缸内喷射在摩托车发动机上的应用研究*

谢冬和

（湖南汽车工程职业学院机电工程学院 湖南 株洲 412001）

引言

近年来，随着国内环境污染及能源危机的日益严重，国家摩托车新排放法规的颁布，对摩托车的排放及油耗提出了更高要求。尽管大多数摩托车发动机已采用了进气道喷射汽油的方式供油，由于在进气道内不能产生足够强的涡流，混合气中的汽油不能完全雾化，形成的混合气质量较差，导致汽油燃烧不完全，冷起动排放和经济性较差[1]。气缸内喷射与进气道喷射完全不同，而与柴油机工作相似，是直接将汽油喷入气缸内雾化与空气混合，再通过预设的控制程序，可大幅度降低发动机排放，因此，缸内喷射在摩托车行业有着广泛的应用前景，并将成为发展方向。

1 测试设备

试验研究中采用的测量设备包括燃油供给装置、电控喷射装置及台架装置等，燃油供给装置的作用是为喷油器提供恒压的高压汽油；电控装置的作用是依据各传感器输入的信号，由计算机进行精准计算及处理后，按预设的程序控制喷油器的喷油量和喷射时刻来实现对发动机运行的控制；台架装置的作用是对发动机的测试运行情况进行记录，还可在线对其一些运行参数进行适时修改。

1.1 燃油供应装置

汽油直接喷入气缸内时，其雾化及混合的时间很短，要实现对摩托车发动机的缸内喷油微粒化，要求的喷油压力较高。随着油压升高，油雾粒径会减小，穿透力增大，会造成湿壁[2]。为了限制喷雾的穿透力，喷油压力不能太高，在保证燃油微粒化的情况下应尽量降低喷射压力，但喷射压力不能过低，过低会导致喷射的汽油珠直径过大，难以雾化，混合气质量差，影响发动机的正常运行，一般情况下喷油压力取4～12 MPa，这也远高于进气道喷射时所需的油压[2]。图1为燃油供应系统示意图，其工作原理是：油泵将汽油泵入增压阀内，再由液压增压阀将汽油压入喷油泵，喷油管连接喷油器，喷油器将汽油喷入气缸内。由于摩托车发动机排量小，单次喷油量很小，并且喷油管内产生的压力波动很小，可直接采用加粗的高压油管代替。经验证，这种液压增压燃油供应装置能够实现持续向喷油器提供所需要的高压燃油。

图1 燃油供应系统示意图

要实现汽油能够向发动机缸内持续喷油的另一个关键因素是喷油器的设计与制作。据分析，要提高汽油的雾化、混合质量及保持一定的贯穿度，可采用内开旋流式喷油器[3]。在试验时采用了电磁阀作为喷油器开启和闭合的控制阀，并利用了柴油机喷油器改造制作了轴针式喷油器，该轴针式喷油器采用电磁阀控制其开启和闭合，最小开启压力≥5 MPa，通过软件来实现对喷油器的喷油量及喷油时刻的精准控制，满足了发动机的使用要求。

1.2 汽油电控喷射及台架测试装置

因缸内喷射与进气道喷射具有共性，测试时可在改进后的进气道喷射试验台进行，改进后的试验台如图2所示。试验台包括计算机、各种信号传感器、排放仪等，计算机的功用是控制及管理试验过程，与之相配套的有数据采集卡及信号转换器等，具有数据处理及通信功能。由各种传感器采集到的进气压力、进气温度、节气门位置、缸头温度、转速及废气中的氧含量等信息输入计算机，再由计算机对其进行分析和计算，确定每循环的喷油量、喷油时刻和点火时刻，发出脉冲信号对喷油器的开启及闭合进行控制，同时对发动机试验台和显示器的运行参数进行监控并记录相关数据，排放仪则通过串行方式与计算机进行数据交换。

图2 电控及测试装置原理框图

2 发动机试验结果及分析

台架试验用样机为一台156FMI单缸风冷汽油发动机，匹配125型骑式摩托车，应用非常广泛，其气缸工作容积为124 mL，压缩比为9.0∶1，标定功率为6.3 kW，对应转速为7 000 r/min，为能够在摩托车发动机上实施缸内喷射，需对发动机缸盖进行适当改造，以方便装配喷油器，喷油器采用的汽油喷射压力≥5 MPa。

