ATV发动机电控燃油喷射系统开发研究

1、武汉理工大学硕士学位论文ATV发动机电控燃油喷射系统开发研究姓名:李仕成申请学位级别:硕士专业:动力机械及工程指导教师:颜伏伍20080401 第1章概述1.1ATV介绍及发展趋势ATV是All Terrain Vehicle(全地形车的缩写。因为ATV外观与摩托车相 似,许多部件与摩托车通用,所以被称为“四轮摩托车”,A1轮胎宽大,增加 了与地面的接触面积,从而产生更大的摩擦力,再配合独特的胎纹使其不易打 滑,在软质的沙地上行走自如,所以人们又称之为“沙滩车”。气=源于美国, 性能优良的ATV不仅能行驶在沙滩上,河床、林道、溪流,甚至更恶劣的沙漠 地形都能被它轻易征服。载送人员或运输物品使A

2、TV的功能发挥得淋漓尽致, 堪称全能的行动工具Arv的用途不仅仅局限于单纯的休闲娱乐,它在农业、林 业、牧业、国防和消防等领域,都发挥着十分重要的作用,在北美和西欧应用 较广,数量呈现逐年上升的趋势,目fj,全世界ATv年销售量约为150-'-"170力.辆,2006年世界全地形车市场规模已达到170万辆,其中北美市场约占80%, 欧洲与中南美洲市场份额则逐年扩大,市场前景非常广阔I¨。表1-1美国EPA尾气排放标准限值适应车型比例排放限值(g/l(m 单车最高排放限值实施时间 (g/km(百分比 HC+NO, CO HC+NO。 CO 2006车型年 501.53

3、52050 2007车型年 1001.53520501.ABT(美国机动车排放积分的相关规定只允许对HC+NO。适用;2.竞赛免除;3.最小使用寿命为10,000km、500h或5年。表1.2娱乐车辆的CARB(加州I排放标准车辆&模型年 HC NO。 CO PM 发动机大于90cc,1997年及以后(g/km发动机90cc或以下,1999年及以后(g/km表1-3E.mark l型试验排放限值CO HC N0。然而,我国ATV产业起步晚、起点低,产品技术水平相对落后,ATV的开 发,以仿造为主,关键零部件质量差,致使新产品性能不高。以发动机燃油供 给系统为例,目前出口蛆V几乎全部为化

4、油器燃油供给,一些新型车的化油器 与大排量发动机匹配不好,影响了发动机性能,同时带来环境污染问题,很难 达到欧美ATV下阶段排放法规。1.2ATV排放控制技术方案分析ATV排放控制,一方面要减少废气污染物的产生,另一方面必须保证整车 的动力性、经济性。因此,必须综合考虑各种因素对发动机性能的影响。解决 .ATV排放的技术是多方面的,包括机内控制与机外控制两方面的措施I 31。2武汉理人学硕十。学位论文(1发动机结构优化设计通过发动机的结构改进,完善发动机的工作过程,达到降低污染物排放的 目的。主要包括:改善燃烧系统,改进强制域冷,采用水冷技术,小排量发动 机四冲程化,多气门及可变技术应用等。(

5、2混合气形成及空燃比控制通过对发动机燃料供给系统的合理匹配,改蒋混合气的形成条件.实现混 合。t空燃比的精细化控制。主要的技术措施包括:化油嚣的结构改进,化油器 混合气的电控调节等。(3点火系统的改进采用高的点火能量,根据发动机的工况变化优化点火定时,发展方向是实 现点火的电子控制。(4电控燃油喷射技术采用电控燃油喷射系统, 性、燃油经济性和动力性达 到最佳。大排量四冲程ATV 发动机的燃油喷射系统可以 参照车用发动机的技术.但 必须适应ATV转速高、工况 变化复杂的特点;二冲程摩 托年发动机采用缸内喷射能 从根本上解决排放搿的缺 点.使其具备竞争优势,但 也必须解决好缸内混合气的 组织及燃烧

