新一代车用发动机电喷技术-FAI
在摩托车上的应用
白景升郗大光杨延相刘昌文白富强
天津摩托车技术中心
摘要本文介绍了一种以直线运动为基础的新一代发动机电喷技术—FAI。与传统的旋转式电子供油系统相比较,它具有系统可靠、成本低、对油品不敏感等优势。FAI技术可以实现高达10MPa的高压喷射,因此不仅能够应用于进气道喷射(PI)系统,而且可以应用于缸内直喷系统(DISI)。文章介绍了一台125cc排量的四冲程摩托车发动机应用FAI实现气道电喷的实例,以及一台100cc排量的二冲程摩托车发动机应用FAI实现火花点火缸内直喷燃烧的实例。
1.导言
节能与环保是世界各国都十分重视的问题。电喷技术是车用发动机降低排放污染物和节约燃油的根本性措施。根据有关法律,我国2001年9月份以后生产的轿车和5人座以下的微型汽车不得再采用化油器技术。我国目前采用的摩托车排放法规参考了欧洲I号标准,化油器技术可以满足这一法规要求。我国有关部门正在抓紧制定与欧洲II号标准接近的排放法规,传统的化油器将受到淘汰的危险。因此,实施欧洲II号标准后,摩托车采用电喷技术将成为必然趋势。
从技术上讲,实现(超)低污染的基本途径是:用电子喷射的手段将燃油与空气的混合比例调节到理论化学当量比,再用三元催化转换后处理装置将排放气体进一步净化。
然而,遗憾的是,摩托车作为一种方便廉价实用的代步工具,其成本不可能象汽车那样有很大的弹性,汽车的多缸发动机所用的电喷技术,很难照搬到摩托车上来。
FAI (Free Armature Injection 自由电枢喷射)技术采用全新的电控喷射方案,实现了低成本的高精度燃油喷射控制,使摩托车的排放和油耗得到大幅降低。
2.FAI原理与系统
图1为传统的汽车多缸机用燃油喷射系统的基本构成,其中的“油泵、调压器、喷油器”为独立的3个部件,分别完成对燃油的加压、调压、定量定时喷
射。这三个部件,特别是油泵,是造成电喷系统成本增加的主要而又难以省去的部件。
图2为FAI 电控喷射系统的构成,利用独创的完全自由电枢电磁脉冲驱动原理,将电喷系统中的“油泵——调压器——喷油器”三件合成为一个“FAI 喷油器”,它完成对燃油的加压和脉冲喷射。它只需连接上油箱来低压供油,连接上电控单元(ECU )来控制喷油定时和定量。因为电枢完全自由,电磁驱动力可以全程作用其上,所以可以实现最高每秒140次以上的喷射,即该系统应用于2冲程发动机,最高转数可达8500 rpm ,应用于4冲程发动机,最高转数可达17000 rpm 。
010203040506070
80901000
0.51
1.52
2.5
Time[ms]
P r e s s u r e [b a r ]
图1 传统的汽车多缸机用燃油喷射系统的基本构成
电磁线圈
图2 FAI 燃油喷射系统的基本构成
010203040506070
8090100
Time[ms]
P r e s s u r e [b a r ]
图3 为控制脉冲频率为10Hz 和100Hz 时,FAI 喷油器的喷射压力曲线。从图3可以看出,FAI 喷油器能以50bar 以上的压力喷射燃油,从而获得细微的燃油雾化效果,喷射持续时间只有1-2ms ,所以,FAI 喷油器不仅可以用于缸外气道喷射系统,而且可以用于缸内直接喷射火花点火发动机。
图4给出了三种控制脉冲频率下控制电脉冲宽度与每次燃油喷射量的关系曲线的实例,可以看出,在一定的范围内每次喷油量与脉宽成正比,不过最大喷 油量随频率的增加而减小。
图4 FAI 喷油器喷油量曲线
图3 FAI 喷油器的喷射压力曲线 024681012141618202224262830
32343638404
4.5
5
5.56
6.57
7.58
8.59
9.5
Injection Pulse Width (ms)
I n j e c t e d F u e l (m m 3/p u l s e )
3. FAI-PI 气道喷射发动机
图5为用FAI 系统构成气道喷射发动机的示意图。
图5 FAI-PI 四冲程气道喷射发动机系统
图6为装备有FAI 系统的125cc 四冲程气道喷射发动机稳态工况下的油耗曲线,图中TP 表示节气门开度,其数值越大,表示节气门开得越大,TP16为WOT
g/kw ?h 。
260
280
300
320
340
360
380
400
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
5500
6000
6500
7000
7500
8000
8500
9000
950010000
rpm
