王崢明，蘇 煒，王思然

（武漢理工大學(xué)國際教育學(xué)院，湖北 武漢 430070）

1 引言

對(duì)于動(dòng)力總成的標(biāo)定與匹配，最重要的一步是將發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，對(duì)于賽用KTM690單缸發(fā)動(dòng)機(jī)，除了一套完善的進(jìn)氣、排氣、冷卻與供油系統(tǒng)，還需要準(zhǔn)確的噴油與點(diǎn)火時(shí)機(jī)。這需要團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)完善的發(fā)動(dòng)機(jī)外圍系統(tǒng)，并利用全替換式發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)控制，控制器選用Motec品牌，然后利用CATIA建模軟件進(jìn)行進(jìn)氣系統(tǒng)建模，匹配增壓器的安裝與增壓值的匹配。這樣才可以使動(dòng)力系統(tǒng)的效能達(dá)到優(yōu)化的效果。

2 相關(guān)背景

2.1 大賽簡介

中國大學(xué)生方程式汽車大賽（下簡稱“FSAE”）是中國汽車工程學(xué)會(huì)及其合作會(huì)員單位，在學(xué)習(xí)和總結(jié)美、日、德等國家相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合中國國情，精心打造的一項(xiàng)全新賽事。

FSAE活動(dòng)由各高等院校汽車工程或與汽車相關(guān)專業(yè)的在校學(xué)生組隊(duì)參加。FSAE要求各參賽隊(duì)按照賽事規(guī)則和賽車制造標(biāo)準(zhǔn)，自行設(shè)計(jì)和制造方程式類型的小型單人座休閑賽車，并攜該車參加全部或部分賽事環(huán)節(jié)。比賽過程中，參賽隊(duì)不僅要闡述設(shè)計(jì)理念，還要由評(píng)審裁判對(duì)該車進(jìn)行若干項(xiàng)性能測試項(xiàng)目。

在比賽過程中，參賽隊(duì)員能充分將所學(xué)的理論知識(shí)運(yùn)用于實(shí)踐中。同時(shí)，還能學(xué)習(xí)到組織管理、市場營銷、物流運(yùn)輸、賽車運(yùn)動(dòng)等多方面知識(shí)，培養(yǎng)了良好的人際溝通能力和團(tuán)隊(duì)合作精神，成為符合社會(huì)需求的全面人才。

2.2 設(shè)計(jì)背景

武漢理工大學(xué)WUT車隊(duì)，在往屆賽事中使用的是本田CBR600RR發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)為直列四缸機(jī)型，有著較小的缸徑與行程，因此高轉(zhuǎn)特性較為明顯，發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速達(dá)到13 000 r/min。但隨著大賽規(guī)則的改變，該款發(fā)動(dòng)機(jī)的劣勢也逐漸顯現(xiàn)，其四缸機(jī)缸體較重，冷卻與潤滑的布置較為復(fù)雜，且由于發(fā)動(dòng)機(jī)的高轉(zhuǎn)特性，使得其工作溫度較高，對(duì)于散熱的壓力較大，往往需要兩個(gè)水箱散熱器進(jìn)行通風(fēng)散熱，這使得整車的質(zhì)量進(jìn)一步增加。CBR600發(fā)動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)如表1所示。

表1 CBR600基本參數(shù)

在2020屆中國大學(xué)生方程式汽車大賽中，采用四缸機(jī)的車隊(duì)，賽車平均質(zhì)量在230 kg左右；而采用單缸機(jī)的車隊(duì)，賽車平均質(zhì)量在210 kg左右，其中廈門理工大學(xué)車隊(duì)的賽車，同樣使用單缸KTM690發(fā)動(dòng)機(jī)，其整車質(zhì)量為189 kg，為全場最輕的賽車，其中單缸機(jī)的使用，為賽車的輕量化作出了十分重要的貢獻(xiàn)。2020賽季各車隊(duì)賽車質(zhì)量如表2所示。

