FAI二沖程缸內(nèi)直噴汽油機的研究

1、FAI 二沖程缸內(nèi)直噴汽油機的研究 蔡曉林1 ,楊延相2 ,張 平1 ,劉昌文1 ,郗大光2 ,尤兵1(1 . 天津大學 機械工程學院 ,天津 300072 ;2 . 天津內(nèi)燃機研究所 ,天津 300072)摘要 :基于 AX2100 二沖程化油器式發(fā)動機進行了 FA I ( Free Armat ure Injectio n 自由電樞噴射) 缸內(nèi)直噴二沖程發(fā)動機的臺架試驗研究 ,在原機的基礎上設計改造了一個適合缸內(nèi)直噴的燃燒室結構 ,獲得了大量的 缸內(nèi)直噴的試驗數(shù)據(jù)和電控參數(shù)的 MA P 圖 ,并做了該直噴發(fā)動機和原化油器發(fā)動機的性能 、燃油消耗和 HC 排放的比較 。結果表明 , FA I

2、 直噴技術能夠成功地應用于二沖程發(fā)動機缸內(nèi)直噴系統(tǒng) ,極大改善了燃油短路的現(xiàn)象和掃氣效率 ,在整個運行范圍內(nèi)燃油消耗大大降低 , HC 排放改善很多 。關鍵詞 :缸內(nèi)直噴 ; FA I 噴射 ;二沖程發(fā)動機 ;燃油消耗 ;排放中圖分類號 : T K41316文獻標識碼 :AStudy on FAI Two2Stroke D ISI EngineCAI Xiao2l in1 ,YA NG Yan2xiang2 , ZHA NG Ping1 ,L IU Chang2wen1 , XI Da2guang2 ,YO U Bing1(1 . School of Mechanical Engineerin

3、g , Tianjin U niversity , Tianjin 300072 ,China ;2 . Tianjin Internal Co mbustio n Engine Research Instit ute , Tianjin 300072 ,China)Abstract :This paper int roduces t he research of t he FA I ( Free Armat ure Injectio n) t wo2st ro ke D ISI engine modi2 fied f ro m a carburetor t wo2st ro ke gasol

4、ine engine AX2100 in details. A co mbustio n chamber meeting to t he f uel di2 rect injectio n technology was developed and a large amount of raw data and MA P of t he elect ro nic co nt rol parame2 ters were obtained. Moreover ,t he co mpariso ns in power ,f uel co nsump tio n and emissio n were co

5、 nducted. The re2 sult s showed t hat t he FA I direct injectio n technology could be successf ully applied to t he t wo2st ro ke engine ,elimi2 nating short - circuiting p heno meno n and imp roving t he scavenge efficiency. Fuel eco no my and exhaust emissio ns over t he whole operating range were

6、 imp roved greatly.Key words :Direct injectio n ; FA I injectio n ; Two2st ro ke engine ; Fuel co nsump tio n ; Emissio n引言二沖程汽油機由于其結構簡單 、升功率高 、成本低廉等優(yōu)點而廣泛應用于摩托車 、小型汽車 、舷外機 和割草機等領域 。由于傳統(tǒng)的曲軸箱掃氣化油器供油式二沖程發(fā)動機在換氣方面存在的固有問題 ,在 大多數(shù)情況下 ,未燃 HC 直接進入排氣系統(tǒng)中 ,使其 HC 排放和油耗很高 。但是有關的污染物排放的法 規(guī)已經(jīng)迫使二沖程發(fā)動機降低它的未燃 HC 排放和油耗 。

7、因此新型的低排放污染 、低燃油消耗的二沖 程火花塞點火式發(fā)動機的開發(fā)已經(jīng)迫在眉睫 。以前 ,充分分離新鮮混合氣和燃燒室中的廢氣還是不可 能的事情 。直到缸內(nèi)直噴技術的出現(xiàn) ,才使人們看到了二沖程發(fā)動機的曙光1 6 。近年來 ,國外研究人員在把燃油直噴技術應用于二沖程發(fā)動機上做出了很多設想 ,基本方案包括缸 內(nèi)高壓燃油噴射 、電控低壓缸內(nèi)燃油直噴7 9 、電控燃油夾氣噴射以及機械式空氣輔助燃油噴射10 。 對于小缸徑設計 (特別是發(fā)動機排量在 50 mL 125 mL 之間) 的摩托車 ,采用低成本的燃油直噴技術是最為合理的方案 ,其中應用最多的以電控燃油夾氣噴射為主 。如 O RB I TAL

