摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)電噴與催化轉(zhuǎn)化匹配技術(shù)研究

1、設(shè)計(jì)研究摩托車(chē)技術(shù)2004/1142摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)電噴與催化轉(zhuǎn)化匹配技術(shù)研究滕輝顏伏伍鄒斌(武漢理工大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院摘要:加裝了催化轉(zhuǎn)化器與電噴系統(tǒng)的摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)匹配研究表明,當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)在1.05左右時(shí),催化轉(zhuǎn)化器對(duì)CO 、HC 的轉(zhuǎn)化率較高,但對(duì)NO x 的轉(zhuǎn)化率較低。關(guān)鍵詞:電控燃油噴射催化轉(zhuǎn)化器匹配技術(shù)A Study of Matching of Motorcycle Engine Electronic Fuel Injection (EFI with Catalystic ConversionTeng Hui Yan FuwuZou Bin(Wuhan University of S

2、cience and TechnologyAutomotive Engineering Institute Abstract:A study of the matching of catalystic convertor with EFI shows that when the excess-air coefficient is about 1.05,the conversion rate of catalystic convertor to CO and HC is higher,but lower to NO x .Key words :EFI Catalystic convertor M

3、atching 隨著我國(guó)摩托車(chē)產(chǎn)量和保有量的迅速上升,摩托車(chē)尾氣排放已成為城市大氣的主要污染源之一。因此,國(guó)家和地方政府相繼出臺(tái)了一系列的排放法規(guī)和地方限制政策,摩托車(chē)新的排放標(biāo)準(zhǔn)也已正式啟動(dòng)。為達(dá)到越來(lái)越嚴(yán)格的排放法規(guī),各個(gè)摩托車(chē)廠及科研院所開(kāi)發(fā)出一系列排放控制技術(shù),其中四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)電子燃油噴射技術(shù)和尾氣催化轉(zhuǎn)化技術(shù)是主流的技術(shù)措施1。1摩托車(chē)電控燃油噴射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)采用電控燃油噴射系統(tǒng),精確控制發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比,從而使發(fā)動(dòng)機(jī)的排放特性、燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性等綜合性能達(dá)到最佳。四沖程摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴射系統(tǒng)可以參照車(chē)用汽油機(jī)技術(shù),但必須適應(yīng)摩托車(chē)轉(zhuǎn)速高、工況變化復(fù)雜的特點(diǎn),還要考慮摩托車(chē)原有

4、發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和成本的增加2。以節(jié)氣門(mén)開(kāi)度和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為基本控制參量,從而決定發(fā)動(dòng)機(jī)的基本循環(huán)噴油量和點(diǎn)火提前角。該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、可靠性好、使原車(chē)經(jīng)濟(jì)性得到改善、功率提高、加速性能好、冷起動(dòng)性能好,因而適合在摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)上使用。圖1為所設(shè)計(jì)的四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)電噴系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,電控燃油系統(tǒng)由傳感器、控制器(ECU 、執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)成,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的控制包括循環(huán)噴油量控制和點(diǎn)火提前角控制。本電噴系統(tǒng)所用的傳感器有轉(zhuǎn)速/曲軸位置傳感器、節(jié)氣門(mén)位置傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)缸體溫度傳感器、進(jìn)氣溫度傳感器和蓄電池電壓傳感器。各個(gè)傳感器將所采集的信號(hào)即時(shí)發(fā)送到ECU ,ECU 通過(guò)計(jì)算確定精確的噴油時(shí)間,以使混合氣達(dá)到最佳空燃

