喷油时刻对摩托车发动机影响探讨

张 平，鲁国庆

(江苏林海动力机械集团有限公司，江苏 泰州 225300)

随着我国摩托车国四标准的执行，对摩托车发动机排放的要求越来越高。对于摩托车发动机喷油时刻的设计选择，如果喷油时刻适当提前，发动机进气阀的背面或者进气道壁上的油膜将得到较长的挥发时间，当进气门打开时空气和油膜进行充分混合进入燃烧室；如果喷油时刻推迟，油膜的挥发时间较短，部分燃油直接喷射到燃烧室，可以更加准确地控制喷油量。研究表明，喷油时刻对提高怠速稳定性也有较大影响。因此，加强对喷油时刻的研究对提高摩托车的制造质量及污染物排放有着非常重要的意义[1-2]。

发动机的怠速稳定性和排放是整车和发动机性能的重要指标。本文对某公司155 cc排量摩托车喷油时刻对发动机的怠速稳定性和排放的影响进行了相关试验和研究。

1 发动机简介

试验在155 cc摩托车上进行，该摩托车搭载了某公司155 cc发动机，其相关技术参数见表1。

2 电喷简介

该摩托车搭载了德尔福小型发动机管理系统MT05，其是我国摩托车主流电喷系统，该系统主要由ECU、节气门阀体(集成了怠速控制阀、进气温度和压力传感器、油门开度传感器)、喷嘴、氧传感器、水温传感器、点火线圈、油泵等构成。系统通过曲轴位置传感器的信号确定活塞在上止点前的具体位置，再利用节气门阀体上进气压力传感器的判缸信号，即可确定上止点以及所处的工作行程，进而输出控制指令，驱动喷嘴进行燃油喷射或者驱动点火线圈点火。整车的排放控制采用闭环控制精确调整最初所作的开环燃油标定数据，以优化车辆的排放特性。氧传感器安装在排气歧管与三元催化器之间，监测废气中的氧含量。排放出氧含量稀的混合气，产生约100 mV的传感器电压，氧含量浓混合气产生约800 mV的传感器电压。当空燃比为(14.6∶1)时，传感器电压有一个跃变，电脑闭环控制对氧传感器信号作出响应修改控制变量，使氧传感器的电压不断在100～800 mV之间变化，以达到最佳空燃比控制的目的。电喷系统示意如图1所示。

表1 155 cc发动机相关技术参数

型 号158MJ型式单缸、四气门、四冲程、水冷、OHC、卧式发动机气缸直径/mm58活塞行程/mm58.6总排量/mL154.8最大功率及相应转速/kW·(r·min-1)10.8/8000最大扭矩及相应转速/N·m·(r·min-1)13.8/6000压缩比11∶1点火方式ECU控制点火启动方式电启动

图1 电喷系统示意图

3 喷油时刻对怠速稳定性和排放的影响

3.1 方案实施

在研究喷油时刻与怠速稳定性以及摩托车排放关系时，所采用的试验方案是进气道内喷射方式，在喷射过程中燃油会喷射到进气门的背面形成油膜，这样使得喷油时刻明显地影响油膜的挥发时间和程度，进而对燃烧情况产生影响。在试验过程中，喷油时刻的结束时刻为控制基准，而通过ECU的计算来反推特性工况下的喷油起始时间。在发动机转速的设定过程中，由于高速运转时总体的喷油周期较短，对于油膜的挥发和燃烧产物的排放影响较小，怠速设定1 500 r/min，在空载的情况下稳定运行。同时，因在测试排放和怠速稳定性过程中受到的影响因素较多，如水温、节气门的开度、发动机的初始温度、环境温度、湿度、大气压力等，为了排除这些因素对该研究的影响，在进行相关试验时对发动机进行了充分热机，试验时空燃比设定为理想值14.6。

3.2 喷油时刻对怠速稳定性的影响

按照GB/T 18297-2001《发动机性能试验方法》国家标准，怠速的稳定性用怠速转速波动率来评价。

怠速转速波动率(ψ)按下式计算：

ψ=|nimax-nim|/nim×100%

或

ψ=|nimin-nim|/nim×100%

(1)

