电控168F汽油机燃烧与排放特性分析

刘胜吉， 韩维维， 曾瑾瑾， 王建

(江苏大学汽车与交通工程学院， 江苏 镇江 212013)



电控168F汽油机燃烧与排放特性分析

刘胜吉， 韩维维， 曾瑾瑾， 王建

(江苏大学汽车与交通工程学院， 江苏 镇江 212013)

自主开发了通用小型汽油机电控燃油喷射系统，通过柔性控制混合气浓度优化燃烧性能和发动机排放及其他综合性能。将其应用于168F汽油机，通过研究过量空气系数(φa)对整机工作过程和排放特性的影响来制订控制策略。为满足美国EPA现行排放法规，标定工况需使用比功率混合气偏浓的混合气减少NOx排放，部分负荷采用偏稀的混合气控制CO和HC排放，同时需要控制发动机的循环波动。结合优化点火提前角(θ)研究形成了整机匹配的最佳φa和θ并写入MAP，汽油机整机动力性不变，排放和经济性能提高，能全面满足用户使用和美国EPAⅢ排放法规要求。

汽油机； 电控系统； 过量空气系数； 排放控制

通用小型汽油机在我国是指功率在30 kW以下的小型发动机,而欧洲和美国等国家及地区是指功率在19 kW以下的小型发动机[1]。其用途十分广泛,可为发电机组、水泵、割草机、喷雾器、链锯等设备提供动力,国际上的需求量非常大[2]。在生产过程中为了保证发动机的功率和工作稳定性,化油器配给的混合气浓度比较浓，必然导致HC和CO排放量加大。近年来美国等发达国家对发动机的排放限值不断加严,使用化油器供油的通用小型汽油机难以全面满足排放限值和使用性能的要求，给我国出口通用小型汽油机带来一定的困难。国内外学者从代用燃料、合理燃烧过程以及尾气后处理技术等方面作了大量的研究[3-10]，而对电控通用小型汽油机研究较少，已有报道的多为电控两冲程小型汽油机[11]。据美国EPA官方网站[12]数据统计，2014年通过EPA排放认证的非道路用四冲程汽油机共计895种机型，其中98.7%仍是传统化油器式。由于我国化油器和汽油机性能的生产一致性偏差较大，且用化油器式汽油机满足排放性能后，兼顾经济性、起动性能和运行稳定性等使用性能有一定的难度，因此低排放高性能的电控化通用小型汽油机是未来发展的必然趋势，因此开发针对四冲程通用小型汽油机的电子控制系统具有重要意义。

本研究以某168F汽油机为例，为其加装电控系统，可以根据不同工况柔性控制混合气浓度以及点火提前角，综合优化小型通用汽油机的动力性、经济性、排放性能和起动性能等。用测量的示功图研究和判断内燃机缸内燃烧工作状态，评价分析燃烧过程[13]，研究燃烧对改善排放的效果。过量空气系数和点火性能是影响通用小型汽油机排放的主要因素，已有研究表明两者之中过量空气系数是主要的影响因素[14]。

本研究探讨将电控系统应用于168F汽油机以实现不采用后处理技术满足美国EPA第Ⅲ阶段排放法规要求的可能性，主要研究电控喷油改变过量空气系数对发动机燃烧过程和排放的影响。

1 试验研究方案

1.1 试验样机及排放限值

以168F通用汽油机为研究对象,其主要参数见表1。1995年，美国EPA制定了世界上首个针对通用小型汽油机的排放法规，该法规第Ⅰ阶段限值于1997年正式实施。2011年开始，EPA第Ⅲ阶段排放法规逐步实施。中国和欧盟目前执行第Ⅱ阶段法规，其排放限值与EPA第Ⅱ阶段排放限值相同，测试方法等基本一致。从第Ⅱ阶段开始在使用寿命期内进行排放考核。EPA第Ⅲ阶段排放法规是目前世界上最严格的通用小型汽油机排放法规，168F汽油机对应的排放限值见表2。

表1 168F汽油机主要技术参数

表2 不同阶段排放法规要求(100～225 cm3排量)

