電控噴射乙醇燃料在火花點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機的應用研究

2003年10月(SAEC2003P007)汽車(chē)工程(增刊)電控噴射乙醇燃料在火花點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機的應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(chē)發(fā)動(dòng)機改造為電控噴射乙醇摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機的手段,以及試驗臺上數據的在線(xiàn)采集及發(fā)動(dòng)機實(shí)時(shí)狀態(tài)控制系統的原理、組成及其應用。該在線(xiàn)測控系統具有實(shí)時(shí)數據采集,實(shí)時(shí)數據保存,試驗曲線(xiàn)實(shí)時(shí)監控和發(fā)動(dòng)機狀態(tài)的實(shí)時(shí)控制功能。并對電控噴射125mL汽油機和乙醇發(fā)動(dòng)機的過(guò)量空氣系數和點(diǎn)火提前角與動(dòng)力性能、排放性能之間的關(guān)系進(jìn)行了試驗研究。指出了影響乙醇發(fā)動(dòng)機排放的這些敏感參數的合理取值范圍,可作為乙醇發(fā)動(dòng)機參數匹配的參考。驗證了發(fā)動(dòng)機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(zhù)排放法規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(zhù)的進(jìn)步,作為一種成熟技術(shù)已在汽車(chē)工業(yè)中建立了堅實(shí)的基礎。電控噴射系統能有效地改善發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力性、經(jīng)濟性和排放指標也是迄今為止實(shí)現汽油發(fā)動(dòng)機高效燃燒、清潔排放最有效、最簡(jiǎn)捷的途徑之一。電控發(fā)動(dòng)機數據信號都是由傳感器輸入到ECU,再由ECU發(fā)送給噴油器、點(diǎn)火線(xiàn)圈等執行部件。電控程序一般都在生產(chǎn)過(guò)程中固化在ECU中,在發(fā)動(dòng)機工作過(guò)程中很難進(jìn)行外部千預。而燃用乙醇燃料后必須調整噴油脈寬和點(diǎn)火提前角,否則使用汽油機的點(diǎn)火和噴油MAP難以使發(fā)動(dòng)機達中國煤化工狀況,為研究電控噴射乙醇發(fā)動(dòng)機性能,開(kāi)發(fā)了一套可以測量電控發(fā)動(dòng)機各種CNMHG信號進(jìn)行控制的在線(xiàn)測量及控制系統,簡(jiǎn)稱(chēng)在線(xiàn)測控系統汽車(chē)工程(增刊)2003年10月SAEC2003P007)2試驗方法與儀器設備試驗用發(fā)動(dòng)機是125mL四沖程單缸風(fēng)冷進(jìn)氣道噴射汽油機。燃燒乙醇時(shí)將汽油取出,加入乙醇即可使用(僅作研究用)。汽油機技術(shù)參數見(jiàn)表1。試驗用主要測試儀表見(jiàn)表2。試驗中燃料噴射量、點(diǎn)火提前角和噴油提前角是利用自行開(kāi)發(fā)設計的在線(xiàn)測控系統,通過(guò)計算機輸入控制信號完成的。表1汽油機技術(shù)參數表排量/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主要測試儀器器名稱(chēng)型號cW-10洛陽(yáng)南峰廢氣分析儀FGA4015廣東佛山3在線(xiàn)測控系統的原理及組成23.1在線(xiàn)測控系統的原理試驗使用的電控發(fā)動(dòng)機,采用進(jìn)氣道噴射方式。原機ECU通過(guò)采集磁電機轉速信號(兼作曲軸位置信號),節氣門(mén)開(kāi)度信號,缸溫信號,空溫信號,輸出控制噴油信號,點(diǎn)火信號試驗中為了使原電控機燃用乙醇,并為以后開(kāi)發(fā)乙醇ECU制取MAP圖。因此利用原機ECU,通過(guò)在線(xiàn)測控系統,截取原機ECU的噴油信號和點(diǎn)火信號,并通過(guò)控制系統輸出需要的目標噴油信號及點(diǎn)火信號,從而達到燃用乙醇的目的,其原理如圖1。3.2在線(xiàn)測控系統的功能及組成在線(xiàn)測控系統主要功能有:實(shí)時(shí)數據采集,實(shí)時(shí)數據保存,試驗曲線(xiàn)實(shí)時(shí)監控和發(fā)動(dòng)機狀態(tài)的實(shí)時(shí)控制功能。在線(xiàn)測控系統通過(guò)下位機系統(80C196KB系統和信號處理電路)采集發(fā)動(dòng)機的轉速信號,節氣門(mén)開(kāi)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(diǎn)火信號,監測發(fā)動(dòng)機的實(shí)時(shí)狀態(tài)。下位機通過(guò)串行接口與上位機(PC)通訊。通過(guò)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(diǎn)火信號至點(diǎn)火器,從而完成了對發(fā)動(dòng)機的實(shí)時(shí)參數的測量與控制過(guò)程。