现代摩托车电喷系统的发展新动向(1)

  随着世界各国节能、环保、安全法规的日益严格,以及人们对高性能、高品位、高舒适性摩托车的追求,传统的开环控制模式已经无法满足要求。

  伴随电子技术与自动控制技术的飞速发展,各种电控元器件的种类增多,捕捉信息的范围更广,精度不断提高,寿命逐渐增长,价格大幅度下降,使传统的电控燃油喷射系统正在向微型化、集成化、数字化、智能化、安全化、自动化、低成本化、免维护化和个性化的方向发展。各种先进、完善、可靠的电控燃油喷射系统的专利发明不断涌现,发展特点主要表现在以下3个方面。

  1 由传统开环控制向更为完善的闭环控制方向发展

  传统开环控制系统的ECU仅根据各传感器的电信号,修正喷油器的喷油量调整空燃比,但对喷射以后发动机的实际燃烧状况没有检测和实施控制,导致实际效果不十分理想。为此,各种更为完善、可靠的闭环反馈式,包括利用氧传感器、排气再循环EGR控制阀、炭罐系统等输出信号全面控制摩托车的排放系统应运而生。

  1.1 更为完善的燃油蒸发污染物排放控制系统

  在现代摩托车的排放污染物中,有20%以上的HC来自燃油系统中汽油的蒸发。为此,近年来世界各国正在推广炭罐系统应用于燃油蒸发污染物排放控制系统,以防止HC蒸发进入大气,达到保护环境,节约能源的目的。

  国外电喷摩托车采用的高性能燃油蒸发排放控制系统,主要由密封式高压燃油箱、翻车阀、双通阀、油气分离器、炭罐和电磁阀等组成。

  1.1.1 密封式高压燃油箱

  密封式高压燃油箱内设计了1个汽油过满限制装置,防止燃油溢出。具体方法是在油箱上表面设计1个膨胀油箱,容积约为整个油箱的1/10。膨胀油箱的上表面设置多排节流孔,孔径大小和数量根据油箱加满后,燃油通过节流孔15min充满膨胀油箱为原则设计。

  加装膨胀油箱后,加满油时实际上膨胀油箱并未充满,当汽油经过15min充满膨胀油箱后,油箱就有小部分空间,即使车辆在颠簸、上下坡时,燃油也不会泼洒出来。当车辆停放在阳光下温度升高时,膨胀油箱就为膨胀的燃油及燃油蒸气提供了贮存空间。可见密封式高压油箱是防止燃油浪费,造成大气污染的必备装置。

  1.1.2 翻车阀

  翻车阀功能是保证摩托车即使在意外翻滚90º~180º的情况下,燃油箱内燃油既不外泄,也不流入炭罐。

  翻车阀主要由壳体、密封圈、弹簧、浮子式阀芯和针阀等组成。浮子式阀芯处于壳体内中央,外部呈圆筒形,底部有一筒形凹入部,从该筒形凹入部向下设置用以套设弹簧的圆凸棒。浮子上端中央设有针阀,外壳上部呈圆筒形,下部外侧呈倒锥台形,在倒锥台壳体部分开有4条纵向通道,壳体上端设有与炭罐相连的蒸气出口,下端设有与油箱相连的蒸气入口。通常情况下,翻车阀外于立正位置时,蒸气出口和入口始终互通。

  当燃油箱翻滚90º~180º后,浮子式阀芯在重力和弹簧弹力的共同作用下将针阀孔完全堵死,有效地防止燃油从针阀流出,减少着火烧车的可能性,大大降低翻车事故带来的危害和损失。

  翻车阀一般与油箱排气口一体布置在油箱最高点,能有效防止摩托车倾覆后液态燃油从油箱经油管、双通阀和油气分离器进入活性炭罐,造成活性炭失效。

  1.1.3 双通阀

  双通阀是一个双向互通的阀门,是保持油箱内压力平衡的关键部件,因此也称保压阀,主要由壳体、复位弹簧、阀体、阀芯和密封圈组成,双通阀上盖一端接燃油箱,壳体一端接炭罐,不能接错。