式中：nimax为怠速的最高转速(r/min)；nimin为怠速的最低转速(r/min)；nim为怠速的平均转速(r/min)。

测试不同的喷油时刻，记录对应怠速的最高转速、最低转速，计算出怠速平均转速、怠速转速波动率，相关试验数据见表2。

表2 试验数据

喷油时刻/°CA205080110140170200nimax/r·min-11678165416171594162116631687nimin/r·min-11364140614381460144614111389nim/r·min-11521153015281527153415371538ψ/%10.38.15.94.45.78.29.7

从表2可以看出，当喷油时刻在110° CA前后附近怠速转速波动率最小，怠速的稳定性最好。

3.3 喷油时刻对排放的影响

排放污染物主要有NOx、CO、HC，NOx是在燃烧的高温、高压条件下，由空气中的氧气和氮气反应形成的。另外，燃料中含有的氮元素经气缸燃烧后也会产生NOx，但这部分的占比很小。缸内燃烧过程NOx的生成量主要与火焰温度和火焰前锋中是否富氧及高温持续时间的长短等因素有关。高温富氧环境有利于NOx的生成，而反应时间越长生成量越大。摩托车排放的NOx也是一种混合物，主要包括N2O、NO和NO2，从排气管排出的废气中主要是NO。

HC、CO是燃料不完全燃烧的产物，因此所有影响燃烧过程进行的因素都会对HC、CO的生成和排放量产生影响。CO是发动机缸内燃烧在局部缺氧或低温条件下发生不完全燃烧产生的产物，发动机空燃比和发动机温度等因素对缸内CO的排放量影响很大。当摩托车在低负荷下运行时，特别是冷机启动后的2个试验循环内，燃烧温度相对偏低，会导致CO生成量增加。当摩托车在中等负荷下运行时，燃烧温度相对较高而油气混合气在理论空燃比(14.6)范围内闭环控制，燃料燃烧最完全，CO排放最低。摩托车排放的HC化合物主要是由未燃的燃料，以及燃料因高温裂解而产生的各种短链HC，HC产生的原因与喷油时刻、油气混合不均(如雾化不良)、燃烧组织不良、温度过低、壁面激冷效应及窜机油等因素有关。

排放物中NOx、CO、HC的形成和许多因素有关，本文重点介绍喷油时刻和排放污染物的关系，在试验过程中分别测量了喷油截止时刻内的NOx排放量，所测得NOx 排放与喷油截止时刻的关系如图 2所示。

由图2可以看出，在发动机预热后怠速状况下，NOx的排放量一直到喷油截止时刻上止点前300° CA都没有大的变化，而后呈现出先下降后上升的趋势，从上止点前500° CA开始往后又基本没有变化。

在碳氢化合物HC的分析过程中，测量了上止点前720° CA喷油时刻的碳氢化合物排放量，碳氢化合物HC 排放量与喷油截止时刻的关系如图 3 所示。

图2 NOx 排放与喷油截止时刻的关系

图3 HC排放与喷油截止时刻的关系

由图3可以看出，在喷油截止时刻上止点前720° CA时，碳氢化合物的排放量呈现先逐渐下降然后又逐渐上升的趋势。当喷油截止时刻在上止点前约400～500° CA时，碳氢化合物HC排放量最少，与前面100～200° CA的喷油截止时刻相比，碳氢化合物的排放量下降了大约25%；而在喷油截止时刻超过上止点500° CA时，碳氢化合物HC的排放量不仅没有降低反而逐渐提高，这说明喷油时刻与发动机的HC排放量有密切的关系，并不是喷油时刻越提前越好，这需要在工作中根据实际情况进行确认。

在研究发动机CO排放量的过程中，对喷油时刻进行了测量，最终得到CO 排放与喷油截止时刻的关系如图 4 所示。

由图4可以看出，CO的排放量随着喷油截止时刻的关系呈现出先下降后上升的趋势。CO排放量在喷油截止时刻500° CA时最少，相当于75° CA喷油结束时排放量的63%，然后在500° CA喷油截止时刻后CO的排放量迅速提高，这也说明此次试验的喷油时刻最佳时间在500° CA前后。在实际控制中可以以此为试验标准，合理地制定喷油时刻。

图4 CO 排放与喷油截止时刻的关系

4 小结

研究喷油时刻对降低摩托车的排放和提高怠速稳定性具有重要意义，在摩托车的发展过程中要加强电喷标定与相关技术的研究和开发工作。