2003年10月(SAEC2003P007)汽車工程(增刊)電控噴射乙醇燃料在火花點燃式發(fā)動機的應(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)動機改造為電控噴射乙醇摩托車發(fā)動機的手段,以及試驗臺上數(shù)據(jù)的在線采集及發(fā)動機實時狀態(tài)控制系統(tǒng)的原理、組成及其應(yīng)用。該在線測控系統(tǒng)具有實時數(shù)據(jù)采集,實時數(shù)據(jù)保存,試驗曲線實時監(jiān)控和發(fā)動機狀態(tài)的實時控制功能。并對電控噴射125mL汽油機和乙醇發(fā)動機的過量空氣系數(shù)和點火提前角與動力性能、排放性能之間的關(guān)系進行了試驗研究。指出了影響乙醇發(fā)動機排放的這些敏感參數(shù)的合理取值范圍,可作為乙醇發(fā)動機參數(shù)匹配的參考。驗證了發(fā)動機燃燒乙醇燃料可降低NOx排放濃度的事實。關(guān)鍵詞:電控噴射乙醇發(fā)動機汽油機測量與控制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)的不斷嚴格和電子技術(shù)的迅速發(fā)展,汽油機電控技術(shù)取得了顯著的進步,作為一種成熟技術(shù)已在汽車工業(yè)中建立了堅實的基礎(chǔ)。電控噴射系統(tǒng)能有效地改善發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和排放指標也是迄今為止實現(xiàn)汽油發(fā)動機高效燃燒、清潔排放最有效、最簡捷的途徑之一。電控發(fā)動機數(shù)據(jù)信號都是由傳感器輸入到ECU,再由ECU發(fā)送給噴油器、點火線圈等執(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)動機工作過程中很難進行外部千預(yù)。而燃用乙醇燃料后必須調(diào)整噴油脈寬和點火提前角,否則使用汽油機的點火和噴油MAP難以使發(fā)動機達中國煤化工狀況,為研究電控噴射乙醇發(fā)動機性能,開發(fā)了一套可以測量電控發(fā)動機各種CNMHG信號進行控制的在線測量及控制系統(tǒng),簡稱在線測控系統(tǒng)汽車工程(增刊)2003年10月SAEC2003P007)2試驗方法與儀器設(shè)備試驗用發(fā)動機是125mL四沖程單缸風(fēng)冷進氣道噴射汽油機。燃燒乙醇時將汽油取出,加入乙醇即可使用(僅作研究用)。汽油機技術(shù)參數(shù)見表1。試驗用主要測試儀表見表2。試驗中燃料噴射量、點火提前角和噴油提前角是利用自行開發(fā)設(shè)計的在線測控系統(tǒng),通過計算機輸入控制信號完成的。表1汽油機技術(shù)參數(shù)表排量/mLS/mm(Pe/kW)/(np/r. min)Tto/N. m/nT/r. min12449555968007/8000點火提前角:13°A~32°CA點火方式:電子控制(DC-CDI)表2主要測試儀器器名稱型號cW-10洛陽南峰廢氣分析儀FGA4015廣東佛山3在線測控系統(tǒng)的原理及組成23.1在線測控系統(tǒng)的原理試驗使用的電控發(fā)動機,采用進氣道噴射方式。原機ECU通過采集磁電機轉(zhuǎn)速信號(兼作曲軸位置信號),節(jié)氣門開度信號,缸溫信號,空溫信號,輸出控制噴油信號,點火信號試驗中為了使原電控機燃用乙醇,并為以后開發(fā)乙醇ECU制取MAP圖。因此利用原機ECU,通過在線測控系統(tǒng),截取原機ECU的噴油信號和點火信號,并通過控制系統(tǒng)輸出需要的目標噴油信號及點火信號,從而達到燃用乙醇的目的,其原理如圖1。3.2在線測控系統(tǒng)的功能及組成在線測控系統(tǒng)主要功能有:實時數(shù)據(jù)采集,實時數(shù)據(jù)保存,試驗曲線實時監(jiān)控和發(fā)動機狀態(tài)的實時控制功能。在線測控系統(tǒng)通過下位機系統(tǒng)(80C196KB系統(tǒng)和信號處理電路)采集發(fā)動機的轉(zhuǎn)速信號,節(jié)氣門開度信號,缸溫信號,空溫信號,以及原汽油機ECU發(fā)出的噴油信號和點火信號,監(jiān)測發(fā)動機的實時狀態(tài)。下位機通過串行接口與上位機(PC)通訊。通過上位機友好程序界面控制下位機發(fā)送噴油信號至噴油器,點火信號至點火器,從而完成了對發(fā)動機的實時參數(shù)的測量與控制過程。