6、控制方而的难 题。 釉确控制发动机空燃比,从而使发动机的排放特_!圈l一1使用催化器前后车辆排放对比1.22机外净化技术(1三冗催化转化技术目前城为广泛最有成效的元倦化转化器(nrec-Way CatalyticConverter,缩写为TWC阶段。采用三元催化技术,可明显降低CO、HC、NO。 的排放,达到良好的净化效果。三元催化转化器需要与发动机性能匹配的同时, 还必须满足将实际空燃比控制在狭窄的空燃比窗口内、使用高品质的无铅燃油 等条件。如图1-1所示。催化器由壳体、减振层、载体和催化剂4部分组成,其 中的催化剂是指催化活性组分和水洗涂层的总称,是整个催化转化器的核心部 分,决定着催化转

7、化器的主要性能指标。(2二次燃烧技术三元催化转化器降低三种排放污染物90%以上,三元催化转化器的高转化 效率的窗口很窄,因此,为满足各种严格的排放法规,还必须考虑二次燃烧技 术,国内很多摩企采用此项技术,如力帆156MI.H227型发动机、宗申公司 ZS244FMI.B型发动机。1.3ATV电控燃油喷射技术的分类考虑到国内行业整体技术水平和批量生产的一致性,采用电控燃油喷射技 术是应对国内外排放法规的最佳途径。电控燃油喷射系统总体来说,有三种方 案,即缸内高压喷射、夹气喷射以及进气管喷射【4115】【61。汽油直接喷射方式是直接往燃烧室里喷射汽油,是一种用缸内喷射实现的 稀薄燃烧,由于汽油在进

8、气后期喷人气缸,使缸内充气得到冷却,提高了体积 效率,减少了炽热点火倾向和爆震倾向;有可能利用纯空气扫气;减少了由于 燃油进入排气道带来的损失;同时,直接喷射容易造成充量分层,便于实现稀 薄燃烧。汽油机直接喷射要使用的新技术比较多,主要包括:(1电子油f-j GDI发动机不允许在节气门和油门踏板之问建立直接的机 械联系。因此,现代GDI必须采用电子油门(E.GAS,即导线驾驶 (Drive-by-Wire。(2喷油J下时现代GDI要求自由选择喷油一时。(3喷油器 由于超稀薄燃烧对燃油变化提出了更高的要求,所以现代GDI 采用高压涡流喷油器,喷油压力必须大幅度提高。4(4控制技术GDI之所以能具

9、有如此优越的性能,首先得益于电子控制:九闭环控制、扭矩控制、喷油正时控制、喷油压力控制。(5空气运动要实现分层充气,必须有组织缸内空气运动的元件和喷油 器,GDI必须对活塞凹坑进行设计。汽油机直接喷射所涉及的技术较多,如果要应用于ATV发动机,对现今的 电喷匹配,显然从资金、技术上讲,都是不合适的。与高压喷射方式不同,央气喷射使空气通过喷油器与燃油同时喷出,使空 气从周围将燃油罩住,在空气对燃油微粒的冲击下使燃油得到彻底的雾化。 夹气喷射与其他喷射方式相比,有着显著的优点,见表1.4。表1.4燃油系统性能比较排放(g,/km 燃油经济性系 统构 成HC CO NO。 (km/1央气气缸壁盖喷射

10、带有I、日J断喷射央气气缸壁盖喷射带有间断喷射和催化转化器夹气气缸壁盖喷射,间断喷射,催化转化器,二次空气夹气喷射借用辅助空气,使燃油雾化质量比纯油更高。调整辅助空气压力 与夹入空气时间,可以获得不同雾束形状,适应燃烧室形状和火化塞位置。燃 油直接喷入气缸,减少了扫气时燃油的短路损失,可降低油耗,怠速时效果特 别明显。但是央气喷射不能充分利用由进气歧管真空度吸入的雾化空气,因为5 武汉理.L人学硕十学位论文传感器包括进气压力传感器、进气温度传感器、节气门位置传感器、机体 温度传感器、曲轴位置传感器、氧传感器等。(1进气歧管绝对压力.温度传感器本文选用的进气歧管绝对压力.温度传感器(TMAP将压

