎn)火信號(hào),并通過控制系統(tǒng)輸出需要的目標(biāo)噴油信號(hào)及點(diǎn)火信號(hào),從而達(dá)到燃用乙醇的目的,其原理如圖1。3.2在線測(cè)控系統(tǒng)的功能及組成在線測(cè)控系統(tǒng)主要功能有:實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集,實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)保存,試驗(yàn)曲線實(shí)時(shí)監(jiān)控和發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的實(shí)時(shí)控制功能。在線測(cè)控系統(tǒng)通過下位機(jī)系統(tǒng)(80C196KB系統(tǒng)和信號(hào)處理電路)采集發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào),節(jié)氣門開度信號(hào),缸溫信號(hào),空溫信號(hào),以及原汽油機(jī)ECU發(fā)出的噴油信號(hào)和點(diǎn)火信號(hào),監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)。下位機(jī)通過串行接口與上位機(jī)(PC)通訊。通過上位機(jī)友好程序界面控制下位機(jī)發(fā)送噴油信號(hào)至噴油器,點(diǎn)火信號(hào)至點(diǎn)火器,從而完成了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)參數(shù)的測(cè)量與控制過程。測(cè)控系統(tǒng)還可以保存試驗(yàn)過程中所有采集到的數(shù)據(jù),并可以曲線方式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、扭矩、節(jié)氣門開度等參數(shù)。在線測(cè)控系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)處理板、80C196KB系統(tǒng)板、噴油器及點(diǎn)火器信號(hào)驅(qū)動(dòng)板、PC機(jī)、上位機(jī)及下位機(jī)測(cè)控程序組成(如圖2)下位機(jī)程序釆用匯編語言編寫,上位機(jī)程序采用ⅴC++6.0編寫,程序界面如圖3。3.3電控乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)與汽油機(jī)的動(dòng)力性對(duì)比圖4為乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)和汽油機(jī)全負(fù)荷轉(zhuǎn)矩變化率m隨過量空氣系數(shù)da的變化曲線。從圖中可見,汽油機(jī)最大轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)在φa=0.85附近;乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)在φa=0.95附近。隨著φa的加大,汽油機(jī)的轉(zhuǎn)矩下降比乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩下降的快。這說明保證同等轉(zhuǎn)矩下降率的條件下,乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)可以比汽油機(jī)燃燒更稀的混合氣,也就是說在同樣的空燃比波動(dòng)率下,"V凵中國(guó)煤化工汽油機(jī)小,運(yùn)轉(zhuǎn)更穩(wěn)定CNMHG圖5為乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)和汽油機(jī)全負(fù)荷轉(zhuǎn)矩變化率dm隨點(diǎn)火提前角6的變化曲線。從圖中可見,兩種發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩隨點(diǎn)火提前角的變化規(guī)律一致,但汽油機(jī)對(duì)θ更敏感些。為維持發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性,點(diǎn)火提前角不宜偏離最佳點(diǎn)火提前角過遠(yuǎn)。2003年10月(SAEC2003P007)汽車工程(增刊)114電控乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)與汽油機(jī)的排放性對(duì)比4.1HC排放對(duì)比節(jié)氣門開度傳感器噴油信號(hào)轉(zhuǎn)速傳感器噴油器c噴油信號(hào)輸出控制點(diǎn)缸溫傳感器U點(diǎn)火信號(hào)輸出火信號(hào)DC-CDI空溫傳感器點(diǎn)火模塊圖1乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)電控原理圖PC機(jī)標(biāo)定系統(tǒng)COM2 COMIFGA廢氣分析儀原機(jī)ECU噴油信號(hào)輸出0~12V數(shù)字量HSL.原機(jī)ECU點(diǎn)火信號(hào)輸出0~5V數(shù)字量HSI. 3節(jié)氣門開度傳感器0~5V模擬量AD O轉(zhuǎn)速傳感器周期正弦波缸溫傳感器0~5V模擬量信號(hào)處理板系統(tǒng)板ISI.28MHZ空溫傳感器0~5V模擬量AD 2測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)0~8V數(shù)字量測(cè)功機(jī)扭矩信號(hào)0~V模擬量AD. 