張 平，魯國慶

(江蘇林海動力機械集團有限公司，江蘇 泰州 225300)

隨著我國摩托車國四標準的執(zhí)行，對摩托車發(fā)動機排放的要求越來越高。對于摩托車發(fā)動機噴油時刻的設計選擇，如果噴油時刻適當提前，發(fā)動機進氣閥的背面或者進氣道壁上的油膜將得到較長的揮發(fā)時間，當進氣門打開時空氣和油膜進行充分混合進入燃燒室；如果噴油時刻推遲，油膜的揮發(fā)時間較短，部分燃油直接噴射到燃燒室，可以更加準確地控制噴油量。研究表明，噴油時刻對提高怠速穩(wěn)定性也有較大影響。因此，加強對噴油時刻的研究對提高摩托車的制造質(zhì)量及污染物排放有著非常重要的意義[1-2]。

發(fā)動機的怠速穩(wěn)定性和排放是整車和發(fā)動機性能的重要指標。本文對某公司155 cc排量摩托車噴油時刻對發(fā)動機的怠速穩(wěn)定性和排放的影響進行了相關試驗和研究。

1 發(fā)動機簡介

試驗在155 cc摩托車上進行，該摩托車搭載了某公司155 cc發(fā)動機，其相關技術參數(shù)見表1。

2 電噴簡介

該摩托車搭載了德爾福小型發(fā)動機管理系統(tǒng)MT05，其是我國摩托車主流電噴系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由ECU、節(jié)氣門閥體(集成了怠速控制閥、進氣溫度和壓力傳感器、油門開度傳感器)、噴嘴、氧傳感器、水溫傳感器、點火線圈、油泵等構成。系統(tǒng)通過曲軸位置傳感器的信號確定活塞在上止點前的具體位置，再利用節(jié)氣門閥體上進氣壓力傳感器的判缸信號，即可確定上止點以及所處的工作行程，進而輸出控制指令，驅動噴嘴進行燃油噴射或者驅動點火線圈點火。整車的排放控制采用閉環(huán)控制精確調(diào)整最初所作的開環(huán)燃油標定數(shù)據(jù)，以優(yōu)化車輛的排放特性。氧傳感器安裝在排氣歧管與三元催化器之間，監(jiān)測廢氣中的氧含量。排放出氧含量稀的混合氣，產(chǎn)生約100 mV的傳感器電壓，氧含量濃混合氣產(chǎn)生約800 mV的傳感器電壓。當空燃比為(14.6∶1)時，傳感器電壓有一個躍變，電腦閉環(huán)控制對氧傳感器信號作出響應修改控制變量，使氧傳感器的電壓不斷在100～800 mV之間變化，以達到最佳空燃比控制的目的。電噴系統(tǒng)示意如圖1所示。

表1 155 cc發(fā)動機相關技術參數(shù)

型 號158MJ型式單缸、四氣門、四沖程、水冷、OHC、臥式發(fā)動機氣缸直徑/mm58活塞行程/mm58.6總排量/mL154.8最大功率及相應轉速/kW·(r·min-1)10.8/8000最大扭矩及相應轉速/N·m·(r·min-1)13.8/6000壓縮比11∶1點火方式ECU控制點火啟動方式電啟動

圖1 電噴系統(tǒng)示意圖

3 噴油時刻對怠速穩(wěn)定性和排放的影響

3.1 方案實施

在研究噴油時刻與怠速穩(wěn)定性以及摩托車排放關系時，所采用的試驗方案是進氣道內(nèi)噴射方式，在噴射過程中燃油會噴射到進氣門的背面形成油膜，這樣使得噴油時刻明顯地影響油膜的揮發(fā)時間和程度，進而對燃燒情況產(chǎn)生影響。在試驗過程中，噴油時刻的結束時刻為控制基準，而通過ECU的計算來反推特性工況下的噴油起始時間。在發(fā)動機轉速的設定過程中，由于高速運轉時總體的噴油周期較短，對于油膜的揮發(fā)和燃燒產(chǎn)物的排放影響較小，怠速設定1 500 r/min，在空載的情況下穩(wěn)定運行。同時，因在測試排放和怠速穩(wěn)定性過程中受到的影響因素較多，如水溫、節(jié)氣門的開度、發(fā)動機的初始溫度、環(huán)境溫度、濕度、大氣壓力等，為了排除這些因素對該研究的影響，在進行相關試驗時對發(fā)動機進行了充分熱機，試驗時空燃比設定為理想值14.6。

3.2 噴油時刻對怠速穩(wěn)定性的影響

按照GB/T 18297-2001《發(fā)動機性能試驗方法》國家標準，怠速的穩(wěn)定性用怠速轉速波動率來評價。

怠速轉速波動率(ψ)按下式計算：

ψ=|nimax-nim|/nim×100%

或

ψ=|nimin-nim|/nim×100%

(1)