8、 公司的 SEF IS ( Small En2gine Fuel Injectio n System) 夾氣噴射技術11 , IF P 公司開發(fā)的 IA PAC 系統(tǒng)12 ,13 ,以及 Orbital 公司和Fo rd14 ,15開發(fā)的 A F I 燃油夾氣噴射系統(tǒng) ,都取得了不錯的效果 。但電控燃油夾氣噴射系統(tǒng)的缺點是系統(tǒng)相對復雜 、成本高 ,而且對噴入缸內(nèi)的燃油量不能進行及時準確的調(diào)節(jié) 。本項工作旨在應用低成本的一體化電磁燃油噴射器 FA I16 實現(xiàn)二沖程摩托車發(fā)動機的缸內(nèi)燃油 直噴 ,可以準確 、定時定量地對噴入缸內(nèi)的燃油量進行調(diào)節(jié) ,從而解決二沖程發(fā)動機排放差 、油耗高的問題 ,同

9、時又不喪失二沖程發(fā)動機的固有優(yōu)點 。本文初步探討了應用 FA I 技術實現(xiàn)二沖程發(fā)動機缸內(nèi)燃油直噴化的基本方案 ,并通過大量的臺架試驗研究得到了電控參數(shù)的 MA P 圖 。試驗結果表明 : 該方案 在初步優(yōu)化控制參數(shù)后 ,發(fā)動機工作穩(wěn)定 ,大大改善了油耗和 HC 排放 。1燃油噴射系統(tǒng)圖 1 所示為本項研究所用的燃油噴射系統(tǒng) ,它是由一個電控的 FA I 噴油器和一個低壓供油泵組成的 。所需的電控單元硬件和軟件是專為本項研究而開發(fā)的 。FA I 噴油器是一個電磁驅(qū)動的高壓噴油裝置 ,通過電磁線圈驅(qū)動其中的自由電樞和柱塞對高壓油箱中的燃油進行脈沖式加壓噴射 。調(diào)節(jié)驅(qū)動電 壓脈沖寬度就可以調(diào)節(jié)噴油

10、量 。圖 2 為試驗所用 FA I 噴油器的噴油量和噴油驅(qū)動脈寬的關系圖 。圖 3為噴油壓力脈沖波形圖例 。圖 1 燃油噴射系統(tǒng)Fig. 1Fuel injection system從圖中可以看出 :噴油壓力可達 9 M Pa ,驅(qū)動脈沖越寬 ,噴油壓力越高 。隨著驅(qū)動脈沖寬度的增加 ,噴油量近似呈線形增加 ,并且與脈沖頻率 ,即發(fā)動機轉速的關系不明顯 。由于 FA I 噴油器采用了噴油 和回位全程電磁驅(qū)動的結構設計 ,并且電樞在磁場中完全自由 ,所以該噴油器可以以較低的驅(qū)動電壓實 現(xiàn)高頻噴射 。具體地說 ,本試驗所用的噴油器在 12 V 電池電壓下可以實現(xiàn)最高 120 次/ s (相當于 7

11、 200 r/ min 下) 的高壓噴射 。由于該噴油器壓力大于 3 M Pa ,所以可以在壓縮行程的后半期噴油 ,從而有望實現(xiàn)缸內(nèi)分層燃燒 。由于二沖程發(fā)動機的燃燒溫度高 ,因此在供油系統(tǒng)中增加了一個低壓油泵 ;它可以 排除噴油器中產(chǎn)生的氣泡 ,而且有一定的冷卻作用 。發(fā)動機發(fā)動機的規(guī)格參數(shù)如表 1 所示 。2表 1 二沖程直噴發(fā)動機的規(guī)格參數(shù)Ta b. 1 Para meters of t wo stroke D ISI engine進氣控制化油器活塞閥本項研究選用了排氣量為 98 cm3 的 A X2100 型摩托車發(fā)動機為基礎發(fā)動機 , 對其缸蓋和活塞重新進行了設 計 ,并且將原機化油

12、器換為裝有節(jié)氣門位置傳感器的節(jié)氣門體 。另外 ,將原機的 CD I 點火系統(tǒng)改換為 8 極磁電機外觸發(fā) ECU 控制的 CD I 點火系統(tǒng) ,具體參數(shù)見表 1 。 燃燒系統(tǒng)的設計是汽油機直噴系統(tǒng) ( D IS I) 開發(fā)的關鍵之一 ,它要兼顧大負荷均質(zhì)預混燃燒和中小負荷分層稀 燃的要求 ,更增加了燃燒系統(tǒng)的設計難度 。發(fā)動機燃燒系統(tǒng)的設計需要進行油 、氣 、室合理配合 ,還要優(yōu)化噴油器和火花塞的位置 、進氣道的設計 、噴油定時和點火定時等細 節(jié)性的問題17 ,再加之二沖程發(fā)動機沒有進排氣道 ,使得燃燒室的結構設計與噴油器 、火花塞的布置更為關鍵和重要 。經(jīng)過多種方案設計匹配的試驗研究 ,在原機