表2 2020賽季各車隊(duì)賽車質(zhì)量

從表2中可以看到，發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸數(shù)對(duì)整車質(zhì)量的影響很大，吉林大學(xué)2020賽季賽車搭載了機(jī)械增壓系統(tǒng)，整車的質(zhì)量仍然較輕。

相比于凱旋675三缸發(fā)動(dòng)機(jī)，KTM690發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢在于缸數(shù)進(jìn)一步降低，進(jìn)排氣系統(tǒng)的布置與設(shè)計(jì)更加簡潔，同時(shí)KTM690自身帶有潤滑機(jī)構(gòu)，不需要自行設(shè)計(jì)油底殼等潤滑部件，同時(shí)擁有更大的排氣量，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的低轉(zhuǎn)速動(dòng)力輸出更加優(yōu)秀，對(duì)于賽車的彎道表現(xiàn)有很大的幫助。因此，綜合考慮，選用KTM690發(fā)動(dòng)機(jī)作為新賽季使用的機(jī)型。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)外圍部件設(shè)計(jì)

如何使一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作，是標(biāo)定發(fā)動(dòng)機(jī)的前提，這需要外圍部件與電控系統(tǒng)程序的良好配合，任何一個(gè)部件的失效，都會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火失敗。

3.1 進(jìn)氣系統(tǒng)及節(jié)氣門

發(fā)動(dòng)機(jī)作為內(nèi)燃機(jī)，空氣與燃油的混合是至關(guān)重要的步驟，在一定的噴油量的前提下，進(jìn)氣量不能太大，但在怠速情況下，進(jìn)氣的量由必須滿足發(fā)動(dòng)機(jī)怠速進(jìn)氣量的需要，中國常用的空氣與燃油的混合參考指標(biāo)為過量空氣系數(shù)，這個(gè)指標(biāo)指實(shí)際供給燃料燃燒的空氣量與理論空氣量之比[1]。

進(jìn)氣系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分為噴油座和節(jié)氣門體，節(jié)氣門要有傳感器，可以將信號(hào)輸送給ECU，從而根據(jù)節(jié)氣門開度調(diào)整點(diǎn)火時(shí)機(jī)與噴油量。噴油底座的設(shè)計(jì)要考慮汽油與空氣的充分混合，其噴射角度要適宜同時(shí)噴油孔的直徑要與噴油器頭部相適應(yīng)。進(jìn)氣系統(tǒng)噴油底座模型如圖1所示。

圖1 進(jìn)氣系統(tǒng)噴油底座模型

3.2 排氣系統(tǒng)

排氣系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能也有著不可忽視的影響，在嘗試點(diǎn)火的階段，需要一根排氣管將高溫排氣導(dǎo)出，并在排氣管路上打一個(gè)圓孔，在標(biāo)定時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測排氣氧含量。發(fā)動(dòng)機(jī)排氣口如圖2所示。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)排氣口

3.3 燃油供給系統(tǒng)

為發(fā)動(dòng)機(jī)提供燃油是點(diǎn)火的基礎(chǔ)，對(duì)于臺(tái)架實(shí)驗(yàn)與嘗試點(diǎn)火的階段，先搭建了臨時(shí)的燃油供給系統(tǒng)，利用外置的油箱和電子燃油泵，對(duì)于進(jìn)氣管道噴射的供油系統(tǒng)，將噴油壓力調(diào)整為350 Pa，利用一個(gè)三相閥門，使多余的燃油回流至油箱儲(chǔ)存。

4 電控部分的設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元選用Motec公司的M84產(chǎn)品，這款ECU有34個(gè)A端口和26個(gè)B端口，可以接入2個(gè)基本發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器，即曲軸位置傳感器與凸輪軸位置傳感器，還有4個(gè)輔助傳感器接口，4個(gè)速度傳感器接口，基本可以滿足FSAE賽車的需要。需要注意的是KTM690原廠僅有曲軸位置傳感器，沒有搭載凸輪軸位置傳感器，因此，筆者們單獨(dú)為發(fā)動(dòng)機(jī)制作了一個(gè)氣門室罩，上面布置有安裝凸輪軸位置傳感器的孔槽。

