王兴海1
马 震1
刘 兵2
曾 科
2
(1-西北工业大学第365所 西安 710072;2-西安交通大学汽车工程系)
摘 要：本文在总结汽车发动机电控汽油喷射原理的基础上，针对小排量汽油机的特点和要求，研究开
发了适合小排量汽油机的电控汽油喷射系统，对该系统的构成细节和特点进行了详细的描述，并给出了在排量为125mL 的2缸四冲程摩托车发动机上的试验结果。与使用化油器相比，使用电控汽油喷射技术可以较大幅度的改善发动机的尾气排放，在不使用排气后处理装置的情况下，使其达到欧洲 排放标准，发动机的经济性、低速扭矩特性有明显的改善，动力性比原来略有改善。本文还对如何进一步完善摩托车电控燃油喷射系统提出一些建议。
关键词：小排量汽油机 电控 摩托车发动机中图分类号:TK414.32 文献标识码:A 文章编号:1671-0630(2006)01-0021-04
Develop m ent of E lectronic Control Fuel Injection
Syste m for S mall Gasoline Engines
W ang X inghai 1
,M a Zhen 1
,L i u B i n g 2
,Zeng Ke
2
1-N orthw est I ndustrialUn i v ersity (X ia 'n 710072) 2-X ia 'n Jiao tong Un iversity
Abst ract :An electron ic contr o l fue l injecti o n syste m suitab l e for the s m all gaso li n e eng i n es is developed .The
structura l details and characteristics o f this syste m are i n troduced .The test result on a 125mL 2-cy li n der 4-stroke mo torcyc le eng i n e is presented .The result sho w s that th is syste m can reduce the eng i n e exhaust e m is si o n m arkedly .Som e suggestions to i m prove the syste m are a lso put f o r w ard .K eyw ords :Sm all gaso li n e eng i n e ,E lectr onic contro,l M oto rcycle eng i n e
概述
经过二十多年的发展和应用，汽车发动机电控燃油喷射技术已经很完善，并广泛地得到应用，根据其构
成原理和特点[1]
，归纳总结如表1所示。
节气门开度/转速法除了精度稍差外，具有结构简单，成本低的特点，另外它还具有电控燃油喷射系统所具有的优于化油器的普遍优点，因而适合在小排量摩托车用发动机上使用。本文主要介绍采用节气门开度/转速法的电控燃油喷射系统的初步开发过程及其结构，并针对其特点加以阐述。
1 小排量发动机的电控燃油喷射系统的开发
采用节气门开度/转速法的电控燃油喷射系统，主要由以下几个部件构成，如图1中所示。1.1 喷油器
喷油器的设计主要是使其有合理的喷柱形状和供油特性。喷柱形状和供油特性主要由喷油器出口的形状和尺寸决定，喷油压力对其特性也有一定的影响。在喷油压力确定的情况下，通过合理设计喷口的形状、尺寸来确定喷柱形状和供油特性，其设计方法与一般喷油器设计方法相同。小排量发动机上应用的喷油器，要求每次喷射量较小，每循环供油量一般只有几毫克至几十毫克，要达到如此之小的供油量，可以通过减小流通面积和降低喷射压力达到，因为:
