KTM690單缸發動機的點火與標定

王崢明，蘇 煒，王思然

（武漢理工大學國際教育學院，湖北 武漢 430070）

1 引言

對于動力總成的標定與匹配，最重要的一步是將發動機啟動，對于賽用KTM690單缸發動機，除了一套完善的進氣、排氣、冷卻與供油系統，還需要準確的噴油與點火時機。這需要團隊設計完善的發動機外圍系統，并利用全替換式發動機控制單元進行發動機控制，控制器選用Motec品牌，然后利用CATIA建模軟件進行進氣系統建模，匹配增壓器的安裝與增壓值的匹配。這樣才可以使動力系統的效能達到優化的效果。

2 相關背景

2.1 大賽簡介

中國大學生方程式汽車大賽（下簡稱“FSAE”）是中國汽車工程學會及其合作會員單位，在學習和總結美、日、德等國家相關經驗的基礎上，結合中國國情，精心打造的一項全新賽事。

FSAE活動由各高等院校汽車工程或與汽車相關專業的在校學生組隊參加。FSAE要求各參賽隊按照賽事規則和賽車制造標準，自行設計和制造方程式類型的小型單人座休閑賽車，并攜該車參加全部或部分賽事環節。比賽過程中，參賽隊不僅要闡述設計理念，還要由評審裁判對該車進行若干項性能測試項目。

在比賽過程中，參賽隊員能充分將所學的理論知識運用于實踐中。同時，還能學習到組織管理、市場營銷、物流運輸、賽車運動等多方面知識，培養了良好的人際溝通能力和團隊合作精神，成為符合社會需求的全面人才。

2.2 設計背景

武漢理工大學WUT車隊，在往屆賽事中使用的是本田CBR600RR發動機，該發動機為直列四缸機型，有著較小的缸徑與行程，因此高轉特性較為明顯，發動機最高轉速達到13 000 r/min。但隨著大賽規則的改變，該款發動機的劣勢也逐漸顯現，其四缸機缸體較重，冷卻與潤滑的布置較為復雜，且由于發動機的高轉特性，使得其工作溫度較高，對于散熱的壓力較大，往往需要兩個水箱散熱器進行通風散熱，這使得整車的質量進一步增加。CBR600發動機的基本參數如表1所示。

表1 CBR600基本參數

在2020屆中國大學生方程式汽車大賽中，采用四缸機的車隊，賽車平均質量在230 kg左右；而采用單缸機的車隊，賽車平均質量在210 kg左右，其中廈門理工大學車隊的賽車，同樣使用單缸KTM690發動機，其整車質量為189 kg，為全場最輕的賽車，其中單缸機的使用，為賽車的輕量化作出了十分重要的貢獻。2020賽季各車隊賽車質量如表2所示。

表2 2020賽季各車隊賽車質量

從表2中可以看到，發動機的氣缸數對整車質量的影響很大，吉林大學2020賽季賽車搭載了機械增壓系統，整車的質量仍然較輕。

相比于凱旋675三缸發動機，KTM690發動機的優勢在于缸數進一步降低，進排氣系統的布置與設計更加簡潔，同時KTM690自身帶有潤滑機構，不需要自行設計油底殼等潤滑部件，同時擁有更大的排氣量，使得發動機的低轉速動力輸出更加優秀，對于賽車的彎道表現有很大的幫助。因此，綜合考慮，選用KTM690發動機作為新賽季使用的機型。

3 發動機外圍部件設計

如何使一臺發動機正常工作，是標定發動機的前提，這需要外圍部件與電控系統程序的良好配合，任何一個部件的失效，都會使發動機點火失敗。

3.1 進氣系統及節氣門

發動機作為內燃機，空氣與燃油的混合是至關重要的步驟，在一定的噴油量的前提下，進氣量不能太大，但在怠速情況下，進氣的量由必須滿足發動機怠速進氣量的需要，中國常用的空氣與燃油的混合參考指標為過量空氣系數，這個指標指實際供給燃料燃燒的空氣量與理論空氣量之比[1]。

進氣系統的關鍵組成部分為噴油座和節氣門體，節氣門要有傳感器，可以將信號輸送給ECU，從而根據節氣門開度調整點火時機與噴油量。噴油底座的設計要考慮汽油與空氣的充分混合，其噴射角度要適宜同時噴油孔的直徑要與噴油器頭部相適應。進氣系統噴油底座模型如圖1所示。

圖1 進氣系統噴油底座模型

3.2 排氣系統

排氣系統對發動機的動力性能也有著不可忽視的影響，在嘗試點火的階段，需要一根排氣管將高溫排氣導出，并在排氣管路上打一個圓孔，在標定時實時監測排氣氧含量。發動機排氣口如圖2所示。

圖2 發動機排氣口

3.3 燃油供給系統

為發動機提供燃油是點火的基礎，對于臺架實驗與嘗試點火的階段，先搭建了臨時的燃油供給系統，利用外置的油箱和電子燃油泵，對于進氣管道噴射的供油系統，將噴油壓力調整為350 Pa，利用一個三相閥門，使多余的燃油回流至油箱儲存。

4 電控部分的設計

發動機控制單元選用Motec公司的M84產品，這款ECU有34個A端口和26個B端口，可以接入2個基本發動機傳感器，即曲軸位置傳感器與凸輪軸位置傳感器，還有4個輔助傳感器接口，4個速度傳感器接口，基本可以滿足FSAE賽車的需要。需要注意的是KTM690原廠僅有曲軸位置傳感器，沒有搭載凸輪軸位置傳感器，因此，筆者們單獨為發動機制作了一個氣門室罩，上面布置有安裝凸輪軸位置傳感器的孔槽。

