125cc踏板摩托车发动机电喷系统应用及发动机的优化

摘 要：本项目研究首先根据摩托车自身的特点对其发动机电控系统的组成及技术特点进行了分析和研究，对进气系统、供油系统进行了设计和选配；对采集发动机工况信号的传感器进行了选配，研究了控制参数的匹配方法，通过试验研究了控制参数对摩托车部分工况排放的影响；在台架上进行了控制参数的优化匹配，对修正参数进行了标定，制取了实用的点火提前角和喷油脉宽MAP图及暖机和缸体温度修正曲线；对冷起动时的排放控制技术进行了试验研究。在整个项目过程中，充分合理进行发动机机内结构系列优化开发工作，最大程度发挥了配装电喷电控系统发动机的性能。

关键词：电喷系统；发动机；摩托车；标定

引言

GY6-125cc化油器式发动机，是国内踏板式发动机的主导品，本研究通过可靠的闭环电喷系统加上发动机内部零部件设计优化的思路来达到该款发动机既满足摩托车排放要求又满足性能不低于原机型发动机的目的。当然，在制定排放控制方案时，在保证性能和噪音的前提下还对产品生命周期的全过程进行整体设计，从整个大系统角度考虑。

1 匹配标定进程

1.1 试验系统设计

试验原型化油器版本发动机技术参数见如表1所示。

1.2 电喷系统的匹配标定

1.2.1 基准MAP标定和设计改进

匹配标定中，只有把点火提前角和空燃比精确的控制在要求范围内，才能使发动机动力性、经济性及排放达到最优控制。基础MAP数据可以借用类似机型的数据作为最初值或是通过标定软件在发动机台架试验中获得。此阶段同时进行了电喷专用进气管设计和电喷系统零部件的选型。喷油器的端部与进气门头部的距离经过试样试验调整了数次最终确定95～105mm距离为最佳喷射效果尺寸，根据喷油器标称的锥角从结构设计上避免燃油直接喷射进气管壁上造成“湿壁”，如图1所示。为了解决缸头温度高、性能偏低的问题，对发动机进行改进：提高压缩比、改变燃烧室形状、增加气缸头高度，另外，对活塞、活塞环进行轻量化设计，见图2。

1.2.2 基本MAP标定、修正参数标定、特殊工况的参数修正。

（1）喷油MAP的标定

在匹配标定时，使用过量空气测试仪进行检测，利用可控制发动机运行状态的试验台架，在三维图的每一个工况节点上，调节喷油量，控制过量空气系数保持在1附近，并综合考虑动力性能和经济性能，选取工况节点上对应功率、经济和排放均优的点，即为该工况节点下的基本喷油量。

（2）点火提前角MAP的标定[1]

对于发动机每一特定工况节点来说，都存在一最佳点火提前角，这时发动机的功率最大，燃油消耗率最低，同时发动机不发生爆震。在台架试验中，保持节气门开度，转速以及混合气浓度一定，记录功率、扭矩、燃油消耗率及排放特性随点火提前角的变化，得出该发动机各工况点下的点火提前角的基本数据。

优化后的喷油脉宽脉谱图和点火提前角脉谱图分别见图3和图4。由图可见两脉谱图均为复杂的三维曲面，表现了喷油量和点火提前角与发动机转速和负荷之间复杂的关系[2]。

（3）修正参数的标定匹配[3]

a.发动机启动工况的参数标定。影响电喷摩托车启动的主要因数包括：环境及发动机温度，蓄电池电压。其中，缸体温度反映了发动机缸内蒸发到空气中的燃油量，从而影响混合气的局部空燃比；蓄电池电压影响喷油量的燃油特性，特别是会影响到点火能量。启动阶段基本点火提前角通常设置为一个常量值。b.电池电压修正。电喷系统中的喷油量对于电池电压比较敏感。为了消除电池电压变化对喷油量的影响，常采用改变通电时间的方法予以修正，即电压低时适当延长喷油时间，电压高时适当缩短喷油时间，电池充满电时修正系数是1，随着电池电压的下降，修正系数线性增加，电池电压过低时，修正系数大于1。c.暖机、怠速过程的参数标定[4]。发动机处于怠速工况时，需同时对喷油量和点火提前角进行调整。怠速修正是在怠速工况下根据转速波动对点火提前角进行修正。当发动机处于怠速工况时，转速需稳定在目标转速附近，ECU不断计算发动机的平均转速，并以目标转速和平均转速的差值做为校正的依据。当转速超过目标转速时，减小点火提前角，反之，则应增大点火提前角。d.过渡工况的参数标定[5][6]。过渡工况主要是指节气门位置的变化引起发动机转速和负荷的变化过程。

