电控喷射乙醇燃料在火花点燃式发动机的应用研究

2003年10月(SAEC2003P007)汽车工程(增刊)电控喷射乙醇燃料在火花点燃式发动机的应用研究刘志敏邓宝清陈庆海王惠萍刘巽俊祖英利李理光吉林大学上海交通大学摘要]本文介绍了电控喷射汽油摩托车发动机改造为电控喷射乙醇摩托车发动机的手段,以及试验台上数据的在线采集及发动机实时状态控制系统的原理、组成及其应用。该在线测控系统具有实时数据采集,实时数据保存,试验曲线实时监控和发动机状态的实时控制功能。并对电控喷射125mL汽油机和乙醇发动机的过量空气系数和点火提前角与动力性能、排放性能之间的关系进行了试验研究。指出了影响乙醇发动机排放的这些敏感参数的合理取值范围,可作为乙醇发动机参数匹配的参考。验证了发动机燃烧乙醇燃料可降低NOx排放浓度的事实。关键词:电控喷射乙醇发动机汽油机测量与控制A Study of Ethanol Fuel Application on the Electronic Fuel Injection SI EngineLiu Zhimin, Deng Baoqing, Chen Qinghai, Wang Huiping, Liu Xunjun, Zu Liying, Li LiguangJilin University, Shanghai Jiaotong University[Abstract] The measurement is introduced about the using ethanol fuel on the electronic gasoline injectiengine. Principle and application of On-line Measure and On-line Control(OMOC) system for a small sparkignition engine are presented. OMOC system has the functions as data sampling, saving, on-line monitoring andcontrolling. Effects of excess air ratio a and ignition timing 8 on CO, HC and NOx emissions from a 125 mLgasoline and ethanol engine with electronic controlled fuel injection were studied experimentally. It is proved thatethanol engine emits less NOx than equivalent gasoline engine. Relatively optimal ranges of a and etolower emissions from ethanol engine were proposed which is useful to parameter matching of ethanol engine.Key words: electronic controlled injection ethanol engine gasoline enginesignal measurement1引言随着排放法规的不断严格和电子技术的迅速发展,汽油机电控技术取得了显著的进步,作为一种成熟技术已在汽车工业中建立了坚实的基础。电控喷射系统能有效地改善发动机的动力性、经济性和排放指标也是迄今为止实现汽油发动机高效燃烧、清洁排放最有效、最简捷的途径之一。电控发动机数据信号都是由传感器输入到ECU,再由ECU发送给喷油器、点火线圈等执行部件。电控程序一般都在生产过程中固化在ECU中,在发动机工作过程中很难进行外部千预。而燃用乙醇燃料后必须调整喷油脉宽和点火提前角,否则使用汽油机的点火和喷油MAP难以使发动机达中国煤化工状况,为研究电控喷射乙醇发动机性能,开发了一套可以测量电控发动机各种CNMHG信号进行控制的在线测量及控制系统,简称在线测控系统汽车工程(增刊)2003年10月SAEC2003P007)2试验方法与仪器设备试验用发动机是125mL四冲程单缸风冷进气道喷射汽油机。燃烧乙醇时将汽油取出,加入乙醇即可使用(仅作研究用)。汽油机技术参数见表1。试验用主要测试仪表见表2。试验中燃料喷射量、点火提前角和喷油提前角是利用自行开发设计的在线测控系统,通过计算机输入控制信号完成的。