3HSO.0 HSO.噴油器噴油驅(qū)動(dòng)DC-CDI點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)圖2控制系統(tǒng)組成圖中國(guó)煤化工CNMHG圖3程序界面汽車工程(增刊)2003年10月(SAEC2003P007):7000r/min full load,85·EE中a=1Gφa=0.87400.70.80.911.11.21.31.41.5有火提前角8/℃A圖4轉(zhuǎn)矩變化率φm與過量空氣系數(shù)φa的關(guān)系圖5轉(zhuǎn)矩變化率中mq與相對(duì)點(diǎn)火提前角的關(guān)系08-5full loadE7000r/min Full load魯E中a=0.95D G7000r/min Full loadCG中a=0.87120-15-10-50510152025相對(duì)最佳點(diǎn)火提前角變化盤A日/℃A圖6HC排放與過量空氣系數(shù)Φa的關(guān)系圖7HC排放與點(diǎn)火提前角的關(guān)系圖6是乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)和汽油發(fā)動(dòng)機(jī)在不同負(fù)荷下最佳點(diǎn)火提前角時(shí)的HC排放體積分?jǐn)?shù)ΦBc隨過量空氣系數(shù)φa的變化曲線(圖標(biāo)中E代表乙醇,G代表汽油,以下各圖相同)。由圖6中可以看出,當(dāng)a=0913之間時(shí),乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)的HC排放變化比汽油機(jī)小,并且變化量不大。這是因?yàn)槿剂吓c空氣混合比適當(dāng),火焰?zhèn)鞑ケ容^穩(wěn)定,可以使混合氣能夠更完全地燃燒,因此HC排放低。當(dāng)φa<1時(shí),乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)的HC排放比汽油機(jī)低。φa<0.85時(shí),兩種發(fā)動(dòng)機(jī)都存在由于混合氣過濃,一部分燃料無法參與燃燒而直接排入大氣導(dǎo)致HC排放惡化,并隨Φa進(jìn)一步降低HC排放惡化加速的現(xiàn)象。當(dāng)φa1.3時(shí),兩種發(fā)動(dòng)機(jī)的HC排放上升速率很快(汽油機(jī)比乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)更快些),這是因?yàn)榛旌蠚膺^稀,燃燒不穩(wěn)定和失火率增加所致圖7是乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)和汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的HC排放體積分?jǐn)?shù)ΦC隨點(diǎn)火提前角θ的變化曲線。由圖7中可以看出,隨著點(diǎn)火提前角的減小,不同燃料、不同過量空氣系數(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)的HC排放都降低。這是因?yàn)?推遲點(diǎn)火使燃燒拖后,排氣溫度升高,燃燒不徹底的燃料在排氣管中繼續(xù)進(jìn)行氧化反應(yīng),降低了HC排放濃度。當(dāng)小于最佳點(diǎn)火提前角(7000min時(shí),汽油機(jī)最佳點(diǎn)火提前角為34℃A,乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)最佳點(diǎn)火提前角為38℃A左右)以后,汽油機(jī)HC下降速度比乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)快。從分析對(duì)比可見,乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)比汽油機(jī)具有更寬的穩(wěn)定低HC排放的空燃比范圍。從降低HC排放出發(fā)燃用乙醇更容易匹配空燃比,控制Φa的范圍應(yīng)當(dāng)是085~13:汽油機(jī)Φa范圍應(yīng)當(dāng)是095~1.3。但僅從最低HC排放考慮,燃用乙醇與燃用汽油相比沒有優(yōu)勢(shì)。減小點(diǎn)火提前角,可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)的HC排放。4.2CO排放Or/ain Full loadOr/min 50 loadOr/ain Full load中國(guó)煤化工CNMHG圖8CO排放與過量空氣系數(shù)Φa的關(guān)系圖9CO排放與點(diǎn)火提前角的關(guān)系圖8是兩種燃料發(fā)動(dòng)機(jī)CO排放體積分?jǐn)?shù)中co與過量空氣系數(shù)a的變化曲線?？梢?在濃混合氣時(shí)CO的濃度大,并且隨著混合氣的濃度增加兩種發(fā)動(dòng)機(jī)的CO排放濃度均直線增加,這主要是因?yàn)槿毖醵?003年10月(SAEC2003P007)汽車工程(增刊)13不完全燃燒造成的。試驗(yàn)表明CO的濃度與發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷沒有關(guān)系,和燃料關(guān)系不大,僅與φa關(guān)系顯著。只要控制φa>1,乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)和汽油機(jī)都會(huì)獲得較低的CO排放特性圖9是兩種燃料發(fā)動(dòng)機(jī)不同混合氣濃度下的CO排放體積分?jǐn)?shù)φco隨點(diǎn)火提前角的變化曲線。