1.2 电控燃油喷射系统工作原理

电控燃油喷射系统使用传感器获得进气温度、进气压力、节气门位置和发动机转速等参数判断发动机工况，ECU根据当前工况下进入气缸的空气质量及目标空燃比计算所需基本喷油量。使用气缸头部温度对基本喷油量进行修正，得到最终喷油量。ECU根据喷油器特性及最终喷油量计算喷油脉宽，将该喷油脉宽信号传输给喷油器实现运行工况的供油量控制。ECU确定喷油脉宽的控制流程见图1。

图1 ECU控制流程

1.3 试验研究方案

图2示出试验系统示意。试验是在电涡流测功机台架上进行，通过测功机调整样机转速和负荷，获得稳定的预定测量工况，用KISTLER5117BFD17火花塞式压力传感器测取气缸压力信号输入到燃烧分析仪，通过DEWETRON-800燃烧分析仪可以获得气缸压力随曲轴转角的变化情况，即示功图。测量发动机不点火时的压缩线，用热力学法分析求得汽油机热力上止点位置。通过标定软件改变喷油持续期来改变运行工况的过量空气系数，测量不同过量空气系数下的示功图数据、汽油机功率、有效燃油消耗率和排放等，并确定综合性能优化的方案，对喷油脉宽标定时汽油机保持18°点火提前角不变。

图2 电控168F汽油机试验系统示意

2 试验内容与结果分析

2.1 示功图的测试与排放分析

在示功图测试过程中，定义内燃机在标定转速标定功率下的负荷为100%负荷工况。试验以1°转角分辨率测量不同工况下发动机的示功图。图3示出由电控样机3 600 r/min，100%负荷工况点示功图计算得出的缸内最高燃烧压力、最高燃烧温度以及NOx排放值随过量空气系数(φa)的变化关系。图4示出不同过量空气系数下瞬时放热率和燃烧持续期(累计放热率为10%和90%所对应的曲轴转角的差值)的变化。通过电控系统改变喷油脉宽来控制φa在0.8～0.93之间。由图中可以看出，φa为0.88时，发动机放热率峰值最大，气缸内最高燃烧压力最大，约为4.76MPa。此时发动机动力性最优，混合气浓度为功率混合气。φa偏离0.88时，气缸压力和放热率峰值均下降。φa在0.8～0.93之间缸内燃烧温度随混合气浓度变稀而降低，但都超过2 000K，φa大于0.88时，最高燃烧温度下降变缓，说明氧含量增加不仅使燃烧更加完善，同时可以降低燃烧速度。氧含量增加有利于NOx的生成，因此随φa增大NOx排放呈增加趋势。

图3 不同φa下发动机最高燃烧压力、最高燃烧温度和NOx排放

图4 不同φa下发动机放热率、燃烧持续期和HC排放

按照美国EPA法规要求进行测试循环，计算比排放量时不同工况设有不同的加权系数。汽油机标定转速下加权系数并不代表各工况尾气排放中CO，HC，NOx的排放值占总排放量的比例,各工况排放值占总排放量的比例需引入单工况分担率的概念[15]。利用分担率对发动机的排放进行分析,才能说明发动机各个工况排放量对整机排放值的贡献和影响。100%,75%,50%负荷工况NOx的分担率达89.5%[16]。因此中大负荷需控制过量空气系数，降低NOx排放，重点优化发动机排放性能。依据美国EPA法规，168F汽油机的HC+NOx排放限值为10g/(kW·h)，CO排放限值为610g/(kW·h)，参考已有研究结果[17-18]和电控系统测得的排放值,采用电控系统后，节气门喉口直径适当加大，进气量增大，标定功率提高的同时，HC排放值明显低于采用化油器的结果(见图4)，标定工况点φa在0.86左右时，电控样机有可能满足法规限值要求。

图5示出在3 600 r/min时电控样机各排放物排放量和有效燃油消耗率随φa的变化关系。由图可以看出，随着φa增加，HC和CO排放呈减小趋势，NOx排放呈增大趋势，有效燃油消耗率呈降低趋势。在相同的φa下，CO和HC随负荷变化不大，而NOx排放随负荷增加呈快速增大趋势。由NOx产生机理可知，当负荷增大时燃烧温度升高，促进了NOx的生成。因此在大负荷工况下需要较小的φa来抑制NOx的产生。在50%以上负荷工况时可将φa设置在0.86～0.90之间，且随着负荷增加逐步减小。