測控系統(tǒng)還可以保存試驗過程中所有采集到的數(shù)據(jù),并可以曲線方式實時監(jiān)測發(fā)動機的功率、扭矩、節(jié)氣門開度等參數(shù)。在線測控系統(tǒng)由發(fā)動機信號處理板、80C196KB系統(tǒng)板、噴油器及點火器信號驅(qū)動板、PC機、上位機及下位機測控程序組成(如圖2)下位機程序釆用匯編語言編寫,上位機程序采用ⅴC++6.0編寫,程序界面如圖3。3.3電控乙醇發(fā)動機與汽油機的動力性對比圖4為乙醇發(fā)動機和汽油機全負荷轉(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,汽油機最大轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)在φa=0.85附近;乙醇發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)在φa=0.95附近。隨著φa的加大,汽油機的轉(zhuǎn)矩下降比乙醇發(fā)動機轉(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)動機可以比汽油機燃燒更稀的混合氣,也就是說在同樣的空燃比波動率下,"V凵中國煤化工汽油機小,運轉(zhuǎn)更穩(wěn)定CNMHG圖5為乙醇發(fā)動機和汽油機全負荷轉(zhuǎn)矩變化率dm隨點火提前角6的變化曲線。從圖中可見,兩種發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩隨點火提前角的變化規(guī)律一致,但汽油機對θ更敏感些。為維持發(fā)動機的動力性,點火提前角不宜偏離最佳點火提前角過遠。2003年10月(SAEC2003P007)汽車工程(增刊)114電控乙醇發(fā)動機與汽油機的排放性對比4.1HC排放對比節(jié)氣門開度傳感器噴油信號轉(zhuǎn)速傳感器噴油器c噴油信號輸出控制點缸溫傳感器U點火信號輸出火信號DC-CDI空溫傳感器點火模塊圖1乙醇發(fā)動機電控原理圖PC機標定系統(tǒng)COM2 COMIFGA廢氣分析儀原機ECU噴油信號輸出0~12V數(shù)字量HSL.原機ECU點火信號輸出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模擬量信號處理板系統(tǒng)板ISI.28MHZ空溫傳感器0~5V模擬量AD 2測功機轉(zhuǎn)速信號0~8V數(shù)字量測功機扭矩信號0~V模擬量AD. 3HSO.0 HSO.噴油器噴油驅(qū)動DC-CDI點火驅(qū)動圖2控制系統(tǒng)組成圖中國煤化工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與相對點火提前角的關(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相對最佳點火提前角變化盤A日/℃A圖6HC排放與過量空氣系數(shù)Φa的關(guān)系圖7HC排放與點火提前角的關(guān)系圖6是乙醇發(fā)動機和汽油發(fā)動機在不同負荷下最佳點火提前角時的HC排放體積分數(shù)ΦBc隨過量空氣系數(shù)φa的變化曲線(圖標中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a=0913之間時,乙醇發(fā)動機的HC排放變化比汽油機小,并且變化量不大。這是因為燃料與空氣混合比適當,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φa<1時,乙醇發(fā)動機的HC排放比汽油機低。φa<0.85時,兩種發(fā)動機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進一步降低HC排放惡化加速的現(xiàn)象。當φa1.3時,兩種發(fā)動機的HC排放上升速率很快(汽油機比乙醇發(fā)動機更快些),這是因為混合氣過稀,燃燒不穩(wěn)定和失火率增加所致圖7是乙醇發(fā)動機和汽油發(fā)動機的HC排放體積分數(shù)ΦC隨點火提前角θ的變化曲線。由圖7中可以看出,隨著點火提前角的減小,不同燃料、不同過量空氣系數(shù)的發(fā)動機的HC排放都降低。這是因為,推遲點火使燃燒拖后,排氣溫度升高,燃燒不徹底的燃料在排氣管中繼續(xù)進行氧化反應(yīng),降低了HC排放濃度。當小于最佳點火提前角(7000min時,汽油機最佳點火提前角為34℃A,乙醇發(fā)動機最佳點火提前角為38℃A左右)以后,汽油機HC下降速度比乙醇發(fā)動機快。