  双通阀的工作原理是:当环境气温升高时,燃油箱内产生汽油蒸气形成正压,进入双通阀内的高压汽油蒸气克服复位弹簧的弹力,推动阀芯下移关闭阀体上的进气孔,高压汽油蒸气沿阀体外侧缝隙进入炭罐,被活性炭吸附,当环境气温下降,燃油箱内的汽油蒸气凝结,形成负压时,空气通过炭罐底部的进气口进入活性炭罐,对活性炭吸附的HC进行脱附,形成负压较高的HC混合气进入双通阀。此时,由于接油箱一端为负压,而与炭罐连接的一端为压力较高的大气压,于是在复位弹簧的弹力和HC混合气正压的共同作用下,推动阀芯上行,打开阀体上的进气孔,进入燃油箱补气。

  双通阀较为关键的原因有2个:1)如果燃油箱形成负压时不通,发动机工作时将发生燃油箱吸瘪或发动机熄火现象;2)燃油箱内形成正压时,双通阀的开启压力过大,如大于3.63kPa,通气性能检测便达不到GB20998-2007标准要求。因此,如果需要更换双通阀时,一定要选择与原车相同的规格型号。

  1.1.4 油气分离器

  油气分离器是抑制油箱的液态油注入活性炭罐的最后部件。所有的燃油蒸发污染物排放控制系统都需要一个或几个燃油蒸气分离器,简称油气分离器。可布置在从油箱到活性炭罐的燃油蒸气管道上,也可集成在炭罐内部。油气分离器不仅可以抑制油箱的液态油流入活性炭罐,而且还能凝结燃油蒸气,在炭罐为油箱补气时再将油气分离器里的液态油返回油箱或通过补气气流将液态油重新汽化带回油箱。

  油气分离器种类较多,如重力分离型、碰撞聚结型、旋流分离型、旋转膨胀型等,基本原理都相似。以碰撞聚结型为例,其结构主要由外壳、挡板、滤网和单向阀等组成。当含有汽油分子的混合气进入分离器后,喷洒在挡板上,经扩散后质量较大的汽油颗粒依靠自身的重力沿挡板下滑至分离器的底部凝结储存,当炭罐为油箱补气时,再经单向阀重新返回油箱或通过补气气流将液态油重新汽化带回油箱;质量较小的汽油蒸气则从上部蒸气出口,进入活性炭罐,供活性炭吸附。

  1.1.5 炭罐

  炭罐是燃油蒸发排放控制系统的核心部件,其性能的好坏直接关系到整个燃油蒸发排放控制系统性能的优劣。炭罐的结构设计是影响炭罐性能很重要的因素,主要包括活性炭的利用效率、炭罐通气阻力、炭罐外形尺寸和多功能性等因素。

  活性炭罐的结构主要由外壳、活性炭和过滤材料等组成。

  外壳必须采用机械强度高、抗老化性能好的轻质材料,如尼龙等,并采用旋熔技术对炭罐密封,使壳体耐久性达到与新车同寿命的设计要求。外壳上有3个连接孔,上方的吸附口与油箱相连,脱附口与发动机进气歧管相连;下方的通气口与大气相通。

  活性炭的主要性能指标应满足炭罐的工作能力要求,劣化率达10%以上,使炭罐达到或超过新车的使用年限。

  上下两端的过滤材料主要用于过滤空气,防止灰尘等杂质进入炭罐。影响炭罐结构性能的原因主要有如下4点:

  a) 长细比(长度与直径或宽度之比)。一般而言,在装活性炭容积相同的情况下,长细比大的工作能力大,最佳值为3.5左右。

  b) 多功能性。为了节省空间,减少安装复杂性,可将多种功能集成到炭罐内(如可将油气分离器、电磁阀等集成到炭罐内)。

  c) 外观。为确保外形美观大方,一般设计成圆柱形;当安装空间不规则时,也可设计异形炭罐以满足炭罐容积及系统其他性能要求。

  d) 安装位置。炭罐不能直接在阳光下暴晒,也不能安装在温度很高的发动机气缸附近。环境温度过高,炭罐易于饱和,通大气口容易窜出汽油蒸气,出现汽油味。当环境温度达到45℃恒温时几乎没有蒸发。此时PV./T=常数,亦即温度T和压力P不变,体积V也不变,因此没有汽油蒸气进入炭罐,蒸发和凝结处于动态平衡状态。总之环境温度高时工作容量的指标GWC会下降,环境温度下降时GWC会上升。