图5 不同负荷下排放值和有效燃油消耗率随φa的变化

2.2 燃烧循环波动研究

燃烧循环波动是汽油机燃烧过程的一大特征，它是指发动机在某一工况稳定运行时，相邻循环燃烧过程的进行情况不断变化，具体表现在压力曲线及发动机功率输出均不相同[19]。小负荷时过量空气系数过大会引起汽油机燃烧的循环波动大[20],造成工作稳定性变差, 甚至造成汽油机的游车。

平均指示压力(pi)的循环波动被认为是评价燃烧循环变动的最佳参数，用pi的统计参数标准偏差SD(pi)、变动率(标准偏差/平均值)CV(pi)定量地评定循环变动的方法已为大家普遍采用[21]。本研究通过连续采集试验工况下100个工作循环的示功图，分析在低负荷和怠速工况时过量空气系数对发动机燃烧循环波动的影响。平均指示压力变动率计算由下式给出。

图6 不同φa下发动机循环波动

2.3φa控制策略

从上述可知，发动机接近满负荷时发动机热负荷增加，此时需要降低φa来抑制NOx的生成，将φa设置在0.86左右，兼顾发动机动力性，此时NOx排放处于急速上升前期，排放值较低。在50%以下负荷时由于NOx排放量较小，过量空气系数的确定应以汽油机工作稳定为前提，综合考虑发动机排放等性能，可以将φa设置在0.90～0.96之间。对比3 600r/min时发动机各负荷的过量空气系数，采用电控系统后发动机各负荷过量空气系数均增大，且随着负荷变化柔性控制。综合考虑发动机各方面性能，样机采用电控系统后标定转速φa控制策略见图7。

图7 两种控制方式下负荷特性比较(n=3 600 r/min)

2.4 电控汽油机与原机性能对比

为了对比电控168F汽油机与原机的整机性能，对其进行外特性试验，结果见图8。从图8可看出，168F汽油机使用电控燃油系统后，在保证动力性的前提下改善了经济性。标定工况有效燃油消耗率为343.9 g/(kW·h)，比原机降低了1.3%；在转速为3 200 r/min时，有效燃油消耗率达到最低值，仅为324.7 g/(kW·h)，比原机降低了3.4%。

图8 168F汽油机全负荷速度特性对比曲线

对以上设定φa控制目标的电控样机，结合优化后的点火提前角进行排放测试，并与化油器式原机进行对比，测试结果见表3。采用电控系统后发动机CO排放值为240.3g/(kW·h)，HC+NOx排放值为5.61g/(kW·h)，远低于标准限值，有足够的劣化余量满足排放法规要求。CO排放值较原机降低41.4%，HC和NOx排放相对于原机分别降低了64.2%和32.3%。在不使用后处理技术时原机的HC+NOx排放无法满足EPAⅢ阶段排放限值，而电控样机达到了EPAⅢ阶段排放限值要求。

表3 采用电控系统后与原机排放物对比 g/(kW·h)

3 结论

a) 采用电控系统后发动机各工况φa可实现柔性控制；168F汽油机标定工况点φa为0.88时缸内是功率混合气，气缸压力和放热率峰值均最大，混合气变稀氧含量增加使燃烧更加完善，燃烧速度降低；标定工况φa在0.80～0.93之间，NOx排放随φa增大呈增加趋势；而部分负荷时，φa增大有利于HC，CO排放和燃油消耗率的降低，NOx排放略有增大，有利于整机HC+NOx的降低；发动机在3 600r/min时，φa宜控制在0.86～0.96之间，且随着负荷增加逐步减小；

b) 使用设定的φa控制目标结合优化后的点火提前角，电控汽油机整机CO排放值为240.3g/(kW·h)，HC+NOx排放值为5.61g/(kW·h)，整机排放值较原机明显降低，经济性得到显著提高，不使用后处理技术能达到美国EPAⅢ阶段排放限值要求，且有潜力满足更加严格的排放法规。

[1]U.S.EnvironmentalProtectionAgency.Title40:ProtectionofEnvironmentPart90-ControlofEmissionsfromnon-roadspark-ignitionenginesatorbelow19kilowatts[S].U.S.EPA：[s.n.]，2004.

[2] 胡鹏,刘胜吉,王建. 通用小型汽油机充量系数的试验方法研究[J].小型内燃机与摩托车,2008,37(4):11-13.

[3] Stephen G, Roy D. The feasibility of meeting CARB/EPA3 emission regulations for small engines[C]. SAE Paper 2007-32-0059.