從分析對比可見,乙醇發(fā)動機比汽油機具有更寬的穩(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)當是085~13:汽油機Φa范圍應(yīng)當是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。減小點火提前角,可以降低發(fā)動機的HC排放。4.2CO排放Or/ain Full loadOr/min 50 loadOr/ain Full load中國煤化工CNMHG圖8CO排放與過量空氣系數(shù)Φa的關(guān)系圖9CO排放與點火提前角的關(guān)系圖8是兩種燃料發(fā)動機CO排放體積分數(shù)中co與過量空氣系數(shù)a的變化曲線?？梢?在濃混合氣時CO的濃度大,并且隨著混合氣的濃度增加兩種發(fā)動機的CO排放濃度均直線增加,這主要是因為缺氧而2003年10月(SAEC2003P007)汽車工程(增刊)13不完全燃燒造成的。試驗表明CO的濃度與發(fā)動機的負荷沒有關(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)動機和汽油機都會獲得較低的CO排放特性圖9是兩種燃料發(fā)動機不同混合氣濃度下的CO排放體積分數(shù)φco隨點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。說明點火提前角對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)動機都會獲得優(yōu)良的CO排放性能。4.3NOx排放圖11是兩種燃料發(fā)動機不同混合氣濃度下的NOx排放體積分數(shù)φMOx隨點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,減小點火提前角都會降低NOx的排放。原因是點火提前角減小,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)動機和汽油機不同負荷下最佳點火提前角時的NOx排放體積分數(shù)φMOx與過量空氣系數(shù)Φa的變化曲線?？梢?當混合氣的濃度φa在1.05附近時,汽油機的NOx的排放較高,30%負荷以上的NOx排放濃度都超過25×103,并且比乙醇發(fā)動機全負荷的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排放與點火提前角的關(guān)系乙醇發(fā)動機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)動機50%負荷的NOxκ峰值比汽油機30%負荷燃燒Φa=0.85的濃混合氣或φa=1.15的稀混合氣時的NOx的排放還要低,并且是汽油機30%負荷峰值的1/3?？梢娨掖及l(fā)動機NOx排放低的優(yōu)勢十分明顯。從控制NOx排放角度上看,汽油機應(yīng)當使φa不在0.9~1.15范圍內(nèi),而對乙醇發(fā)動機此范圍可縮小到095~1.05。5結(jié)論(1)通過軟硬件結(jié)合實現(xiàn)了發(fā)動機控制信號在線控制。(2)本文開發(fā)的在線測控系統(tǒng)成功的應(yīng)用于力帆125電控噴射汽油摩托車發(fā)動機上,使其改用乙醇燃料(3)過量空氣系數(shù)φa是影響乙醇發(fā)動機和汽油機排放性能的敏感參數(shù),通過對φa的合理控制能夠?qū)崿F(xiàn)對有害排放物的控制,乙醇發(fā)動機的過量空氣系數(shù)φa應(yīng)當控制在1~1.2之間,左端(1~1.1)使動力性最優(yōu),右端(1.1~1.2)使排放改善;(4)點火提前角θ對乙醇發(fā)動機和汽油機的HC和NOx排放性能有明顯影響,但對CO排放影響很小過量空氣系數(shù)φa和點火提前角θ是影響兩種發(fā)動機轉(zhuǎn)矩的敏感參數(shù),對這兩個參數(shù)應(yīng)當合理控制,在同比條件下乙醇發(fā)動機的NOx排放明顯低于汽油機中國煤化工參考文獻CNMHG1姜卓,卓斌.汽油機新電控單元MCS1.0型ECU的研制叮內(nèi)燃機學(xué)報,200,018(4):404~4082劉志敏。電控噴射乙醇燃料在點燃式發(fā)動機的應(yīng)用研究C]吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文,20023陳慶海.發(fā)動機在線信號處理和工作過程控制[C]吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文,2002