2.1 缸内直喷汽油机与原机性能的比较

2.1.1 动力性能对比

图3所示为156FMI摩托车发动机分别使用化油器供油，进气道喷射及缸内喷射时的外特性对比曲线，从图3可以看出，在高速负荷情况下，发动机缸内喷射的输出功率明显要比化油器供油及进气道喷射好。原因在于缸内喷射避免了化油器喉口处因直径突变造成进气节流损失，也避免了进气道喷射时混合气在进气门座凝聚造成的汽油雾化不良，混合气质量欠佳的问题，提高了发动机的充气效率及汽油喷射量[4]。在中低速时转矩略有下降。其原因是在中低速时缸内喷射采用了后期喷射原理，希望混合气能在分层稀燃条件下工作，但由于缸内复杂的场流阻碍了汽油进一步的雾化及分层的形成，混合气分布不均，燃烧不稳定，燃烧压力略有下降，影响功率，对此问题可进行进一步分析，采用均质燃烧系统来规避分层上的困难。

图3 发动机外特性对比

2.1.2 怠速工况排放对比

156FMI型摩托车发动机采用化油器、进气道喷射及缸内喷射[5]等供油方式下的怠速工况排放测试结果如表1所示。

表1 怠速工况排放对比表

从表1分析得知，当156FMI摩托车发动机采用化油器供油时，为方便冷机时容易起动，需要供给较多的浓混合气，但在低温状态时汽油蒸发雾化效果不良，导致混合气燃烧不完全，污染物排放严重超标；采用进气道喷射供油时，汽油雾化效果要比化油器式好，但由于进气道内产生的涡流强度不够，部分混合气在进气门座上凝聚成油珠，雾化质量欠佳。而缸内喷射扩大了发动机的稀燃极限，高压喷入气缸内的汽油成微雾状，能迅速吸收缸内热量而与空气充分混合，使气缸内最高温度能有效降低，从而使HC、CO及NOx排放显著降低。

2.2 喷油提前角对排气中污染物的影响

喷油提前角对气缸内喷射的发动机来说是很重要的控制参数，它直接影响着汽油的蒸发速度及混合气形成质量的好坏，并最终影响到发动机的动力性、经济性和污染物排放。试验在发动机台架上进行，测试时使发动机处于低负荷状态，并通过调整发动机负荷的大小来保持其转速始终在3 000 r/min上下，测试不同喷油提前角状态下，发动机排气污染物的变化情况，如图4～图6所示。

图5 喷射提前角对CO排放的影响

图6 喷射提前角对NOx排放的影响

从图中分析得知，适当增大156FMI型摩托车发动机的喷射提前角即增大了汽油雾化时间，有利于汽油雾化和良好混合气的形成，但在低负荷时增大喷射提前角不能形成良好的分层燃烧，反而会使局部区域失火，燃烧更加不稳定，使排气中的HC含量迅速增多，而随着喷油提前角的继续增大，排气中的HC含量反而随之下降，这是由于随着喷油提前角的增大，延长了汽油雾化及与空气的混合时间，使混合气质量变好，混合气趋于充分燃烧，燃烧产生的最高温度会上升，使排气的NOx含量会增加，但当喷油提前角增加得较多时，气缸内压力还未达到较大值，使高压油束喷射到缸壁上形成湿壁，使燃油难以蒸发，可燃混合气形成的速度慢且不均匀，质量差，从而使排放废气中的CO和HC含量增加。

从以上分析得知，在发动机缸内喷射中，汽油早喷射产生的总体效果要好于迟喷射，故在气缸内难以实现喷射时，可在缸内采用均质混合方式来扩大稀燃极限，从而保留缸内喷射的优点，对于摩托车发动机降低有害气体的排放及提高其经济性是一个可行的实施方向。

3 结论

1）燃油供应装置中的液压增压泵可保证喷油器能得到持续不断的高压汽油供应，且供给喷油器的汽油压力波很小，满足缸内喷射的压力需要。

2）改造后的156FMI型摩托车发动机在动力性、经济性及排放性等方面要明显优于化油器供油，也要高于进气道喷射供油。

3）喷油提前角的选取对缸内喷射发动机的污染物排放影响很大，适当增大喷油提前角，延长了汽油雾化及混合气形成的时间，形成的混合气质量较好，对降低排气中的有害气体有利。

4）当156FMI发动机采用缸内喷射时，若分层燃烧难以形成时，可适当采用缸内喷射均质混合的方式来加大稀燃的极限，从而保留缸内喷射的优点。