11、力和温度传感器 结合使用,降低了成本并节约了空间,TMAP提供进气压力和进气温度两种不 同的输出。a一个电压输出与发动机歧管进气压力成比例;b一个电阻输出与 歧管进气温度成比例。进气压力传感器是一种压阻式传感器,输出电压0.5V"-" 4.5V,电压输出特性图如图2.2。图2.2进气压力传感器电压输出特性进气温度的测量中,采用NTC(Negative Coefficient负温度系数热敏电 阻,实际为会属氧化物和氧化的混合晶体构成的电阻器。该传感器是利用半导 体材料的电阻随着温度的变 30000化而改变的特性制成的。热z册敏式电阻灵敏度高、响应快、:帅温度系数大、电阻率大并

12、且 i,潮结构简单。其中NTC型半导 曼体的使用温度范围为.40130。因为它是一种氧化型的热敏电阻,在温度升高时, 。 *茸o-鼋 C %重 M钟jCe rC啊tC''矾“勺C 沮度(图2-3热敏电阻的温度特性11武汉理r大学硕士学位论文电阻的阻值呈非线性下降,温度特性趋势如图2.3。进气温度传感器的输出特性是非线性的,但经过传感器接口电路之后,温度和接口电路的输出电压基本上是线性关系,其部分输出电压特性如图2.4。5l10115l温度T(图2.4温度传感器电压输出特性进气温度对喷油量的影响可以采用进气温度修J下系数加以修正。在本系统中修正系数如图2.5所示。1.1l-05峙

13、p五1、,、l?-37-23-9620354964逍流f量TII图2.5进气温度对喷油脉宽修iF曲线(2节气门位置传感器节气门位置传感器如图2-6所示,传感器内部电路原理图如图2.7所示。 这种节气门位置传感器实际上是一种具有线性特性的电位计式传感器,它产生一与节气门转角成正比的电压如图2.8。技术参数如表2.2。该传感器的转臂电 阻为0.92Q。在使用5V的基准电压情况下,转臂转动角度从0。100。时的传125545352515O4o武汉理T大学硕士学位论文感器输出电压为0.24"-.-'4.96V,该电压幅值适合于单片机的A/D转换模块的输入电压范围。经过A/D转换后,向

14、电控单元输出一个8位数据。单片机最终判断卜节气门轴2一滑触电阻R。3一滑触电阻 R:4一滑触臂5一电接头I ll l【.321I+ I1I一.一J图2-6节气门位置传感器图2.7节气门电路原理图节气门位置就是判断这个数的数值大小。255075loo节气门开度(%图2.8节气门位置传感器的输出特性在电控单元中并不计算实际的百分比式的节气门丌度,不过为了在匹配系 统中更直观地显示节气门位置,给出以下按百分比计算的节气门丌度计算公式。节气门开度=型等装半×100%(2.1135432lO一人 鹾 手习锌武汉理._I:人学硕十学位论文表2.2节气门位置传感器技术参数电子角度范围 1000转动

15、方向 任意电阻 2KO±20%工作电压 5V工作温度 .30。+110。,.40。+120。(短期转臂保护电阻 710013800转臂允许电流18uA(3缸体温度传感器研究对象ATV发动机为风冷,只能直接在缸体上安装温度传感器,直接测 量缸体的温度。通过实验测得,发动机运行时,缸体最高温度可达220,因此 采用的温度传感器必须可以耐至少250的高温。这罩采用的温度传感器与进气 温度传感器相似,也是一种NTC型的负温度系数传感器。它与进气温度传感器 的区别在于它的测量范围更大,可以耐缸体的高温,其输出特性如图2-9,由图 可见,其输出特性基本为线性。兮 三 口 丑集缸体温度T(图2-9