表1汽油机技术参数表排量/mLS/mm(Pe/kW)/(np/r. min)Tto/N. m/nT/r. min12449555968007/8000点火提前角:13°A~32°CA点火方式:电子控制(DC-CDI)表2主要测试仪器器名称型号cW-10洛阳南峰废气分析仪FGA4015广东佛山3在线测控系统的原理及组成23.1在线测控系统的原理试验使用的电控发动机,采用进气道喷射方式。原机ECU通过采集磁电机转速信号(兼作曲轴位置信号),节气门开度信号,缸温信号,空温信号,输出控制喷油信号,点火信号试验中为了使原电控机燃用乙醇,并为以后开发乙醇ECU制取MAP图。因此利用原机ECU,通过在线测控系统,截取原机ECU的喷油信号和点火信号,并通过控制系统输出需要的目标喷油信号及点火信号,从而达到燃用乙醇的目的,其原理如图1。3.2在线测控系统的功能及组成在线测控系统主要功能有:实时数据采集,实时数据保存,试验曲线实时监控和发动机状态的实时控制功能。在线测控系统通过下位机系统(80C196KB系统和信号处理电路)采集发动机的转速信号,节气门开度信号,缸温信号,空温信号,以及原汽油机ECU发出的喷油信号和点火信号,监测发动机的实时状态。下位机通过串行接口与上位机(PC)通讯。通过上位机友好程序界面控制下位机发送喷油信号至喷油器,点火信号至点火器,从而完成了对发动机的实时参数的测量与控制过程。测控系统还可以保存试验过程中所有采集到的数据,并可以曲线方式实时监测发动机的功率、扭矩、节气门开度等参数。在线测控系统由发动机信号处理板、80C196KB系统板、喷油器及点火器信号驱动板、PC机、上位机及下位机测控程序组成(如图2)下位机程序釆用汇编语言编写,上位机程序采用ⅴC++6.0编写,程序界面如图3。3.3电控乙醇发动机与汽油机的动力性对比图4为乙醇发动机和汽油机全负荷转矩变化率m随过量空气系数da的变化曲线。从图中可见,汽油机最大转矩出现在φa=0.85附近;乙醇发动机最大转矩出现在φa=0.95附近。随着φa的加大,汽油机的转矩下降比乙醇发动机转矩下降的快。这说明保证同等转矩下降率的条件下,乙醇发动机可以比汽油机燃烧更稀的混合气,也就是说在同样的空燃比波动率下,"V凵中国煤化工汽油机小,运转更稳定CNMHG图5为乙醇发动机和汽油机全负荷转矩变化率dm随点火提前角6的变化曲线。从图中可见,两种发动机的转矩随点火提前角的变化规律一致,但汽油机对θ更敏感些。为维持发动机的动力性,点火提前角不宜偏离最佳点火提前角过远。2003年10月(SAEC2003P007)汽车工程(增刊)114电控乙醇发动机与汽油机的排放性对比4.1HC排放对比节气门开度传感器喷油信号转速传感器喷油器c喷油信号输出控制点缸温传感器U点火信号输出火信号DC-CDI空温传感器点火模块图1乙醇发动机电控原理图PC机标定系统COM2 COMIFGA废气分析仪原机ECU喷油信号输出0~12V数字量HSL.原机ECU点火信号输出0~5V数字量HSI. 3节气门开度传感器0~5V模拟量AD O转速传感器周期正弦波缸温传感器0~5V模拟量信号处理板系统板ISI.28MHZ空温传感器0~5V模拟量AD 2测功机转速信号0~8V数字量测功机扭矩信号0~V模拟量AD. 3HSO.0 HSO.喷油器喷油驱动DC-CDI点火驱动图2控制系统组成图中国煤化工CNMHG图3程序界面汽车工程(增刊)2003年10月(SAEC2003P007):7000r/min full load,85·EE中a=1Gφa=0.87400.70.80.911.11.21.31.41.5有火提前角8/℃A图4转矩变化率φm与过量空气系数φa的关系图5转矩变化率中mq与相对点火提前角的关系08-5full loadE7000r/min Full load鲁E中a=0.95D G7000r/min Full loadCG中a=0.87120-15-10-50510152025相对最佳点火提前角变化盘A日/℃A图6HC排放与过量空气系数Φa的关系图7HC排放与点火提前角的关系图6是乙醇发动机和汽油发动机在不同负荷下最佳点火提前角时的HC排放体积分数ΦBc随过量空气系数φa的变化曲线(图标中E代表乙醇,G代表汽油,以下各图相同)。由图6中可以看出,当a=0913之间时,乙醇发动机的HC排放变化比汽油机小,并且变化量不大。这是因为燃料与空气混合比适当,火焰传播比较稳定,可以使混合气能够更完全地燃烧,因此HC排放低。当φa<1时,乙醇发动机的HC排放比汽油机低。φa<0.85时,两种发动机都存在由于混合气过浓,一部分燃料无法参与燃烧而直接排入大气导致HC排放恶化,并随Φa进一步降低HC排放恶化加速的现象。