測控系統還可以保存試驗過(guò)程中所有采集到的數據,并可以曲線(xiàn)方式實(shí)時(shí)監測發(fā)動(dòng)機的功率、扭矩、節氣門(mén)開(kāi)度等參數。在線(xiàn)測控系統由發(fā)動(dòng)機信號處理板、80C196KB系統板、噴油器及點(diǎn)火器信號驅動(dòng)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(yǔ)言編寫(xiě),上位機程序采用ⅴC++6.0編寫(xiě),程序界面如圖3。3.3電控乙醇發(fā)動(dòng)機與汽油機的動(dòng)力性對比圖4為乙醇發(fā)動(dòng)機和汽油機全負荷轉矩變化率m隨過(guò)量空氣系數da的變化曲線(xiàn)。從圖中可見(jiàn),汽油機最大轉矩出現在φa=0.85附近;乙醇發(fā)動(dòng)機最大轉矩出現在φa=0.95附近。隨著(zhù)φa的加大,汽油機的轉矩下降比乙醇發(fā)動(dòng)機轉矩下降的快。這說(shuō)明保證同等轉矩下降率的條件下,乙醇發(fā)動(dòng)機可以比汽油機燃燒更稀的混合氣,也就是說(shuō)在同樣的空燃比波動(dòng)率下,"V凵中國煤化工汽油機小,運轉更穩定CNMHG圖5為乙醇發(fā)動(dòng)機和汽油機全負荷轉矩變化率dm隨點(diǎn)火提前角6的變化曲線(xiàn)。從圖中可見(jiàn),兩種發(fā)動(dòng)機的轉矩隨點(diǎn)火提前角的變化規律一致,但汽油機對θ更敏感些。為維持發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力性,點(diǎn)火提前角不宜偏離最佳點(diǎn)火提前角過(guò)遠。2003年10月(SAEC2003P007)汽車(chē)工程(增刊)114電控乙醇發(fā)動(dòng)機與汽油機的排放性對比4.1HC排放對比節氣門(mén)開(kāi)度傳感器噴油信號轉速傳感器噴油器c噴油信號輸出控制點(diǎn)缸溫傳感器U點(diǎn)火信號輸出火信號DC-CDI空溫傳感器點(diǎn)火模塊圖1乙醇發(fā)動(dòng)機電控原理圖PC機標定系統COM2 COMIFGA廢氣分析儀原機ECU噴油信號輸出0~12V數字量HSL.原機ECU點(diǎn)火信號輸出0~5V數字量HSI. 3節氣門(mén)開(kāi)度傳感器0~5V模擬量AD O轉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板ISI.28MHZ空溫傳感器0~5V模擬量AD 2測功機轉速信號0~8V數字量測功機扭矩信號0~V模擬量AD. 3HSO.0 HSO.噴油器噴油驅動(dòng)DC-CDI點(diǎn)火驅動(dòng)圖2控制系統組成圖中國煤化工CNMHG圖3程序界面汽車(chē)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轉矩變化率φm與過(guò)量空氣系數φa的關(guān)系圖5轉矩變化率中mq與相對點(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相對最佳點(diǎn)火提前角變化盤(pán)A日/℃A圖6HC排放與過(guò)量空氣系數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)機和汽油發(fā)動(dòng)機在不同負荷下最佳點(diǎn)火提前角時(shí)的HC排放體積分數ΦBc隨過(guò)量空氣系數φa的變化曲線(xiàn)(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(shí),乙醇發(fā)動(dòng)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,火焰傳播比較穩定,可以使混合氣能夠更完全地燃燒,因此HC排放低。當φa<1時(shí),乙醇發(fā)動(dòng)機的HC排放比汽油機低。φa<0.85時(shí),兩種發(fā)動(dòng)機都存在由于混合氣過(guò)濃,一部分燃料無(wú)法參與燃燒而直接排入大氣導致HC排放惡化,并隨Φa進(jìn)一步降低HC排放惡化加速的現象。當φa1.3時(shí),兩種發(fā)動(dòng)機的HC排放上升速率很快(汽油機比乙醇發(fā)動(dòng)機更快些),這是因為混合氣過(guò)稀,燃燒不穩定和失火率增加所致圖7是乙醇發(fā)動(dòng)機和汽油發(fā)動(dòng)機的HC排放體積分數ΦC隨點(diǎn)火提前角θ的變化曲線(xiàn)。由圖7中可以看出,隨著(zhù)點(diǎn)火提前角的減小,不同燃料、不同過(guò)量空氣系數的發(fā)動(dòng)機的HC排放都降低。這是因為,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進(jìn)行氧化反應,降低了HC排放濃度。當小于最佳點(diǎn)火提前角(7000min時(shí),汽油機最佳點(diǎn)火提前角為34℃A,乙醇發(fā)動(dòng)機最佳點(diǎn)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(dòng)機快。