摩托车行驶时，经常处于加、减速工况。因为反馈控制需要一定的调整时间，加、减速过渡工况采用反馈控制策略无法满足过渡工况对控制响应速度的要求，必然造成较大的空燃比偏差。因此，在过渡工况下，一般都采用开环控制策略。减速过程的处理一般分成减速断油和减速断油后重新喷油两个过程。

减速断油主要是考虑降低减速时的燃油消耗和排放，再重新喷射的目的是改善驾驶性。

（4）排放标定[7]

为了降低排放，获得高的催化转化效率，过量空气系数的变化必须精确控制在1附近，所以大部分工况应采用过量空气系数闭环控制。因此对氧传感器的安装位置以及起燃时间都有一定的要求。氧传感器位置的选择要考虑其工作环境温度的影响，氧传感器只有在一定的温度下，才能正常工作。一般利用尾气对氧传感器进行加热。在怠速情况下，排气温度较低，达不到氧传感器的起燃温度，使用加热型氧传感器，达到快速起燃的目的。

在试验中，起先使用了非加热型氧传感器进行试验，发现发动机冷机启动时氧传感器开始正常工作时间过长（开环状态），后来改为加热型氧传感器，同时在兼顾与车架没有干涉的前提下将氧传感器、三元催化剂的安装位置进行了合理的调整。

2 样机验证

对电喷发动机样机进行了200小时台架耐久试验，试验过程和结果正常。同时安排了2万公里整车道路试验，试验期间每隔2000公里测试整车性能、工况排放，测试数据显示整车性能参数基本没有降低，尾气排放值变化幅度在合适范围内（排放值低于国三排放标准要求）。这期间，在道路试验12000公里时出现怠速不稳的质量问题，经过分析和对比试验，此系怠速工况时空气流量不够导致点火提前角过大，通过标定软件对节气门体风门进行了增加Φ2.3孔的结构改进（见图5），同时对暖机、怠速及过渡工况的参数进行了重新修正解决了此质量问题。

委托南昌国家摩检所完成发动机台架性能试验和整车（SG125T-3A）国三工况法排放检测。

3 结束语

（1）该电喷系统匹配研究采用机内净化和闭环电喷系统控制相结合，达到发动机性能和排放要求，为小排量发动机由化油器式结构改为电喷结构提供了范例。（2）通过该项目研究，增强了自主开发和创新能力，逐渐了解小排量踏板发动机电喷系统的匹配应用过程及注意事项，活塞组轻量化设计可以拓展到其它型号发动机零部件上，为新品开发和老产品提升注入新的思路。

参考文献

[1]毛华永，张海庆.摩托车汽油机点火提前角的影响因素及确定[J].山东内燃机.2001年第3期（总第69期）

[2]刘利，卓斌.电控汽油发动机的匹配标定试验研究[J].上海汽车，1999，8：1-6.

[3]张翠平，杨庆佛.电控汽油机燃油喷射匹配的试验研究[J].农业机械学报，2004，2（35）：25-28.

[4]张锋.基于QM152摩托车发动机的电控喷射技术研究.浙江大学.2004.2.

[5]胡春明，谢辉等.摩托车电喷系统的匹配技术及其开发系统的研究[J].小型内燃机与摩托车.2002，2：21-24.

[6]朱航，王绍光.电控汽油机进气管道油膜特性参数的标定.汽车工程.2004年（第26卷）第2期.

[7]Petit A.， Jeffrey J. G. Palmer F. H. European Program on Emission， Fuels and Engine Technologies-Emission from Gasoline Sulfur Study. SAE 961071.

作者简介：徐勇跃（1972，5-），男，籍贯：安徽省合肥市，现职称：工程师，学历：大学本科，研究方向：摩托车发动机设计和检测。

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