缸內(nèi)噴射在摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用研究*

謝冬和

（湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 湖南 株洲 412001）

引言

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)環(huán)境污染及能源危機(jī)的日益嚴(yán)重，國(guó)家摩托車新排放法規(guī)的頒布，對(duì)摩托車的排放及油耗提出了更高要求。盡管大多數(shù)摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)已采用了進(jìn)氣道噴射汽油的方式供油，由于在進(jìn)氣道內(nèi)不能產(chǎn)生足夠強(qiáng)的渦流，混合氣中的汽油不能完全霧化，形成的混合氣質(zhì)量較差，導(dǎo)致汽油燃燒不完全，冷起動(dòng)排放和經(jīng)濟(jì)性較差[1]。氣缸內(nèi)噴射與進(jìn)氣道噴射完全不同，而與柴油機(jī)工作相似，是直接將汽油噴入氣缸內(nèi)霧化與空氣混合，再通過(guò)預(yù)設(shè)的控制程序，可大幅度降低發(fā)動(dòng)機(jī)排放，因此，缸內(nèi)噴射在摩托車行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用前景，并將成為發(fā)展方向。

1 測(cè)試設(shè)備

試驗(yàn)研究中采用的測(cè)量設(shè)備包括燃油供給裝置、電控噴射裝置及臺(tái)架裝置等，燃油供給裝置的作用是為噴油器提供恒壓的高壓汽油；電控裝置的作用是依據(jù)各傳感器輸入的信號(hào)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算及處理后，按預(yù)設(shè)的程序控制噴油器的噴油量和噴射時(shí)刻來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的控制；臺(tái)架裝置的作用是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)試運(yùn)行情況進(jìn)行記錄，還可在線對(duì)其一些運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行適時(shí)修改。

1.1 燃油供應(yīng)裝置

汽油直接噴入氣缸內(nèi)時(shí)，其霧化及混合的時(shí)間很短，要實(shí)現(xiàn)對(duì)摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)噴油微粒化，要求的噴油壓力較高。隨著油壓升高，油霧粒徑會(huì)減小，穿透力增大，會(huì)造成濕壁[2]。為了限制噴霧的穿透力，噴油壓力不能太高，在保證燃油微粒化的情況下應(yīng)盡量降低噴射壓力，但噴射壓力不能過(guò)低，過(guò)低會(huì)導(dǎo)致噴射的汽油珠直徑過(guò)大，難以霧化，混合氣質(zhì)量差，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行，一般情況下噴油壓力取4～12 MPa，這也遠(yuǎn)高于進(jìn)氣道噴射時(shí)所需的油壓[2]。圖1為燃油供應(yīng)系統(tǒng)示意圖，其工作原理是：油泵將汽油泵入增壓閥內(nèi)，再由液壓增壓閥將汽油壓入噴油泵，噴油管連接噴油器，噴油器將汽油噴入氣缸內(nèi)。由于摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)排量小，單次噴油量很小，并且噴油管內(nèi)產(chǎn)生的壓力波動(dòng)很小，可直接采用加粗的高壓油管代替。經(jīng)驗(yàn)證，這種液壓增壓燃油供應(yīng)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)持續(xù)向噴油器提供所需要的高壓燃油。

圖1 燃油供應(yīng)系統(tǒng)示意圖

要實(shí)現(xiàn)汽油能夠向發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)持續(xù)噴油的另一個(gè)關(guān)鍵因素是噴油器的設(shè)計(jì)與制作。據(jù)分析，要提高汽油的霧化、混合質(zhì)量及保持一定的貫穿度，可采用內(nèi)開旋流式噴油器[3]。在試驗(yàn)時(shí)采用了電磁閥作為噴油器開啟和閉合的控制閥，并利用了柴油機(jī)噴油器改造制作了軸針式噴油器，該軸針式噴油器采用電磁閥控制其開啟和閉合，最小開啟壓力≥5 MPa，通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)噴油器的噴油量及噴油時(shí)刻的精準(zhǔn)控制，滿足了發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求。