  1.1.6 电磁阀

  电磁阀的功用是按照ECU的指令接通电磁线圈,打开电磁阀,对炭罐进行脱附,为发动机补气。电磁阀的开闭完全受ECU的控制,结构主要由壳体、电磁线圈、回位弹簧、阀体、阀门和上盖等组成。

  常闭式电磁阀的工作原理:当点火开关关闭时,即发动机不工作时电磁阀关闭,炭罐仅吸收来自燃油箱的燃油节气;当点火天关接通,发动机起动后,ECU立即对电磁阀实施控制;ECU根据发动机温度、转速、节气门开度等信号,通过分析、比较、运算,适时发出指令接通或切断电磁阀电磁线圈电流。

  当ECU接通电磁阀电磁线圈时,电磁阀打开,炭罐脱附口与发动机进气歧管连通,在发动机进气管真空度或负压的影响下,源源不断的空气从炭罐底部的通气口吸入炭罐,经炭罐底部的过滤材料过滤后,形成干净的空气流带走活性炭粒表面燃油分子,并经管道送入发动机燃烧室燃烧。当ECU控制电磁阀电磁线圈断电后,电磁阀立即关闭,切断炭罐脱附口与发动机进气歧管的连接,此时无法对发动机补气。

  1.1.7 ECU控制的脱附过程

  车辆一旦起动,整个燃油蒸发排放控制系统就开始工作:一方面按照发动机不工作时的控制状态对燃油箱不断进行吸附、补气循环过程;另一方面,电磁阀开始工作,ECU通过对电磁阀的控制,对发动机补气。如果ECU控制电磁阀开启,则在进气歧管真空吸力的作用下,空气从炭罐下方进入,经过活性炭后再从炭罐的出口进入发动机进气歧管,把吸附在活性炭上的汽油分子送入发动机燃烧。

  进入进气歧管的燃油蒸气量是需要加以控制的,以防破坏正常的空燃比,影响发动机的动力性能。这一控制过程由ECU根据发动机的温度、转速、节气门开度等运行参数,通过操纵控制电磁阀的开、闭来实现。

  1.2 更为先进的闭环反馈式电控燃油喷射系统

  典型的闭环反馈式电控燃油喷射系统结构。车辆行驶过程中,ECU根据节气门位置传感器、进气绝对压力传感器、进气温度传感器、水温传感器、转速传感器、氧传感器以及EGR阀位置传感器等7个传感器传来的信号,通过取样分析、比较、运算后,精确控制喷油器的喷油正时和喷油量,控制EGR控制阀的开度,从而使整个电控系统的控制水平提升到一个新台阶。

  系统中的氧传感器是用来检测排气中氧的浓度,然后反馈给ECU判断发动机的实际燃烧状况,不断修正喷油量,精细调整空燃比在各种实际运行工况下均收敛于理论空燃比14.7:1附近,使混合气燃烧更充分。

  系统中的排气再循环(EGR)装置,是将一小部分废气从排气管引入进气管,人为地使新气中的废气量增加(即加大气缸中的余气系数),使火焰温度及火焰传播速度都迅速下降,对NOX的净化作用非常明显。在理论空燃灰比 14.7时,20%的废气再循环量可使燃气中的NOX下降70%,而单位燃油消耗量只增加3%;另一作用是可充分利用部分高温排放气体加热混合气,特别是中低速时能促使燃料的充分雾化,大幅度提高发动机的中、低速性能,使发动机运转稳定,更加接近稀薄燃烧方式,避免出现中低速时的“转矩谷”和“功率谷”。(待续)(摩托车技术)