式中：nimax為怠速的最高轉速(r/min)；nimin為怠速的最低轉速(r/min)；nim為怠速的平均轉速(r/min)。

測試不同的噴油時刻，記錄對應怠速的最高轉速、最低轉速，計算出怠速平均轉速、怠速轉速波動率，相關試驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 試驗數(shù)據(jù)

噴油時刻/°CA205080110140170200nimax/r·min-11678165416171594162116631687nimin/r·min-11364140614381460144614111389nim/r·min-11521153015281527153415371538ψ/%10.38.15.94.45.78.29.7

從表2可以看出，當噴油時刻在110° CA前后附近怠速轉速波動率最小，怠速的穩(wěn)定性最好。

3.3 噴油時刻對排放的影響

排放污染物主要有NOx、CO、HC，NOx是在燃燒的高溫、高壓條件下，由空氣中的氧氣和氮氣反應形成的。另外，燃料中含有的氮元素經(jīng)氣缸燃燒后也會產(chǎn)生NOx，但這部分的占比很小。缸內(nèi)燃燒過程NOx的生成量主要與火焰溫度和火焰前鋒中是否富氧及高溫持續(xù)時間的長短等因素有關。高溫富氧環(huán)境有利于NOx的生成，而反應時間越長生成量越大。摩托車排放的NOx也是一種混合物，主要包括N2O、NO和NO2，從排氣管排出的廢氣中主要是NO。

HC、CO是燃料不完全燃燒的產(chǎn)物，因此所有影響燃燒過程進行的因素都會對HC、CO的生成和排放量產(chǎn)生影響。CO是發(fā)動機缸內(nèi)燃燒在局部缺氧或低溫條件下發(fā)生不完全燃燒產(chǎn)生的產(chǎn)物，發(fā)動機空燃比和發(fā)動機溫度等因素對缸內(nèi)CO的排放量影響很大。當摩托車在低負荷下運行時，特別是冷機啟動后的2個試驗循環(huán)內(nèi)，燃燒溫度相對偏低，會導致CO生成量增加。當摩托車在中等負荷下運行時，燃燒溫度相對較高而油氣混合氣在理論空燃比(14.6)范圍內(nèi)閉環(huán)控制，燃料燃燒最完全，CO排放最低。摩托車排放的HC化合物主要是由未燃的燃料，以及燃料因高溫裂解而產(chǎn)生的各種短鏈HC，HC產(chǎn)生的原因與噴油時刻、油氣混合不均(如霧化不良)、燃燒組織不良、溫度過低、壁面激冷效應及竄機油等因素有關。

排放物中NOx、CO、HC的形成和許多因素有關，本文重點介紹噴油時刻和排放污染物的關系，在試驗過程中分別測量了噴油截止時刻內(nèi)的NOx排放量，所測得NOx 排放與噴油截止時刻的關系如圖 2所示。

由圖2可以看出，在發(fā)動機預熱后怠速狀況下，NOx的排放量一直到噴油截止時刻上止點前300° CA都沒有大的變化，而后呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢，從上止點前500° CA開始往后又基本沒有變化。

在碳氫化合物HC的分析過程中，測量了上止點前720° CA噴油時刻的碳氫化合物排放量，碳氫化合物HC 排放量與噴油截止時刻的關系如圖 3 所示。

圖2 NOx 排放與噴油截止時刻的關系

圖3 HC排放與噴油截止時刻的關系

由圖3可以看出，在噴油截止時刻上止點前720° CA時，碳氫化合物的排放量呈現(xiàn)先逐漸下降然后又逐漸上升的趨勢。當噴油截止時刻在上止點前約400～500° CA時，碳氫化合物HC排放量最少，與前面100～200° CA的噴油截止時刻相比，碳氫化合物的排放量下降了大約25%；而在噴油截止時刻超過上止點500° CA時，碳氫化合物HC的排放量不僅沒有降低反而逐漸提高，這說明噴油時刻與發(fā)動機的HC排放量有密切的關系，并不是噴油時刻越提前越好，這需要在工作中根據(jù)實際情況進行確認。

在研究發(fā)動機CO排放量的過程中，對噴油時刻進行了測量，最終得到CO 排放與噴油截止時刻的關系如圖 4 所示。

由圖4可以看出，CO的排放量隨著噴油截止時刻的關系呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢。CO排放量在噴油截止時刻500° CA時最少，相當于75° CA噴油結束時排放量的63%，然后在500° CA噴油截止時刻后CO的排放量迅速提高，這也說明此次試驗的噴油時刻最佳時間在500° CA前后。在實際控制中可以以此為試驗標準，合理地制定噴油時刻。

圖4 CO 排放與噴油截止時刻的關系

4 小結

研究噴油時刻對降低摩托車的排放和提高怠速穩(wěn)定性具有重要意義，在摩托車的發(fā)展過程中要加強電噴標定與相關技術的研究和開發(fā)工作。