当φa1.3时,两种发动机的HC排放上升速率很快(汽油机比乙醇发动机更快些),这是因为混合气过稀,燃烧不稳定和失火率增加所致图7是乙醇发动机和汽油发动机的HC排放体积分数ΦC随点火提前角θ的变化曲线。由图7中可以看出,随着点火提前角的减小,不同燃料、不同过量空气系数的发动机的HC排放都降低。这是因为,推迟点火使燃烧拖后,排气温度升高,燃烧不彻底的燃料在排气管中继续进行氧化反应,降低了HC排放浓度。当小于最佳点火提前角(7000min时,汽油机最佳点火提前角为34℃A,乙醇发动机最佳点火提前角为38℃A左右)以后,汽油机HC下降速度比乙醇发动机快。从分析对比可见,乙醇发动机比汽油机具有更宽的稳定低HC排放的空燃比范围。从降低HC排放出发燃用乙醇更容易匹配空燃比,控制Φa的范围应当是085~13:汽油机Φa范围应当是095~1.3。但仅从最低HC排放考虑,燃用乙醇与燃用汽油相比没有优势。减小点火提前角,可以降低发动机的HC排放。4.2CO排放Or/ain Full loadOr/min 50 loadOr/ain Full load中国煤化工CNMHG图8CO排放与过量空气系数Φa的关系图9CO排放与点火提前角的关系图8是两种燃料发动机CO排放体积分数中co与过量空气系数a的变化曲线。可见,在浓混合气时CO的浓度大,并且随着混合气的浓度增加两种发动机的CO排放浓度均直线增加,这主要是因为缺氧而2003年10月(SAEC2003P007)汽车工程(增刊)13不完全燃烧造成的。试验表明CO的浓度与发动机的负荷没有关系,和燃料关系不大,仅与φa关系显著。只要控制φa>1,乙醇发动机和汽油机都会获得较低的CO排放特性图9是两种燃料发动机不同混合气浓度下的CO排放体积分数φco随点火提前角的变化曲线。从中可见无论混合气浓度如何,还是燃烧何种燃料,CO的排放浓度变化不大。说明点火提前角对CO的排放浓度影响较小。因此,混合气浓度是影响CO浓度的关键因素,只要控制φa大于1,两种燃料的发动机都会获得优良的CO排放性能。4.3NOx排放图11是两种燃料发动机不同混合气浓度下的NOx排放体积分数φMOx随点火提前角的变化曲线。从图中可以看出,两种燃料无论混合气浓还是稀,减小点火提前角都会降低NOx的排放。原因是点火提前角减小,使得气缸内最高燃烧温度下降,从而降低了NOx的排放。图10是乙醇发动机和汽油机不同负荷下最佳点火提前角时的NOx排放体积分数φMOx与过量空气系数Φa的变化曲线。可见,当混合气的浓度φa在1.05附近时,汽油机的NOx的排放较高,30%负荷以上的NOx排放浓度都超过25×103,并且比乙醇发动机全负荷的NOx排放浓度高。4000◆E中a=0.87000r/min full loadE中8=0.95o.G7000r/in一EφB=1.1*-E7000r/min6G中8=0.830% load点火超前角日/℃A图10NOx排放与过量空气系数Φa的关系图11NOx排放与点火提前角的关系乙醇发动机NOx排放浓度高峰出现在Φa为095~1.05之间,排放最高峰值小于27×103,并且随着负荷的降低排放物的峰值下降较快,且向浓混合气方向偏移。乙醇发动机50%负荷的NOxκ峰值比汽油机30%负荷燃烧Φa=0.85的浓混合气或φa=1.15的稀混合气时的NOx的排放还要低,并且是汽油机30%负荷峰值的1/3。可见乙醇发动机NOx排放低的优势十分明显。从控制NOx排放角度上看,汽油机应当使φa不在0.9~1.15范围内,而对乙醇发动机此范围可缩小到095~1.05。5结论(1)通过软硬件结合实现了发动机控制信号在线控制。(2)本文开发的在线测控系统成功的应用于力帆125电控喷射汽油摩托车发动机上,使其改用乙醇燃料(3)过量空气系数φa是影响乙醇发动机和汽油机排放性能的敏感参数,通过对φa的合理控制能够实现对有害排放物的控制,乙醇发动机的过量空气系数φa应当控制在1~1.2之间,左端(1~1.1)使动力性最优,右端(1.1~1.2)使排放改善;(4)点火提前角θ对乙醇发动机和汽油机的HC和NOx排放性能有明显影响,但对CO排放影响很小过量空气系数φa和点火提前角θ是影响两种发动机转矩的敏感参数,对这两个参数应当合理控制,在同比条件下乙醇发动机的NOx排放明显低于汽油机中国煤化工参考文献CNMHG1姜卓,卓斌.汽油机新电控单元MCS1.0型ECU的研制叮内燃机学报,200,018(4):404~4082刘志敏。电控喷射乙醇燃料在点燃式发动机的应用研究C]吉林大学硕士学位论文,20023陈庆海.发动机在线信号处理和工作过程控制[C]吉林大学硕士学位论文,2002