4.1 臺架實驗線束的搭建

對于臺架實驗的需要，需要接入6個傳感器接口，即為凸輪軸位置傳感器、曲軸位置傳感器、氧傳感器、水溫傳感器、機油壓力傳感器和節氣門位置傳感器。根據Motec的接線定義圖，繪制電路圖，如圖3所示。此外需要額外為燃油泵和起動電機供電。在ECU、起動電機、燃油泵之前要接入5 A的保險絲，并用繼電器作為控制端，以免大電流對開關造成損壞。接線時要特殊注意臺架實驗室對于電路長度的要求，避免重復接線等問題。電磁繼電器用于控制電路的通斷，保險絲是保證電器設備安全工作的重要部件[2]。

圖3 臺架線束電路圖

繼電器選用24 V、80 A4腳電磁繼電器。主繼電器、風扇繼電器、油泵繼電器將會被放置在繼電器保險絲盒中妥善固定，確保其接觸良好，能正常工作。主要繼電器如主繼電器、油泵繼電器和風扇繼電器因通過較大電流時會產生較大熱量，需注意其盒內的位置擺放并適當考慮通風。考慮到ECU也會釋放熱量，盡量將其分隔開，避免熱量聚集引發火災。

4.2 點火正時的標定

汽油發動機的點火正時主要依據的是凸輪軸位置傳感器與曲軸位置傳感器，曲軸位置傳感器用來判斷活塞的位置，一般點火的時機在上止點提前15°～30°，這個提前的角度稱為點火提前角；凸輪軸位置傳感器用來判斷氣缸，通常多缸發動機必須配有凸輪軸位置傳感器，KTM690發動機原廠沒有凸輪軸位置傳感器，因此會發生浪費點火的情況，即每一次活塞運行到上止點都會有一次點火，但在排氣沖程完成時并不需要點火，因此每一個工作循環會浪費一次點火，這也是單獨為發動機加入凸輪軸位置傳感器的原因[3]。曲軸位置傳感器波形圖如圖4所示。

圖4 曲軸位置傳感器波形圖

首先用示波器探測曲軸位置傳感器發出的信號，通過波形了解何時為上止點位置。通過觀察波形圖，并結合實際的嘗試，得到曲軸位置的索引角為228°，將這個數值輸入到Motec軟件中，并在軟件中設置單缸機模式。通過拆解發動機的曲軸箱，發現它的齒輪為一圈22個，且每一圈缺少2個齒，這個數值也要輸入到軟件中。曲軸傳感器設計界面如圖5所示。

圖5 曲軸傳感器設計界面

4.3 噴油定時的標定

對于進氣歧管噴射的發動機，噴油定時為進氣沖程開始的階段，這個時候汽油與空氣的混合最為充分，混合的比例最佳，最適合點火。因此設置點火正時為320°索引角，在噴油脈寬的標定中，初次點火，應將噴油脈寬調大，即加濃噴射，這樣對于發動機的點火有著非常明顯的幫助。同時，怠速階段的噴油濃度也應適當加濃。

5 增壓器的匹配

對于大學生方程式汽車大賽所用的發動機及賽事所需的工況來說，機械增壓在布置方式與提升動力的效果方面相比渦輪增壓都有優勢，在增壓器的選擇方面，采用了愛信AMR300增壓器，其最大增壓值在0.2～0.4之間，適用于0.8～2.0 L的發動機。發動機和壓氣機匹配要求是在滿足增壓比的條件下，能夠運行在較高的效率區間。離心式壓氣機的主要工作參數有增壓比、流量、轉速和絕熱效率。

增壓比是壓氣機最主要的工作指標，表示壓氣機出口壓力和進口壓力之比，計算公式如下[4]：

式（1）中：πc為壓氣機增壓比；PC為壓氣機出口壓力，MPa；PC1為壓氣機進口壓力，MPa。

空氣流量是單位時間內流過壓氣機的氣體質量，壓氣機的空氣流量取決于發動機的空氣消耗量，具體是由發動機排量、轉速和充氣系數等因素來確定。計算公式如下：

式（2）中：GC為空氣質量流量，kg/s；Ne為發動機標定工況下功率，kW；ge為燃油消耗率，g/kW·h；ηs為掃氣系數；α為過量空氣系數。

最終計算得到，帶傳動比為1.4，增壓器的轉速為發動機轉速的1.4倍。

6 成品展示

在經歷了幾個方面的設計并對軟件多次調試后，將發動機點火成功，整個過程是對發動機構造與原理理解的進一步加深，對于成員的動手能力與調試能力有著良好的鍛煉效果。KTM690發動機試驗如圖6所示。

圖6 KTM690發動機試驗圖

隨著技術的發展與規則的改進，越來越多的車隊擬采用大排量單缸發動機作為賽車的動力源，更低的質量與更優秀的低扭表現是其最大的優勢，如何充分的發揮單缸發動機的性能是車隊技術水平差距的體現。

7 總結

在2020賽季中國大學生方程式大賽中，共有三支車隊使用KTM690發動機，其中使用該款發動機的吉林大學車隊獲得了總成績一等獎，對于KTM690發動機的發掘成為了吉林大學的優勢之一。在2021賽季，將會有更多的車隊使用大排量單缸發動機。為了充分利用單缸機的質量優勢，電動換擋等技術會被更快的普及，對于動力總成電控化的改進將會是未來的發展趨勢。