從分析對比可見(jiàn),乙醇發(fā)動(dòng)機比汽油機具有更寬的穩定低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的范圍應當是085~13:汽油機Φa范圍應當是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(méi)有優(yōu)勢。減小點(diǎn)火提前角,可以降低發(fā)動(dòng)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(guò)量空氣系數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CO排放體積分數中co與過(guò)量空氣系數a的變化曲線(xiàn)?？梢?jiàn),在濃混合氣時(shí)CO的濃度大,并且隨著(zhù)混合氣的濃度增加兩種發(fā)動(dòng)機的CO排放濃度均直線(xiàn)增加,這主要是因為缺氧而2003年10月(SAEC2003P007)汽車(chē)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(dòng)機的負荷沒(méi)有關(guān)系,和燃料關(guān)系不大,僅與φa關(guān)系顯著(zhù)。只要控制φa>1,乙醇發(fā)動(dòng)機和汽油機都會(huì )獲得較低的CO排放特性圖9是兩種燃料發(fā)動(dòng)機不同混合氣濃度下的CO排放體積分數φco隨點(diǎn)火提前角的變化曲線(xiàn)。從中可見(jiàn)無(wú)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(shuō)明點(diǎn)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(dòng)機都會(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)機不同混合氣濃度下的NOx排放體積分數φMOx隨點(diǎn)火提前角的變化曲線(xiàn)。從圖中可以看出,兩種燃料無(wú)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)機和汽油機不同負荷下最佳點(diǎn)火提前角時(shí)的NOx排放體積分數φMOx與過(guò)量空氣系數Φa的變化曲線(xiàn)?？梢?jiàn),當混合氣的濃度φa在1.05附近時(shí),汽油機的NOx的排放較高,30%負荷以上的NOx排放濃度都超過(guò)25×103,并且比乙醇發(fā)動(dòng)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(diǎn)火超前角日/℃A圖10NOx排放與過(guò)量空氣系數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NOx排放濃度高峰出現在Φa為095~1.05之間,排放最高峰值小于27×103,并且隨著(zhù)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(dòng)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(shí)的NOx的排放還要低,并且是汽油機30%負荷峰值的1/3?？梢?jiàn)乙醇發(fā)動(dòng)機NOx排放低的優(yōu)勢十分明顯。從控制NOx排放角度上看,汽油機應當使φa不在0.9~1.15范圍內,而對乙醇發(fā)動(dòng)機此范圍可縮小到095~1.05。5結論(1)通過(guò)軟硬件結合實(shí)現了發(fā)動(dòng)機控制信號在線(xiàn)控制。(2)本文開(kāi)發(fā)的在線(xiàn)測控系統成功的應用于力帆125電控噴射汽油摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機上,使其改用乙醇燃料(3)過(guò)量空氣系數φa是影響乙醇發(fā)動(dòng)機和汽油機排放性能的敏感參數,通過(guò)對φa的合理控制能夠實(shí)現對有害排放物的控制,乙醇發(fā)動(dòng)機的過(guò)量空氣系數φa應當控制在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對乙醇發(fā)動(dòng)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(guò)量空氣系數φa和點(diǎn)火提前角θ是影響兩種發(fā)動(dòng)機轉矩的敏感參數,對這兩個(gè)參數應當合理控制,在同比條件下乙醇發(fā)動(dòng)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的研制叮內燃機學(xué)報,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)機的應用研究C]吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文,20023陳慶海.發(fā)動(dòng)機在線(xiàn)信號處理和工作過(guò)程控制[C]吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文,2002