作者简介：王兴海(1963-)，男，高级工程师，主要研究方向为小型航空发动机设计研制。
第35卷 第1期2006年2月小型内燃机与摩托车
S MALL I N TERNAL COM B UST I O N ENG I N E AND MOTORCYCLE Vo.l 35No .1
Feb .2006
表1 汽车发动机电控燃油喷射的类型和特点
新款甲壳虫类型
决定供油量的基本参数特点应用范围节气门开度/转速法节气门开度，转速结构简单，成本低，精度较差。要求低成本的
场合，单点喷射系统。
进气压力/转速法(D 型)进气管压力，转速结构简单，成本适中，精度适中。
应用在经济车型中，性能价格比较高。机械连续喷射(K 型)进气流量
零部件精度高，结构复杂，成本较高，精度适中。
主要用在奔驰等德国公司早期的部分车型上进气流量/转速法
进气流量，转速
结构复杂，成本较高，精度较高。
排量较大的发动机上应用较多
图1 采用节气门开度/转速法的电控燃油喷射汽油机简图
q = A p
其中:q -流量, -流量系数,A -喷口流通面积, p -油压与出口背压之差。但降低喷射压力会降低燃油喷射的雾化效果，对于转速较高的小排量发动机的排放是不利的。
小排量汽车一般电控燃油喷射系统的油压约0.25~0.30M Pa 。本文采用法国SAGE M 公司的三孔式喷嘴，在 p =0.2MPa 的情况下静态流量为60g /m i n ，流量小且具有良好的雾化效果。与普通针阀式喷油器相比，该种喷油器的针阀采用片状结构，不容易结胶，便于维护，运动件质量非常轻，具有良好的动态响应性能，非常适合通常转速都很高的摩托车用发动机。
1.2 燃油泵
同普通电喷系统一样，燃油泵为直流电机带动的
叶片式结构。本文采用日本A I SHAN 公司生产的汽油泵，在电压为12V，燃油压力为0.2M Pa 时，燃油流量约80L /h，电流约2.54A 。对于国内的摩托车，由于排量不大，如采用此油泵，燃油流量显得太大了。在进一步开发国产油泵时，还可以适当降低流量，从而降低电能消耗。
1.3 压力调节器
本系统采用法国SAGE M 公司生产的燃油压力调节器，额定燃油压力为0.2MPa ，与一般电喷系统的压力调节器结构完全相同。
1.4 传感器
本控制系统采用的主要传感器有：曲轴位置传感器、节气门开度传感器、气缸温度传感器、进气温度传感器和进气压力传感器。节气门开度传感器的内部结构为线性电位器式，曲轴位置传感器用原发动机CD I 点火系统中的电感式触发线圈来充当，气缸温度传感器和进气温度传感器为具有负温度系数的热敏电阻，其特性与一般汽车用电喷发动机的相同。1.5 电子控制单元ECU 的开发1.5.1 硬件开发
图2是所开发的整个电控系统的结构方框图。在该系统中,EC U 采用了具有高性价比的M CS-51系列单片机。为了提高系统的可靠性，该单片机具有程序存储器(ROM )、数据存储器(RAM )、定时/计数器、A /D 转换器、可编程定时器阵列(PCA )、I /O 端口和监视定时器(W DT )，同时还使EC U 具有故障诊断和故障指示功能。1.5.2 软件设计与控制策略
控制系统主要包括：喷油控制，点火过程控制，燃油泵控制，怠速控制，故障诊断控制等。这些内容涉及工况有：冷起动控制，暖机工况，运行工况，过渡工况，超速保护。软件设计的内容较为复杂，本文简要介绍其主要内容。
1.5.