4.1 臺(tái)架實(shí)驗(yàn)線束的搭建

對(duì)于臺(tái)架實(shí)驗(yàn)的需要，需要接入6個(gè)傳感器接口，即為凸輪軸位置傳感器、曲軸位置傳感器、氧傳感器、水溫傳感器、機(jī)油壓力傳感器和節(jié)氣門位置傳感器。根據(jù)Motec的接線定義圖，繪制電路圖，如圖3所示。此外需要額外為燃油泵和起動(dòng)電機(jī)供電。在ECU、起動(dòng)電機(jī)、燃油泵之前要接入5 A的保險(xiǎn)絲，并用繼電器作為控制端，以免大電流對(duì)開關(guān)造成損壞。接線時(shí)要特殊注意臺(tái)架實(shí)驗(yàn)室對(duì)于電路長度的要求，避免重復(fù)接線等問題。電磁繼電器用于控制電路的通斷，保險(xiǎn)絲是保證電器設(shè)備安全工作的重要部件[2]。

圖3 臺(tái)架線束電路圖

繼電器選用24 V、80 A4腳電磁繼電器。主繼電器、風(fēng)扇繼電器、油泵繼電器將會(huì)被放置在繼電器保險(xiǎn)絲盒中妥善固定，確保其接觸良好，能正常工作。主要繼電器如主繼電器、油泵繼電器和風(fēng)扇繼電器因通過較大電流時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大熱量，需注意其盒內(nèi)的位置擺放并適當(dāng)考慮通風(fēng)?？紤]到ECU也會(huì)釋放熱量，盡量將其分隔開，避免熱量聚集引發(fā)火災(zāi)。

4.2 點(diǎn)火正時(shí)的標(biāo)定

汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火正時(shí)主要依據(jù)的是凸輪軸位置傳感器與曲軸位置傳感器，曲軸位置傳感器用來判斷活塞的位置，一般點(diǎn)火的時(shí)機(jī)在上止點(diǎn)提前15°～30°，這個(gè)提前的角度稱為點(diǎn)火提前角；凸輪軸位置傳感器用來判斷氣缸，通常多缸發(fā)動(dòng)機(jī)必須配有凸輪軸位置傳感器，KTM690發(fā)動(dòng)機(jī)原廠沒有凸輪軸位置傳感器，因此會(huì)發(fā)生浪費(fèi)點(diǎn)火的情況，即每一次活塞運(yùn)行到上止點(diǎn)都會(huì)有一次點(diǎn)火，但在排氣沖程完成時(shí)并不需要點(diǎn)火，因此每一個(gè)工作循環(huán)會(huì)浪費(fèi)一次點(diǎn)火，這也是單獨(dú)為發(fā)動(dòng)機(jī)加入凸輪軸位置傳感器的原因[3]。曲軸位置傳感器波形圖如圖4所示。

圖4 曲軸位置傳感器波形圖

首先用示波器探測曲軸位置傳感器發(fā)出的信號(hào)，通過波形了解何時(shí)為上止點(diǎn)位置。通過觀察波形圖，并結(jié)合實(shí)際的嘗試，得到曲軸位置的索引角為228°，將這個(gè)數(shù)值輸入到Motec軟件中，并在軟件中設(shè)置單缸機(jī)模式。通過拆解發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸箱，發(fā)現(xiàn)它的齒輪為一圈22個(gè)，且每一圈缺少2個(gè)齒，這個(gè)數(shù)值也要輸入到軟件中。曲軸傳感器設(shè)計(jì)界面如圖5所示。