1.2 汽油電控噴射及臺(tái)架測(cè)試裝置

因缸內(nèi)噴射與進(jìn)氣道噴射具有共性，測(cè)試時(shí)可在改進(jìn)后的進(jìn)氣道噴射試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行，改進(jìn)后的試驗(yàn)臺(tái)如圖2所示。試驗(yàn)臺(tái)包括計(jì)算機(jī)、各種信號(hào)傳感器、排放儀等，計(jì)算機(jī)的功用是控制及管理試驗(yàn)過(guò)程，與之相配套的有數(shù)據(jù)采集卡及信號(hào)轉(zhuǎn)換器等，具有數(shù)據(jù)處理及通信功能。由各種傳感器采集到的進(jìn)氣壓力、進(jìn)氣溫度、節(jié)氣門位置、缸頭溫度、轉(zhuǎn)速及廢氣中的氧含量等信息輸入計(jì)算機(jī)，再由計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行分析和計(jì)算，確定每循環(huán)的噴油量、噴油時(shí)刻和點(diǎn)火時(shí)刻，發(fā)出脈沖信號(hào)對(duì)噴油器的開啟及閉合進(jìn)行控制，同時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)和顯示器的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，排放儀則通過(guò)串行方式與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

圖2 電控及測(cè)試裝置原理框圖

2 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果及分析

臺(tái)架試驗(yàn)用樣機(jī)為一臺(tái)156FMI單缸風(fēng)冷汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，匹配125型騎式摩托車，應(yīng)用非常廣泛，其氣缸工作容積為124 mL，壓縮比為9.0∶1，標(biāo)定功率為6.3 kW，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速為7 000 r/min，為能夠在摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)上實(shí)施缸內(nèi)噴射，需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋進(jìn)行適當(dāng)改造，以方便裝配噴油器，噴油器采用的汽油噴射壓力≥5 MPa。

2.1 缸內(nèi)直噴汽油機(jī)與原機(jī)性能的比較

2.1.1 動(dòng)力性能對(duì)比

圖3所示為156FMI摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)分別使用化油器供油，進(jìn)氣道噴射及缸內(nèi)噴射時(shí)的外特性對(duì)比曲線，從圖3可以看出，在高速負(fù)荷情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)噴射的輸出功率明顯要比化油器供油及進(jìn)氣道噴射好。原因在于缸內(nèi)噴射避免了化油器喉口處因直徑突變?cè)斐蛇M(jìn)氣節(jié)流損失，也避免了進(jìn)氣道噴射時(shí)混合氣在進(jìn)氣門座凝聚造成的汽油霧化不良，混合氣質(zhì)量欠佳的問(wèn)題，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率及汽油噴射量[4]。在中低速時(shí)轉(zhuǎn)矩略有下降。其原因是在中低速時(shí)缸內(nèi)噴射采用了后期噴射原理，希望混合氣能在分層稀燃條件下工作，但由于缸內(nèi)復(fù)雜的場(chǎng)流阻礙了汽油進(jìn)一步的霧化及分層的形成，混合氣分布不均，燃燒不穩(wěn)定，燃燒壓力略有下降，影響功率，對(duì)此問(wèn)題可進(jìn)行進(jìn)一步分析，采用均質(zhì)燃燒系統(tǒng)來(lái)規(guī)避分層上的困難。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)外特性對(duì)比

2.1.2 怠速工況排放對(duì)比

156FMI型摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)采用化油器、進(jìn)氣道噴射及缸內(nèi)噴射[5]等供油方式下的怠速工況排放測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 怠速工況排放對(duì)比表