[4] 刘鹏，秦静，赵亮. EGR 对通用小型汽油机HC和NOx排放的影响分析[J]. 小型内燃机与摩托车,2011,40(5):52-54.

[5] Cliff Y Y Wu, Yu-Yin Peng, Tien-Ho Gau. Emission control of four-stroke motorcycle engine[C]. SAE Paper 951760,1995.

[6] 王小龙.通用小型汽油机分层稀薄燃烧技术研究[D].重庆:西南大学，2012.

[7] Charalampos I A, Anastasios N K, Panagiotis D S. Behavior of a small four-stroke engine using as fuel methanol gasoline mixture[C]. SAE Paper 2008-32-0024.

[8] 刘胜吉，田晶，王建. 通用小型汽油机油气混合两相流动分析与低排放研究[J]. 农业工程学报,2011,27(6):100-104.

[9] 侯乐福，王忠，倪培永，等. 小型通用汽油机燃用甲醇/汽油排放研究[J].机械设计与制造,2011(9):78-80.

[10] 陈汉玉，袁银南，方宝成. 小型通用四冲程汽油机循环波动特性研究[J].农业工程学报,2009,25(2):87-90.

[11] 陈波宁，曾科. 适用于小型汽油机的电控喷油系统[J]. 车用发动机,1999(4):15-19.

[12] Engine certificate date [EB/OL]. [2014-12-08]. http://www.epa.gov/otaq/certdata.htm#smallsi.

[13] 杨海，邓名华.国内外内燃机示功图的研究与发展[J]. 内燃机,2005(6):6-9.

[14] 刘胜吉，施万里，王建. 过量空气系数对四冲程小型通用汽油机排放的影响[J]. 小型内燃机与摩托车,2006,35(5):41-44.

[15] Waldmann E, Herzog P L. Will the naturally aspirated truck diesel engine survive the turn of the century[C]. 25th Fista Congress Technical Paper 945114.

[16] 徐澍敏，刘胜吉，尹必峰，等. 通用小型四冲程汽油机排放性能[J]. 农业机械学报,2006,37(5):41-44.

[17] 郑霞君，方祖华. 小型通用汽油机排放控制的研究[J]. 内燃机工程,2005,26(5):32-34.

[18] 尉文峰，陈红岩，张平. FAI电喷系统在汽油发电机组上的应用研究[J]. 小型内燃机与摩托车,2013,42(1):11-14.

[19] 周龙保．内燃机学[M]. 北京：机械工业出版社，2005.

[20] Keck J C,Heywood J B,Noske G.Early flame development and burning rates in spark ignition engines and their cyclic variability[C].SAE Paper 870164,1987.

[21] 李兴虎，蒋德明，沈惠贤. 火花点火发动机压力循环变动的评价方法研究[J]. 内燃机学报,2000,18(2):171-174.

[编辑： 潘丽丽]

Combustion and Emission Characteristics of 168F Electronic Controlled Gasoline Engine

LIU Shengji, HAN Weiwei, ZENG Jinjin, WANG Jian

(School of Automotive and Traffic Engineering, Jiangsu University， Zhenjiang 212013, China)

The electronic control fuel injection system of universal small gasoline engine was self-developed and the combustion, emission and other comprehensive performance were optimized through controlling the mixture concentration flexibly. The system was applied to 168F gasoline engine and its control strategy was determined according to the influences of excess air coefficient(φa)onengineworkingprocessandemissioncharacteristics.InordertomeetthecurrentemissionstandardofUnitedStatesEnvironmentalProtectionAgency(EPA),therichermixturewasusedtoreduceNOxemissioninratedconditions,theleanmixturewasusedtoreduceCOandHCemissions,andthecyclicfluctuationofengineshouldbecontrolled.Theoptimalφaand θ were determined by introducing the optimized ignition advance angle and were written into the MAP. Accordingly, the power of the gasoline engine kept unchanged and the emission and economy improved, which met the user application requirements and EPAⅢ emission standard.

gasoline engine； electronic control unit； excess air coefficient； emission control

2015-08-27；

2015-11-09

刘胜吉(1958—)，男，教授，博士生导师，主要研究方向为中小功率内燃机工作过程研究与性能优化；liusj@ujs.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.01.011

TK411.5

B

1001-2222(2016)01-0058-05