g e (g /k W h )
图6 125cc FAI-PI 四冲程气道喷射发动机油耗曲线
FAI 喷油器可安装在进气管上,喷咀喷向进气道内。基本喷油脉宽的确定采用速度开度法,即由发动机转速(由磁电机触发线圈信号计算)和节气门位置(由节气门位置传感器测量)来确定,缸盖温度,进气温度,节气门变动速度和氧传感器的信号对基本喷油脉宽进行适当的调整。氧传感器的信号用于反馈控制,从而可以使空燃比始终接近于理想目标值。所有这些计算及MAP 的存储皆由ECU 来完成。ECU 同时还存储有点火MAP ,可以对点火时刻按不同的要求进行控制。
图7为该发动机稳态工况下的排气CO 浓度(%),可见除TP16的外特性故意将混合气设浓而使CO 浓度达2.5-6.5%外,其他工况下的CO 浓度皆小于2%,大多数为0.5%左右,这是因为反馈控制可保证混合气始终处于当量比。
0.0
0.51.01.52.02.53.03.5
4.04.5
5.05.51500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
50005500
6000
6500
7000
7500
8000
8500
9000
rpm
C O (%)
图7 125cc FAI-PI 四冲程气道喷射发动机排气CO 浓度曲线
图8为该发动机的HC 排放(ppm ,正已烷当量),皆在200ppm 左右,比一般化油器发动机低。
050100150200250300350
4004505005501000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
50005500
6000
6500
7000
7500
8000
8500
9000
9500
rpm
H C (p p m )
图8 125cc FAI-PI 四冲程气道喷射发动机排气HC 浓度曲线
图9为NO 排放浓度(ppm ),最高达2900ppm 左右,比一般化油器发动机高,这是因为当量比燃烧使燃烧温度高的缘故。另外,该发动机的输出扭矩和功率与原发动机基本保持相同。
020040060080010001200140016001800
2000220024002600280030001000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
50005500
6000
6500
7000
7500
8000
8500
9000
rpm
N O (p p m )
图9 125cc FAI-PI 四冲程气道喷射发动机排气NO 浓度曲线
4. FAI气道喷射四冲程摩托车
图10为将FAI气道喷射发动机装于摩托车的照片。该车已进行了各种实验室及道路测试实验。其按ECE R40工况进行工况法测量排放的结果为:CO: 4.3 g/km ; HC: 1.09g/km ; NO x: 0.16g/km , 达到了EUROⅡ标准的要求。
图10 FAI-PI 装于125cc摩托车
5. FAI-2S-DISI缸内直喷火花点火二冲程摩托车发动机
因为FAI喷油器的喷油压力高达50bar以上,所以可用于缸内直喷火花点火发动机。特别是对曲轴箱扫气的二冲程摩托车发动机,采用电控缸内直喷供油方式后,其HC排放和油耗会大幅度改善。
图11为FAI-2S-DISI发动机的构成原理图,与FAI-PI不同的是喷油器直接安装在缸盖上,且活塞顶部需要一定的燃烧室形状。另外,因为空气扫气会短路到排气管中,所以氧传感器不能检测缸内混合气是否处于当量比,因此不需要氧传感器,也就不能进行反馈控制。
图12为一台100cc的FAI-2S-DISI二冲程发动机样机的实测油耗曲线,可见最低油耗接近于四冲程发动机的水平,为272g/kw h。另外,大多数工况下的HC排放浓度皆在400-800ppm(正已烷当量),CO排放浓度在0.1-2.0%。NO x排放<1500ppm。怠速工况可进行间隙喷油,HC 排放最低可达620ppm。
6. 结言
FAI燃油电喷系统是一种新型的低成本高压喷射系统,特别适用于单缸的四冲程气道喷射和二冲程缸内直接喷射发动机,进一步完善该系统,将使摩托车技术获得重大进步。
260
280300320340360380400420
4404604802
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
Throttle Position TP
g e (g /k W h )
图12 100cc FAI-DISI 二冲程发动机样机的实测油耗曲线