從表1分析得知，當(dāng)156FMI摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)采用化油器供油時(shí)，為方便冷機(jī)時(shí)容易起動(dòng)，需要供給較多的濃混合氣，但在低溫狀態(tài)時(shí)汽油蒸發(fā)霧化效果不良，導(dǎo)致混合氣燃燒不完全，污染物排放嚴(yán)重超標(biāo)；采用進(jìn)氣道噴射供油時(shí)，汽油霧化效果要比化油器式好，但由于進(jìn)氣道內(nèi)產(chǎn)生的渦流強(qiáng)度不夠，部分混合氣在進(jìn)氣門座上凝聚成油珠，霧化質(zhì)量欠佳。而缸內(nèi)噴射擴(kuò)大了發(fā)動(dòng)機(jī)的稀燃極限，高壓噴入氣缸內(nèi)的汽油成微霧狀，能迅速吸收缸內(nèi)熱量而與空氣充分混合，使氣缸內(nèi)最高溫度能有效降低，從而使HC、CO及NOx排放顯著降低。

2.2 噴油提前角對(duì)排氣中污染物的影響

噴油提前角對(duì)氣缸內(nèi)噴射的發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)是很重要的控制參數(shù)，它直接影響著汽油的蒸發(fā)速度及混合氣形成質(zhì)量的好壞，并最終影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和污染物排放。試驗(yàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行，測(cè)試時(shí)使發(fā)動(dòng)機(jī)處于低負(fù)荷狀態(tài)，并通過(guò)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的大小來(lái)保持其轉(zhuǎn)速始終在3 000 r/min上下，測(cè)試不同噴油提前角狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物的變化情況，如圖4～圖6所示。

圖5 噴射提前角對(duì)CO排放的影響

圖6 噴射提前角對(duì)NOx排放的影響

從圖中分析得知，適當(dāng)增大156FMI型摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的噴射提前角即增大了汽油霧化時(shí)間，有利于汽油霧化和良好混合氣的形成，但在低負(fù)荷時(shí)增大噴射提前角不能形成良好的分層燃燒，反而會(huì)使局部區(qū)域失火，燃燒更加不穩(wěn)定，使排氣中的HC含量迅速增多，而隨著噴油提前角的繼續(xù)增大，排氣中的HC含量反而隨之下降，這是由于隨著噴油提前角的增大，延長(zhǎng)了汽油霧化及與空氣的混合時(shí)間，使混合氣質(zhì)量變好，混合氣趨于充分燃燒，燃燒產(chǎn)生的最高溫度會(huì)上升，使排氣的NOx含量會(huì)增加，但當(dāng)噴油提前角增加得較多時(shí)，氣缸內(nèi)壓力還未達(dá)到較大值，使高壓油束噴射到缸壁上形成濕壁，使燃油難以蒸發(fā)，可燃混合氣形成的速度慢且不均勻，質(zhì)量差，從而使排放廢氣中的CO和HC含量增加。

從以上分析得知，在發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)噴射中，汽油早噴射產(chǎn)生的總體效果要好于遲噴射，故在氣缸內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)噴射時(shí)，可在缸內(nèi)采用均質(zhì)混合方式來(lái)擴(kuò)大稀燃極限，從而保留缸內(nèi)噴射的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)降低有害氣體的排放及提高其經(jīng)濟(jì)性是一個(gè)可行的實(shí)施方向。

3 結(jié)論

1）燃油供應(yīng)裝置中的液壓增壓泵可保證噴油器能得到持續(xù)不斷的高壓汽油供應(yīng)，且供給噴油器的汽油壓力波很小，滿足缸內(nèi)噴射的壓力需要。

2）改造后的156FMI型摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)在動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放性等方面要明顯優(yōu)于化油器供油，也要高于進(jìn)氣道噴射供油。

3）噴油提前角的選取對(duì)缸內(nèi)噴射發(fā)動(dòng)機(jī)的污染物排放影響很大，適當(dāng)增大噴油提前角，延長(zhǎng)了汽油霧化及混合氣形成的時(shí)間，形成的混合氣質(zhì)量較好，對(duì)降低排氣中的有害氣體有利。

4）當(dāng)156FMI發(fā)動(dòng)機(jī)采用缸內(nèi)噴射時(shí)，若分層燃燒難以形成時(shí)，可適當(dāng)采用缸內(nèi)噴射均質(zhì)混合的方式來(lái)加大稀燃的極限，從而保留缸內(nèi)噴射的優(yōu)點(diǎn)。