16、缸体温度传感器输出特性在系统中测量发动机缸体温度的主要目的是判断发动机的工作状态,该温 度影响燃油的汽化和燃烧。为了保证燃烧所需要的有效空燃比,需要根据该温 度调整混合气的空燃比,即修正喷油脉宽。系统中,该校正的方法采用在正常 的喷油脉宽乘上一个校F因子的方式,而这一校J下因子则随气缸温度的降低而 加大,如图2.10。14432lO武汉理I:人学硕十学位论文432燕噪目磐lO发动机缸体温度T(图2.10缸体温度对喷油脉宽的修正曲线(4氧传感器目前大多数发动机管理系统通过氧传感器反馈实现燃油闭环控制,燃油闭 环控制即九闭环控制,其目的是提高三效催化器对废气的净化效纠12l。本系统 采用加热的氧化

17、皓式,根据氧传感器输出电压变化测定九值,混合气达到理论空 燃比(即过量空气系数九=1时,传感器就会产生电压突变。氧传感器中的电 压信号范围为:浓混合气约为800"-1000mY,稀混合气约为100mV,从浓向稀 过渡时,其对应的电压为450500mV,如图2.11。a b-7L. 过ti。j!二象竣X图2.11氧传感器电压特性曲线氧传感器工作温度在600左右时,其工作数据被认为是可靠的,为了尽快 提高氧传感器自身的温度,现有的氧传感器大多装有加热器,加热器由ECU控 制。在发动机低负荷、排气温度低时,给加热器通电,以保证氧传感器的萨常 温度。在高负荷状态传感器的温度将由排气温度决定。

18、加热型氧传感器可以一武汉理Ij大学硕十学位论文直维持在最佳的工作温度,以确保低的和稳定的排放【13I。发动机电控燃油喷射系统的供油系统主要包括油箱、电动燃油泵、燃油滤 清器、燃油调压器、燃油管和喷油器等,如图2.12。电动燃油泵将燃油从燃油 箱泵出,通过燃油滤清器到达喷油器。电磁控制的喷油器将精确计量的燃油喷 入进气管,多余的燃油通过燃油压力调节器返回油箱,燃油压力调节器保证系 统中的燃油压力为一个常数。图2.12燃油供给系统电动燃油泵主要功能就是为系统提供足够压力的燃油。本文选用燃油泵为涡轮式单级电动燃油泵(图2.13,由ECU通过燃油泵继电器控制工作,使喷油器喷油压力达到250"

19、-300kPa。电动燃油泵的定子为 两块高性能马蹄型永久磁铁紧贴在 金属外壳内部。设计在燃油泵内部的 1一泵;2一电动机;3泵盖 图2_13电动燃油泵燃油输送涡轮由12伏直流电机(转子直接驱动,吸入燃油并同时升压送至燃 油泵的燃油输出管口。燃油泵的输出口设计有单向阀,可以保证在发动机不工 作时,仍然维持供油系统的压力保持在J下常的工作压力范围内,使燃油不致泄武汉理r大学硕十学位论文漏或造成燃油向燃油箱的回流。该功能可使发动机再次起动特性得到保证。油 位传感器为滑片可变电阻型。为了保证燃油泵的工作使用温度条件的一致性,燃油泵的安装应位于燃油 箱体内部。这样可使燃油泵的工作温度条件比较恒定,供油系