從中可見無論混合氣濃度如何,還是燃燒何種燃料,CO的排放濃度變化不大。說明點(diǎn)火提前角對(duì)CO的排放濃度影響較小。因此,混合氣濃度是影響CO濃度的關(guān)鍵因素,只要控制φa大于1,兩種燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)都會(huì)獲得優(yōu)良的CO排放性能。4.3NOx排放圖11是兩種燃料發(fā)動(dòng)機(jī)不同混合氣濃度下的NOx排放體積分?jǐn)?shù)φMOx隨點(diǎn)火提前角的變化曲線。從圖中可以看出,兩種燃料無論混合氣濃還是稀,減小點(diǎn)火提前角都會(huì)降低NOx的排放。原因是點(diǎn)火提前角減小,使得氣缸內(nèi)最高燃燒溫度下降,從而降低了NOx的排放。圖10是乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)和汽油機(jī)不同負(fù)荷下最佳點(diǎn)火提前角時(shí)的NOx排放體積分?jǐn)?shù)φMOx與過量空氣系數(shù)Φa的變化曲線?？梢?當(dāng)混合氣的濃度φa在1.05附近時(shí),汽油機(jī)的NOx的排放較高,30%負(fù)荷以上的NOx排放濃度都超過25×103,并且比乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷的NOx排放濃度高。4000◆E中a=0.87000r/min full loadE中8=0.95o.G7000r/in一EφB=1.1*-E7000r/min6G中8=0.830% load點(diǎn)火超前角日/℃A圖10NOx排放與過量空氣系數(shù)Φa的關(guān)系圖11NOx排放與點(diǎn)火提前角的關(guān)系乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放濃度高峰出現(xiàn)在Φa為095~1.05之間,排放最高峰值小于27×103,并且隨著負(fù)荷的降低排放物的峰值下降較快,且向濃混合氣方向偏移。乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)50%負(fù)荷的NOxκ峰值比汽油機(jī)30%負(fù)荷燃燒Φa=0.85的濃混合氣或φa=1.15的稀混合氣時(shí)的NOx的排放還要低,并且是汽油機(jī)30%負(fù)荷峰值的1/3?？梢娨掖及l(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放低的優(yōu)勢(shì)十分明顯。從控制NOx排放角度上看,汽油機(jī)應(yīng)當(dāng)使φa不在0.9~1.15范圍內(nèi),而對(duì)乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)此范圍可縮小到095~1.05。5結(jié)論(1)通過軟硬件結(jié)合實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)控制信號(hào)在線控制。(2)本文開發(fā)的在線測(cè)控系統(tǒng)成功的應(yīng)用于力帆125電控噴射汽油摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)上,使其改用乙醇燃料(3)過量空氣系數(shù)φa是影響乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)和汽油機(jī)排放性能的敏感參數(shù),通過對(duì)φa的合理控制能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)有害排放物的控制,乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)的過量空氣系數(shù)φa應(yīng)當(dāng)控制在1~1.2之間,左端(1~1.1)使動(dòng)力性最優(yōu),右端(1.1~1.2)使排放改善;(4)點(diǎn)火提前角θ對(duì)乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)和汽油機(jī)的HC和NOx排放性能有明顯影響,但對(duì)CO排放影響很小過量空氣系數(shù)φa和點(diǎn)火提前角θ是影響兩種發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的敏感參數(shù),對(duì)這兩個(gè)參數(shù)應(yīng)當(dāng)合理控制,在同比條件下乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放明顯低于汽油機(jī)中國(guó)煤化工參考文獻(xiàn)CNMHG1姜卓,卓斌.汽油機(jī)新電控單元MCS1.0型ECU的研制叮內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),200,018(4):404~4082劉志敏。電控噴射乙醇燃料在點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用研究C]吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文,20023陳慶海.發(fā)動(dòng)機(jī)在線信號(hào)處理和工作過程控制[C]吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文,2002