2.1 喷油时间控制
根据发动机运行工况的不同，发动机的主要工况喷油时间和控制策略如下:
起动工况:T =T st +T u
其中有效喷油时间为T st ,T u 是无效喷射时间，喷油时间T 是有效喷油时间与无效喷油时间之和。其中T st 是发动机缸温的函数，无效喷射时间T u 是蓄电池电压的函数。起动时根据缸温的高低确定喷油量，温度低时，由于燃油的蒸发和雾化差，应加大喷油量，以保证顺利起动。
运行工况:T =T p F c +T u
22
小 型 内 燃 机 与 摩 托 车
第35卷
图2 电控系统的结构方框图
式中:T p为基本喷油脉宽，它是发动机根据空燃比标定的有效喷油脉宽。本文中它是进气管绝对压力p I N与发动机转速n的函数，由稳态运行工况匹配得到。奥迪a6l50tfsi
F c为基本喷油脉宽修正系数，它是发动机的不同状态和运行工况的修正系数。汽车gps防盗器
过渡工况:T=T p F c+F ad+T u
式中:F ad为加减速运行工况修正系数。加减速过程的处理较为复杂，本文利用节气门开度变化来进行起步加速、一般加速和急加速判断，处理方法较为简单，尚有改进的余地。
加速时节气门突然加大，进气压力增加，会使附在壁面的燃油增多，同时这一部分附着的燃油需要一定的汽化时间，需要进行加速补偿。补偿主要考虑进气管压力与温度高低这两种因素的影响。压力的影响可用节气门开度的时间变化率!/!t和节气门开度修正系数K THR来表示，即有以下计算式:
F ad=K THR(!/!t)K THW
K THW为缸温修正项，是缸体温度的函数。
减速工况与之相反，应减油，计算方法与加速工况相同。
燃油切断控制：在缸温过高、怠速超速和转速超限的情况下，切断燃油供应。
1.5.
2.2 怠速控制
由于没有专门的怠速空气量控制阀，所以怠速的高低是由调节节气门的最小开度来实现的，同时利用点火提前角来消除机体温度对怠速转速的影响。对于机体温度很低时的发动机怠速，最好选用结构简单的机械温控阀或者EC U控制的通断型电磁阀。
1.5.
2.3点火控制
点火控制包括点火充电时间(闭合角)控制和点火提前角控制两部分。充电时间按蓄电池的电压来控制。起动时点火提前角根据输入的曲轴转角信号，以固定的点火提前角进行(例如:15∀CABTDC)。起动后按正常方式进行控制，即：点火提前角=基本点火提前角+暖机校正项+大气压力校正项+怠速校正项+过热修正项。
基本点火提前角是发动机节气门和转速的函数，以表格(MAP)的形式存储在EPROM中，该MAP由匹配试验获得。暖机校正项考虑缸温对点火提前角的影响，当缸温低时应加大点火提前角，以促进尽快暖机。大气压力校正项，点火提前角随大气压力升高而适当减小。对于怠速校正项，根据实际怠速与目标怠速的偏差进行控制，实际怠速高于目标怠速时，减小点火提前角，反之，增加点火提前角，且偏
差量越大，则校正量越大。对于过热修正项，当发动机处于怠速运行且缸温过高时，应增加点火提前角，以避免发动机长时间过热。
2 系统匹配试验研究
EC U在电控试验台调试成功后，以一台125型发动机为对象进行了匹配试验。为此编写的标定程序，可使该ECU与个人电脑实现了由RS-232接口的通信，实现数据交换。通过个标定程序，可以实时改写和显示EC U中的各个MAP数据和控制参数，如点火提前角，喷油时间和喷油提前角等。
标定过程分为台架试验标定和整车标定。
2.1 发动机的台架试验和结果
标定时，对于中小负荷节气门开度，确定过量空气系数为1.0~1.05，节气门开度在70%以上时为0.9~ 0.95，图3是发动机在正常运行条件下，稳定工况的基本喷油脉谱(MAP)。
2.2 工况法试验简介
车享在台架标定基本完成后，进行了工况法的试验。试验按标准GB14622-2002进行，试验结果如表2所示。
表2 摩托车的工况法试验结果
单位CO HC NO x 标准的限值
实测值
g/k m
5.51.20.3
3.10.50.12
23
第1期王兴海等: 小排量汽油机电控燃油喷射系统的研制
图3 基本喷油量脉谱
3 结论和讨论