20、统结构简单,且 不易产生气阻和燃油泄漏等故障现象。电动燃油泵所要求的工作条件是燃油箱 体内部必须拥有足够量的燃油。如果燃油箱内没有燃油,电动燃油泵将会由于 其自身冷却不良而导致转子线圈烧毁,最终导致燃油泵失效。燃油压调节器的功能是调节油轨中燃油的压力,消除因燃油供给速率改变、油泵供油的变化和 发动机真空度的改变对喷油的干扰。燃油压力调节 器由内部的调节弹簧和外部的进气歧管真空度的 相互作用控制(图214。本系统中采用的是有回油系统,因此燃油压力 调节器与油轨是一体。它能始终保持油轨内的油压 与进气歧管内的压差恒定,经调节器调节的多余燃 油通过回油管回到油箱。接进气歧管凸回油图214燃油压力调节

21、器喷油器是燃油供给系统中非常关键的零件,它对发动机的性能有着很重要 的影响。本系统采用球阀式喷油器,线圈引出两极经过发动机线束与ECU和电 源相连;线圈受ECU控制对系统接地导通后,产生磁力克服弹簧力、燃油的压 力和歧管的真空吸力,吸起阀芯,燃油就穿过阀座孔,从导向孔喷出,雾状地 喷到进气门处;断电后,磁力消失,在弹簧力及燃油压力的作用下,喷油器关 闭。喷油器的顶部采用橡胶密封圈与燃油导轨接ISI形成可靠压力燃油密封;下 部办采用橡胶密封圈与发动机进气歧管对空气密封。(1喷油器的流量特性静态流量是指当喷油器处于全开位置时流经喷油器的燃油量随时间的变 化,它是喷油器的最大喷射率。动态流量是指喷油

22、器在给定喷油脉宽(PW下 所供给的燃油量(rag,也即在动态工作过程中实际供给的燃油量11411151。利用 标定系统中喷油器标定功能测得喷油器的流量特性如图2.15所示,图中喷油器的工作周期为lOms,对喷油器的选择要考虑喷油器的最快工作频率以适应发动 机的高速工况,同时还要考虑喷油器喷油特性线性区的最小流量,以适应发动 机小负荷时对燃油准确计量的要求。还要考虑喷油器的最大流量特性,以保证 发动机在高转速,大负荷情况下对燃油的供给量的要求。18161L口E12;10喜s64甸毳.-Y ,11234567891f ×卜时间偏移 喷油时间t/ms图2.15喷油器流量曲线理论上,在喷油器

23、的全程流量范围内,喷油器的流量应该是线性的,且与 喷油脉宽成正比,但实际上并非如此:在动态流量曲线的始端即喷油器开启阶 段,由于脉宽太小加之开启延迟,球阀刚刚丌启(或还没有到达全丌位置就 收到断电信号,阀杆组件由向上加速运动转为减速运动,速度为零后向下加速 运动直到与阀座紧密贴合,因此在小脉宽范围流量随脉宽的增加而成非线性增 长;在动态流量曲线的术端,由于关闭延迟,喷油器在收到断油脉冲信号后, 阀杆组件不能及时下落,等到刚刚下落不久(或还未与阀座贴合喷油器就收 到供油脉冲信号,使其再次被衔铁吸合,所以在大脉宽阶段随脉宽的增加,流 量有所增加并逐渐趋于平缓,到最后随脉宽增加流量已不再变化,阀杆组件始 终处于全丌位置。(2喷油器安装位置设计喷油器的安装位置和角度对燃油雾化的影响很大【171【18l。在试验中,在不改 变发动机结构的前提下,喷油器在安装时尽量满足以下几点:a喷柱对准进进气阀的中心线,使喷雾尽可能分布在进气阀上,利用进气阀较高的温度来帮助燃油汽化。b喷柱尽可能避免壁湿。c喷油器前端离气门的距离适中。当该距离太近时容易造成喷嘴的最高温 度超过许用值而引起燃油汽化,反之,将引起燃油传递过程变长。距离远近不 会影响喷雾的分布。按以上要求,喷油器的安装如图2.16,选择这种喷油地点的优点如下:a进气门的温度高,有利于燃油雾化。b离气缸近,减少供油