13、的缸蓋上 做了很小的改動 ( 本文的設計開發(fā)思路是盡量減少成本 ,對原機不做大的改動) , 圖 4 為新設計缸蓋的照片 , FA I噴油器接近于垂直地安裝在靠近燃燒室中心的位置 ,火花 塞斜置 ,其電極間隙的位置也靠近于燃燒室中心 ,但處于噴油器的下方 。另外還要在缸蓋上安裝一個缸蓋溫度傳感器和一個測量缸內(nèi)壓力的壓力傳感器 。 由于噴油器直接對著活塞頂部噴油 ,為盡量避免油束圖 4改造后的缸蓋圖Fig. 4Ne w developed cyl inder hea d項目原機 AX2100 直噴 AX2100項目原機 AX2100 直噴 AX2100缸徑50 mm 50 mm 行程50 mm 5

14、0 mm 排量98 cm3 98 cm3 有效壓縮比 6161 7191燃油供給系統(tǒng)化油器供油FA I 高壓電子直噴 蝶型轉閥式節(jié)氣門體8 極磁電機外觸 點火CD I 點火系統(tǒng)發(fā) ECU 控制的 CD I 點火系統(tǒng)掃氣方式 曲軸箱回流掃氣 回流掃氣 排氣口開 99°A TDC 99°A TDC 標定功率 712 k W最大轉矩 8133 N·m于燃燒室邊緣 ,造成 HC 排放大大升高 ,在活塞頂上設置了一個淺的凹坑 ,使得混合氣更加集中于燃燒室中心 ,而且它還起到一定的導流的作用 ,使得火花塞周圍有很濃的混合氣 ,可望獲得好的分層燃燒 。3電子控制系統(tǒng)和試驗開發(fā)平

15、臺本項研究中開發(fā)了專用于 FA I 噴油器和數(shù)字控制 CD I 點火的電子控制單元 ( ECU ) 。其輸入信號有節(jié)氣門位置 、曲軸位置脈沖 (磁電機點火觸發(fā)脈沖) 、缸蓋溫度 、進氣溫度以及電池電壓 。輸出信號有噴油脈沖和點火脈沖 。發(fā)動機轉速和點火相位由相鄰兩個曲軸位置脈沖間隔時間和點火提前角設定表 來計算 。另外 ,本項研究應用了專門的臺架試驗系統(tǒng)15 來進行試驗 。該系統(tǒng)以裝于一臺 PC 機上的 D IS I 電控開發(fā)平臺為核心在線診斷 ECU 工作狀態(tài) ,并在線改變發(fā)動機運轉控制參數(shù) , 通過該 D IS I 開 發(fā)平臺 ,還可以在線改變發(fā)動機 ECU 的工作參數(shù) ,如噴油脈沖寬度和

16、點火提前角等 。同時該 D IS I 開發(fā)平臺還可通過高速采集卡測量缸內(nèi)壓力波形 ,實時顯示或保存數(shù)據(jù) 。初步試驗結果及分析44 . 1 FAI 直噴發(fā)動機基準 MAP 圖的開發(fā)三維 MA P 圖 (圖 5圖 7) 是開發(fā)系統(tǒng)應用時所要得到的最終結果之一 。MA P 主要通過在發(fā)動機 臺架進行標定試驗 ,得到發(fā)動機的性能參數(shù) ,再在軟件環(huán)境下對發(fā)動機的性能參數(shù)進行分析而產(chǎn)生 。這一工作主要是在電控開發(fā)平臺 (D IS I) 上進行的 。本次試驗中將節(jié)氣門開度 ( 0100 %) 位置劃分為 16個等級 ,轉速 (2 000 r/ min6 000 r/ min) 劃分為 10 個等級 ,并在開

17、發(fā)系統(tǒng)的工況控制點設置界面進行 設置 。考慮到低負荷殘余廢氣多 、性能和排放較差的情況 ,因此低負荷節(jié)氣門等級劃分的細一些 ,而高 負荷則較粗一些 ;怠速工況單獨考慮 。從轉距特性圖 8 中可以看出整個圖形比較平滑 ,沒有特別陡的地方 ,這說明其行駛性比較好 ,過渡 平穩(wěn) ;尤其是在常用的轉速和負荷區(qū)域內(nèi) ,轉矩達到 5 N·m6 N·m ,對于二輪摩托車來說 ,轉矩儲備比 較充分 。燃油消耗如圖 9 所示 ,燃油消耗最大為 450 g/ ( k W·h) 左右 ,最小可達 280 g/ ( k W·h) 左右 (這是可以和四沖程媲美的) 。尤其是超過

