單缸汽油機(jī)空燃比閉環(huán)電控系統(tǒng)的研究與開發(fā)

包夢(mèng)陽，姚喜貴，朱佳瑤

（寧波工程學(xué)院，浙江 寧波 315000）

單缸汽油機(jī)空燃比閉環(huán)電控系統(tǒng)的研究與開發(fā)

包夢(mèng)陽，姚喜貴，朱佳瑤

（寧波工程學(xué)院，浙江 寧波 315000）

為了提高單缸汽油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，達(dá)到節(jié)能的目的，本課題組將單缸化油器式汽油機(jī)改為電控式汽油機(jī)，設(shè)計(jì)的其電控系統(tǒng)，并裝載原汽油機(jī)和電控汽油機(jī)的車輛進(jìn)行了路試，路試結(jié)果表明：改進(jìn)后的汽油機(jī)裝載的車輛節(jié)能效果明顯。

單缸 ；汽油機(jī)； 空燃比；電控系統(tǒng)；研發(fā)

0 前言

為了最大限度地提高汽油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，改善該汽油機(jī)的動(dòng)力性和排放性，現(xiàn)代電控汽油機(jī)在排氣系統(tǒng)中都裝有氧傳感器，保證汽油機(jī)的電控效果。由于用于參賽的小汽車原來采用的是化油器式燃油供給系統(tǒng)，造成油耗比較高，功率無法提高，排放性更無法滿足要求。為了解決這些問題，本課題組研究和開發(fā)了汽油機(jī)閉環(huán)電控系統(tǒng)，以提高經(jīng)濟(jì)性，達(dá)到節(jié)能的目的。

1 電控系統(tǒng)空燃比控制理論

汽油機(jī)通過節(jié)氣門的動(dòng)作改變進(jìn)入進(jìn)氣管內(nèi)的空氣量，控制進(jìn)入氣缸空氣的多少，進(jìn)而調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)功率，根據(jù)空氣量通過閾值空燃比計(jì)算出燃油量的大小，該空燃比閾值與當(dāng)時(shí)的工況相適應(yīng)。

燃油量是一個(gè)工作循環(huán)為單元進(jìn)行控制，混合氣空燃比寫成∶

式中∶ma為缸內(nèi)每循環(huán)吸入的空氣質(zhì)量；mf為缸內(nèi)循環(huán)噴入的燃油質(zhì)量；Ti為電磁脈沖的寬度，mf為燃油質(zhì)量流量。

ρm為進(jìn)氣歧管處的空氣密度：

式中∶Pm 為進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力；Tm為進(jìn)氣歧管空氣溫度，接近進(jìn)氣溫度T0。ρm可以用進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力傳感器測(cè)量（ρm≤1atm）；Tm用于進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力傳感器合體的溫度傳感器獲得；充氣效率與進(jìn)氣歧管到氣缸的流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。ma與Pm和轉(zhuǎn)速n兩個(gè)變量有關(guān)系：

由公式（2）和（3）獲得，空燃比的主要影響因素為Pm、n和Ti。汽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，控制器接收Pm和n，再根據(jù)閾值λ，通過運(yùn)算，得到正確的Ti，進(jìn)而獲得脈譜圖［1］。

2 電控系統(tǒng)的空燃比控制策略

該單缸汽油機(jī)采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，在汽油機(jī)的排氣管中加一個(gè)氧傳感器，及時(shí)檢測(cè)出廢氣中的氧的濃度，用以說明此時(shí)缸內(nèi)的燃燒狀況，當(dāng)氧傳感器測(cè)得濃度大時(shí)，說明缸內(nèi)燃燒氧處于濃的狀態(tài)，而測(cè)得氧的濃度小時(shí)，說明缸內(nèi)氧處于稀的狀態(tài)。進(jìn)而調(diào)整噴油量，保證一直處于空燃比合理的狀態(tài)。

如圖1所示為其控制過程。當(dāng)空燃比較小時(shí)，氧傳感器處于高電平。控制器獲得高電平之后，將噴油脈寬的校正減小，使脈寬變窄，噴油量變小，混合氣變稀。當(dāng)空燃比較大時(shí)，氧傳感器電平變成低電平。控制器接到低電平信號(hào)之后，將噴油脈寬加寬。噴油量變大，混合氣變濃［2］。