5、比。電控單元采用了雙單片機(jī)結(jié)構(gòu),由于采用時(shí)需耗費(fèi)大量的單片機(jī)時(shí)間進(jìn)行脈沖盤(pán)位置判斷和轉(zhuǎn)速計(jì)算,單獨(dú)采用測(cè)速單片機(jī)可以大量降低主控單片ECU噴油器燃油泵圖1四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)電噴系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖傳感器進(jìn)氣溫度火花塞調(diào)壓器燃油壓力濾清器燃油傳感器節(jié)氣門(mén)位置傳感器缸體溫度位置傳感器轉(zhuǎn)速/曲軸設(shè)計(jì)研究43摩托車(chē)技術(shù)2004/11機(jī)在信號(hào)處理上的負(fù)擔(dān),使之可以把計(jì)算能力更多地放在發(fā)動(dòng)機(jī)控制計(jì)算上,同時(shí)簡(jiǎn)化了程序設(shè)計(jì),加快了系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間。執(zhí)行機(jī)構(gòu)由電動(dòng)燃油泵、噴油器、火花塞組成。電動(dòng)燃油泵選用在箱泵。在箱式燃油泵的優(yōu)點(diǎn)有冷卻、減少燃油蒸氣、借助油箱隔音以及在整車(chē)中占用空間小等。噴油器是電噴系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,應(yīng)選用響應(yīng)快

6、、響應(yīng)范圍較廣、小流量特性好,而且在相同的脈寬誤差下流量誤差小,適合于小排量發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油器。整套系統(tǒng)對(duì)原機(jī)結(jié)構(gòu)改動(dòng)不大,并且成本控制在一定的范圍內(nèi),但能精確控制發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比,使發(fā)動(dòng)機(jī)的排放特性、燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性達(dá)到良好的匹配。2摩托車(chē)尾氣催化轉(zhuǎn)化技術(shù)在應(yīng)用了電噴技術(shù)后,排放可以有明顯改善,但為達(dá)到更為嚴(yán)格的排放要求,就必須加裝尾氣催化轉(zhuǎn)化系統(tǒng)。在四沖程電噴發(fā)動(dòng)機(jī)中,由于混合氣濃度控制比較精確,能夠保證催化轉(zhuǎn)化器的工作條件,因此“電控燃油噴射+催化轉(zhuǎn)化”能大幅度降低尾氣排放。由于摩托車(chē)的排氣溫度較高,受高溫和高速?gòu)U氣的不斷沖擊,工作條件惡劣,要求催化劑具有良好的熱穩(wěn)定性,載體具有較高的機(jī)械強(qiáng)

7、度和較小的熱容量和熱膨脹系數(shù),以利于保證低溫下的轉(zhuǎn)化率。選擇金屬蜂窩狀載體除了能滿(mǎn)足上述要求外,還具有流動(dòng)阻力小,對(duì)排氣系統(tǒng)影響小等特點(diǎn);選擇稀土貴金屬過(guò)渡金屬氧化物的高效復(fù)合型催化劑,既能避免稀土催化劑的某些缺陷,又具有貴金屬的優(yōu)良特性3。圖2是某150mL 摩托車(chē)經(jīng)過(guò)改造的裝有催化轉(zhuǎn)化器的排氣消聲器示意圖。該催化轉(zhuǎn)化器使用金屬載體,催化劑選用的是貴金屬Pt 、Rh 、Pd 為主要活性物4,根據(jù)排放限值和成本的要求,選用不同比例的貴金屬及含量,如Pt/Rh,Pt 。催化轉(zhuǎn)化器截面直徑為63mm ,高度為50mm 。在摩托車(chē)負(fù)荷或轉(zhuǎn)速較大時(shí),催化劑升溫過(guò)快,當(dāng)安裝催化器位置上的排氣溫度超過(guò)95