根据以上思路开发的电控系统其优点为结构简单、成本低。由于充分考虑了在满足需要的前提下尽量降低电控系统的成本，所以省略了在汽车电控系统中要用的一些传感器，只保留了主要的传感器，因此结构简单了，成本下降了，零件数的减少对增加可靠性也有好处。
根据作者从事本研究的经历，及该产品使用过程中的问题来看，该系统尚需进一步改进和完善之处为:
1)该系统的稳定性较差。由于没有采用氧传感器闭环控制，无法消除同一种发动机中由于每一台发动机制造误差造成的空燃比控制偏差及其影响，即使是同一台发动机，由于新旧程度不同也会存在类似的问题。在使用过程中曾表现出一些问题，如怠速工作不稳定，油耗增加，动力性下降等。原因是由于采用节气门开度-速度法和开环控制的方式本身所存在的缺陷，造成系统在使用一段时间后，发动机的实际空燃比偏离研发时标定的空燃比。采用开环控制方式，对燃油的计量精度要求较高，空气随节气门开度和转速变化的特性要稳定。实际情况是满足不了上述要求，所以需要采用以下改进方案:
#采用氧传感器测量排气中氧的含量，如汽车发动机一样采用闭环方式控制空燃比，以消除不同发动机零部件的差异导致的发动机性能不一致，以及同一发动机因使用时间的长短引起的性能变化对空燃比的影响，使发动机空燃比始终能工作在理论空燃比附近的一定的范围内。
∃采用测量进气管压力代替测量节气门开度，也就是采用速度%密度法来确定基本喷油量，以提高空燃比开环控制精度，尤其在发动机小负荷(小节气门开度)、高转速时的空燃比开环控制精度。这似乎存在一定的必要性，因为发动机在机体温度较低、突变工况等情况下是需要进行开环控制的。但由于摩托车发动机进气管压力是急剧波动的，尚需要进一步认真仔细的研究如何测量进气管压力，而得到一个特征压力值来代替节气门开度，和发动机转速一起确定开环控制的基本喷油量。
由于压力传感器和氧传感器的价格均在百元以上，对系统的成本增加较多，所以需要综合考虑。
2)关于怠速控制问题。由于冷起动后机体温度较低时，发动机怠速低、怠速不稳、甚至停机等问题，因而需要增加进气量以提高怠速转速。
目前的摩托车发动机电控系统，其怠速转速的控制基本与化油器发动机一样，是通过调节节气门的最小开度来实现，辅之以改变发动机点火提前角来小范围调节怠速转速及其稳定性。采用的办法可以有两种：一是采用附加空气阀的方法，如怠速步进电机式怠速空气阀、占空比式空气阀、机械控制或者温控开度的怠速空气阀；二是自动改变节气门开度的方法。在第一种方法中，步进电机式怠速空气阀调节能力最强、可靠，但控制电路较复杂，电机成本相对较高。第二种方法需要进一步研究。总之怠速控制问题，就是性能与价格的取舍问题。奇瑞风云2怎么样
虽然电控燃油喷射系统是满足更严格的排放法规必要的技术手段，但其系统的复杂性要以各方面的综
合性能为前提，而不单是以排放性能为前提，所以在设计小排量发动机电控燃油喷射系统时，要尽量多的参考汽车的电控系统。
总之，使用电控喷射系统可以使发动机在各个工况下获得准确控制燃油量，并通过燃油喷射改善燃油雾化，使发动机各项性能均能得到改善。试验结果表明，小排量发动机使用电控汽油喷射技术，在不使用排气后处理装置的情况下，可以使其达到欧洲 号排放标准，发动机的经济性、低速扭矩特性有明显的改善，动力性比原机略有提高。
参考文献
1 曾科，刘兵，陈波宁.小型二冲程汽油机电控汽油喷射系统
的研制.内燃机工程,2003(24),6
2 Franz J.L a i m bock.T he P otenti a l of S m a ll Loop-Scavenged
Spark-Ign iti on S i ng l e C yli nder Two-Stroke Eng i ne.SAE T rans910675,1991
3 曾科，黄佐华，周龙保.汽油机电子控制燃油喷射系统的研
究.西安交通大学学报,1995(29),6
(收稿日期:2004-12-16)
24 小 型 内 燃 机 与 摩 托 车 第35卷
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