在汽油機(jī)整個(gè)運(yùn)行過程中，噴油脈寬一直在閾值空燃比的范圍內(nèi)上下小幅度地波動(dòng)。由于該系統(tǒng)是單缸汽油機(jī)，因此控制策略采用比較經(jīng)典的PID控制。

3 電控系統(tǒng)的組成

單缸汽油機(jī)電控系統(tǒng)由輸入信號(hào)、控制器（ECU）以及執(zhí)行器等構(gòu)成（圖2所示）。輸入信號(hào)主要包括轉(zhuǎn)速、壓力、溫度以及進(jìn)氣門位置傳感器。

控制器（ECU）是汽油機(jī)電控系統(tǒng)的信息處理和計(jì)算中心。它利用各種函數(shù)、算法程序和數(shù)據(jù)庫與硬件［3］，處理從各種傳感器輸入的各種信號(hào)，以這些信號(hào)為基礎(chǔ)，結(jié)合內(nèi)部程序，輸出命令，送到執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽油機(jī)燃油空燃比的控制。

噴油器是發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制的執(zhí)行器。它接受ECU輸出的噴油脈寬，準(zhǔn)確地計(jì)量燃油噴射量，本汽油機(jī)采用了球閥式的電控噴油器。點(diǎn)火系統(tǒng)采用了無分電器高能點(diǎn)火系統(tǒng)。

4 電控系統(tǒng)汽油機(jī)的試驗(yàn)

4.1 電控汽油機(jī)參數(shù)

試驗(yàn)中采用了HONDA單缸汽油機(jī)，該機(jī)主要應(yīng)用于摩托車和賽車等。其汽油機(jī)主要參數(shù)是單缸、四沖程、風(fēng)冷、電控、：缸徑*行程為52.4*57mm、排量125CC、最大功率6.6KW/7500rpm、最大轉(zhuǎn)矩9.68Nm/4000rpm、壓縮比9.0。

4.2 路試及其結(jié)果

將電控汽油機(jī)和原汽油機(jī)先后裝載在車能車上進(jìn)行路試，路試參照GB/T12545.1-2008執(zhí)行，包括GB18352.5-2005規(guī)定的工況循環(huán)燃油在測(cè)試之前，試驗(yàn)車充分預(yù)熱，達(dá)到正常工作溫度，在道路上以試驗(yàn)車速行駛至少5公里。車速變化不超過±5%，冷卻液、機(jī)油和燃油溫度變化不應(yīng)超過±3℃。

消耗量試驗(yàn)。等速行駛?cè)加拖牧吭囼?yàn)，試驗(yàn)方法是在干燥、無積水的平坦的道路上試驗(yàn)，平均風(fēng)速小于3m/s，陣風(fēng)應(yīng)不超過5m/s。

測(cè)量路段長(zhǎng)度500m，試驗(yàn)車速?gòu)?0km/h開始，以車速10km/h的整數(shù)倍均勻選取車速，直到達(dá)到最高車速的90%，至少選定5個(gè)試驗(yàn)車速。試驗(yàn)時(shí)，變速器用直接檔。測(cè)量車輛等速通過500m測(cè)量路段的時(shí)間及燃油消耗量。同一車速試驗(yàn)應(yīng)往、返各進(jìn)行兩次。

表1 試驗(yàn)車路試試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表（單位：km/l）

從表1可以看出，將原車化油器式汽油機(jī)車輛改為電控汽油機(jī)車輛后節(jié)能效果明顯。原化油器式汽油機(jī)車輛1升汽油能續(xù)航90.6公里，裝載電控汽油機(jī)的車輛1升能續(xù)航312.4公里。

5 結(jié)論

通過將原車輛上的化油器式汽油機(jī)改裝成電控式汽油機(jī)，車輛經(jīng)濟(jì)性得到了大幅度的提高，因此，電控是小型單缸汽油機(jī)必要的技術(shù)支持。

［1］錢人一. 現(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，1999.

［2］卓斌，劉啟華.車用汽油機(jī)燃料噴射與電子控制［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

［3］鐘軍，馮靜，卓斌.車用控制器EUC標(biāo)定系統(tǒng)通信模塊的設(shè)計(jì)［M］.內(nèi)燃機(jī)工程，2003（01）：55-58.

本項(xiàng)目得到浙江省科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃資助項(xiàng)目（編號(hào)：2016R424003）的資助。

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.20.230