8、0時(shí),容易引起催化劑涂層的燒結(jié),造成催化器劣化系數(shù)急劇上升,凈化效果大幅下降,影響催化器的使用壽命,甚至使催化劑完全失效。因此催化轉(zhuǎn)化器并不布置在排氣口而是將催化轉(zhuǎn)化器放在排氣管內(nèi)。在要求整車(chē)排放達(dá)到較嚴(yán)格的法規(guī)限值時(shí),會(huì)引入熱管技術(shù),即在前排氣管內(nèi)壁上或插入排氣管的一段空管內(nèi)壁上涂覆催化劑,可提升排氣溫度使CO 和HC 的凈化率進(jìn)一步提高。3電噴技術(shù)與催化轉(zhuǎn)化技術(shù)的匹配研究在所開(kāi)發(fā)的電噴發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用尾氣催化轉(zhuǎn)化器,要求對(duì)催化轉(zhuǎn)化系統(tǒng)與電控噴射系統(tǒng)進(jìn)行匹配,因?yàn)榇呋D(zhuǎn)化器的合理應(yīng)用不僅與自身特性(如體積、孔密度、載體性能、催化劑性能等有關(guān),而且還受發(fā)動(dòng)機(jī)狀況的影響。匹配試驗(yàn)所用的設(shè)備儀器如下:

9、a 經(jīng)開(kāi)發(fā)的某150mL 電噴摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)及試驗(yàn)臺(tái)架:該臺(tái)架可以進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)電控噴射的匹配標(biāo)定工作,發(fā)動(dòng)機(jī)的各種工況下的循環(huán)噴油量和點(diǎn)火提前角可以實(shí)時(shí)在線修改和標(biāo)定匹配。b 摩托車(chē)底盤(pán)測(cè)功機(jī):用于整車(chē)動(dòng)態(tài)工況的標(biāo)定和驗(yàn)證。為進(jìn)行精確的匹配試驗(yàn),利用Visual Basic 6.0編寫(xiě)可視化程序通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,即時(shí)修改發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù),使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在控制區(qū)域內(nèi),并記錄發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)。程序界面如圖3。催化轉(zhuǎn)化器的結(jié)構(gòu)尺寸及安裝位置對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)影響較大。所設(shè)計(jì)的凈化消聲器的結(jié)構(gòu)尺寸及安裝位置是運(yùn)用發(fā)動(dòng)機(jī)及其排氣系統(tǒng)模擬計(jì)算程序進(jìn)行優(yōu)化確定的。圖4是安裝催化轉(zhuǎn)化器前后試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)外特

10、性對(duì)比。如圖所示,安裝催化轉(zhuǎn)化器后與原機(jī)(已安裝電噴系統(tǒng),以下同對(duì)比,轉(zhuǎn)矩?fù)p失不大,也就是說(shuō)催化轉(zhuǎn)化器的安裝位置適當(dāng),與原機(jī)形成良好的匹配。催化轉(zhuǎn)化器(a 消聲器結(jié)構(gòu)圖2凈化消聲器及催化轉(zhuǎn)化器示意圖進(jìn)口管擴(kuò)張管載體收縮管出口管(b 催化轉(zhuǎn)化器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究 摩托車(chē)技術(shù)2004/1144表1是化油器原車(chē)、電噴摩托車(chē)和“電噴+催化轉(zhuǎn)化系統(tǒng)”的摩托車(chē)通過(guò)十五工況(GB 146222002檢測(cè)所得的排放對(duì)比值。從表中可看出,化油器原車(chē)CO 和HC 排放很高,CO 排放達(dá)到10.23g/km ,HC 為0.53g/km ,改裝的電噴系統(tǒng)排放大幅度降低,CO 為0.85g/km ,HC 為0.24g/km,加裝催化轉(zhuǎn)化器后,排放更一步降低,HC 僅為0.18g/km ,HC 為0.09g/km 。NO x 排放降低不明顯,分析原因是電噴系統(tǒng)所控制的空燃比偏稀,燃油燃燒完全,HC ,CO 排放就很低;而點(diǎn)火提前角較大,燃燒溫度較高,氧氣充分,故NO x 排放較高,從整體上看加裝催化轉(zhuǎn)化器的效果非常明顯。測(cè)試結(jié)果表明,通過(guò)合理匹配,可以使“電噴+催化轉(zhuǎn)化”摩托車(chē)的排放滿(mǎn)足歐III 摩托車(chē)排放標(biāo)準(zhǔn)。表1某150mL 摩托車(chē)