圖5 曲軸傳感器設(shè)計(jì)界面

4.3 噴油定時(shí)的標(biāo)定

對(duì)于進(jìn)氣歧管噴射的發(fā)動(dòng)機(jī)，噴油定時(shí)為進(jìn)氣沖程開始的階段，這個(gè)時(shí)候汽油與空氣的混合最為充分，混合的比例最佳，最適合點(diǎn)火。因此設(shè)置點(diǎn)火正時(shí)為320°索引角，在噴油脈寬的標(biāo)定中，初次點(diǎn)火，應(yīng)將噴油脈寬調(diào)大，即加濃噴射，這樣對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火有著非常明顯的幫助。同時(shí)，怠速階段的噴油濃度也應(yīng)適當(dāng)加濃。

5 增壓器的匹配

對(duì)于大學(xué)生方程式汽車大賽所用的發(fā)動(dòng)機(jī)及賽事所需的工況來說，機(jī)械增壓在布置方式與提升動(dòng)力的效果方面相比渦輪增壓都有優(yōu)勢，在增壓器的選擇方面，采用了愛信AMR300增壓器，其最大增壓值在0.2～0.4之間，適用于0.8～2.0 L的發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)和壓氣機(jī)匹配要求是在滿足增壓比的條件下，能夠運(yùn)行在較高的效率區(qū)間。離心式壓氣機(jī)的主要工作參數(shù)有增壓比、流量、轉(zhuǎn)速和絕熱效率。

增壓比是壓氣機(jī)最主要的工作指標(biāo)，表示壓氣機(jī)出口壓力和進(jìn)口壓力之比，計(jì)算公式如下[4]：

式（1）中：πc為壓氣機(jī)增壓比；PC為壓氣機(jī)出口壓力，MPa；PC1為壓氣機(jī)進(jìn)口壓力，MPa。

空氣流量是單位時(shí)間內(nèi)流過壓氣機(jī)的氣體質(zhì)量，壓氣機(jī)的空氣流量取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣消耗量，具體是由發(fā)動(dòng)機(jī)排量、轉(zhuǎn)速和充氣系數(shù)等因素來確定。計(jì)算公式如下：

式（2）中：GC為空氣質(zhì)量流量，kg/s；Ne為發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定工況下功率，kW；ge為燃油消耗率，g/kW·h；ηs為掃氣系數(shù)；α為過量空氣系數(shù)。

最終計(jì)算得到，帶傳動(dòng)比為1.4，增壓器的轉(zhuǎn)速為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的1.4倍。

6 成品展示

在經(jīng)歷了幾個(gè)方面的設(shè)計(jì)并對(duì)軟件多次調(diào)試后，將發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火成功，整個(gè)過程是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造與原理理解的進(jìn)一步加深，對(duì)于成員的動(dòng)手能力與調(diào)試能力有著良好的鍛煉效果。KTM690發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)如圖6所示。

圖6 KTM690發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)圖

隨著技術(shù)的發(fā)展與規(guī)則的改進(jìn)，越來越多的車隊(duì)擬采用大排量單缸發(fā)動(dòng)機(jī)作為賽車的動(dòng)力源，更低的質(zhì)量與更優(yōu)秀的低扭表現(xiàn)是其最大的優(yōu)勢，如何充分的發(fā)揮單缸發(fā)動(dòng)機(jī)的性能是車隊(duì)技術(shù)水平差距的體現(xiàn)。

7 總結(jié)

在2020賽季中國大學(xué)生方程式大賽中，共有三支車隊(duì)使用KTM690發(fā)動(dòng)機(jī)，其中使用該款發(fā)動(dòng)機(jī)的吉林大學(xué)車隊(duì)獲得了總成績一等獎(jiǎng)，對(duì)于KTM690發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)掘成為了吉林大學(xué)的優(yōu)勢之一。在2021賽季，將會(huì)有更多的車隊(duì)使用大排量單缸發(fā)動(dòng)機(jī)。為了充分利用單缸機(jī)的質(zhì)量優(yōu)勢，電動(dòng)換擋等技術(shù)會(huì)被更快的普及，對(duì)于動(dòng)力總成電控化的改進(jìn)將會(huì)是未來的發(fā)展趨勢。