18、4 000 r/ min (常用的范圍) 以后 ,燃油消耗基本上在 300 g/ ( k W·h) 350 g/ ( k W·h) 的范圍內(nèi) 。在整個運行范圍內(nèi) ,燃油消耗都較低 。低速燃油消耗較高 ,也許同其低速時 掃氣效率低 、殘余廢氣多有很大關系 。上述分析說明缸內(nèi)直噴確實極大地消除了燃油短路的現(xiàn)象 。HC 排放三維圖如圖 10 所示 。從整個運行范圍內(nèi)看 ,基本上在 350 ×10 - 6 750 ×10 - 6 的范圍內(nèi) ,這種結果是相當好的 ,低速低負荷時 HC 排放還是較高 ,這說明此時燃燒還是不夠理想 ,殘余廢氣還是 很多 。4 . 2F

19、AI 直噴發(fā)動機與原機的性能比較對原機的 50 %和 100 %兩個不同油門開度下的速度特性進行了記錄 ,速度從 2 500 r/ min 變化到6 500 r/ min 。由于原機的 HC 排放太高 ,在所有工況條件下 ,其數(shù)值都在 5 000 ×10 - 6以上 ,其中尤其在 怠速時 , HC 排放高達 7 000 ×10 - 6 ,而 FA I 直噴發(fā)動機在整個運行范圍內(nèi) HC 排放都在 1 000 ×10 - 6 以下 ,因此 HC 排放指標就沒有比較的必要 ,直噴發(fā)動機的優(yōu)勢是非常明顯的 。所以重點比較它們的動力性和經(jīng)濟性指標 。油門開度為 50 %時原

20、機和直噴發(fā)動機的比較示于圖 11 ,主要比較了它們的轉矩和比油耗 。從圖中 可以看出 ,直噴發(fā)動機跟原機相比 ,在中低轉速下比油耗降低了 20 %40 %左右 ,尤其是在 3 500 r/ min時 ,比油耗改善了約 40 %左右 ,這也間接說明了缸內(nèi)直噴的確可以消除燃油短路的現(xiàn)象 ,并在中低速中低負荷可能實現(xiàn)了局部良好的分層稀燃 。油門開度為 100 %時原機和直噴發(fā)動機速度特性的比較示于圖 12 。轉矩在中低轉速時有略微的降 低 ;但是當轉速到 5 000 r/ min 以上時 ,轉矩反而有一定的增加 。這主要是因為直噴發(fā)動機在油門滿開口 ,進氣節(jié)流損失大 。而在這兩種油門開度下 ,中低轉

21、速的轉矩略微下降是由以下原因引起的 : 二沖程發(fā)動機原機主要工作在混合氣較濃的條件下 ( = 0192 左右) ,這可以從它的高油耗看出來 ; 而 FA I 直 噴發(fā)動機在中低轉速時 ,理論上讓其主要工作在分層稀燃狀態(tài) ,空燃比 較大 、混和氣較稀 ,是為了取 得更好的排放性能和燃油消耗 ,而實際上有混合不夠好的地方 ,會導致燃燒不好 ; 再加上實際缸內(nèi)流場 的復雜 ,局部并沒有獲得良好的分層稀燃 ,導致了轉矩略微降低 ?？傊?,跟原機比較 ,在所有工況條件下 ,電控直噴二沖程發(fā)動機的動力性降低很小 ,而經(jīng)濟性和排放 的改善非常明顯 。5結(1) (2) (3)論初步的試驗結果表明 , FA

22、I 燃油噴射技術可以應用于二沖程缸內(nèi)直噴系統(tǒng) 。 通過大量的臺架試驗得到了各種主要的電控參數(shù)的 MA P 圖 。FA I 缸內(nèi)直噴系統(tǒng)成功地實現(xiàn)了供油和掃氣的分離 ,極大地消除了燃油短路的現(xiàn)象 ,改善了掃氣效率 。(4)改進后的燃燒室結構和 FA I 燃油噴射系統(tǒng)的匹配 、以及噴油器和火花塞的位置配合初步取得了成功 。但是可以看出還是有很大的改進的空間 。(5)二沖程直噴發(fā)動機跟原機對比 ,燃油消耗改善了 20 %40 % , HC 排放大大減少 。參考文獻 :1Tando nori Sato , Mit sushige Nakayama . Gasoline Direct Injectio

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