小型风冷汽油发电机组燃油喷射特性

　　0 引  言

 

　　目前我国小型发电机组（6kW 以下 ）发展十分迅速 ，年产量在 1000万台以上，其中绝大部分是小型风冷汽油发电机组，我国已成为世界小型发电机组的生产基地。近来该行业 良好的发展势头受到欧美 13 益严格的排放法规的限制 ，如美国加州大气资源局（CARB）制定的非道路用小型发动机排放法规和美 国联邦环保局（EPA）制定的非道路用小型发动机排放法规_1 .目前我国所生产 的小型风冷汽油发电机 组都采用的是化油器结构的燃油供给混合系统 ，无法满足这些 日益严格的排放法规要求。电控燃油喷射 技术在降低排放和减少燃油消耗方面已取得了显著的效果，并广泛应用于汽车和摩托车发动机上口]. 本研究拟把这项技术运用到小型风冷汽油发电机组上，用来控制其排放及燃油消耗。喷油器是电控燃油 喷射系统中的一个非常重要的部件 ，其性能直接影响整机的性能，选取合适 的喷油器非常关键  ].本 文作者分析了小型风冷汽油发动机组的特点，设计并研制了电控燃油喷射特性测试系统，通过实验测量 了多种型号喷油器的燃油喷射特性，选取适合小型风冷汽油发电机组的喷油器。

 

　　1  小型风冷发动机组特点分析

 

　　目前大批量生产的 6kW 以下发电机组所用汽油机全都是单缸风冷 自然吸气式 ，其结构及性能参数 如表 1所示。其燃油供给混合系统均采用化油器，虽然结构简单、使用调试方便、成本较低 ，但燃油量不 能精确得到控制 ，空燃混合气配比范围太大 ，这是发动机排放及燃油消耗量较高的根本原因。 小型发电机组用汽油机还有两个显著特点：（1）在整个工作范围中，转速基本恒定。发电机组频率 为 50Hz或 60Hz所对应发动机转速 3000r／min、3600r／arin，它是通过发动机上 的机械调速器来控制节 气 门开度 的大小来保证的 ，调速范围不超过 5％。（2）小型风冷汽油机的单缸工作容积为 8O～400mL，燃 油消耗量最大为 400g／kW ·h.这些汽油机如果 采用 电控 喷射，其喷油器的最大喷油量应在 0.008— 0.043 mL／循环（在发动机转速为 3600r／min时），见表 1最后一行。 而车用汽油机机转速工作范围变化很大（700～6000r／min），其单缸工作容积也比较大（通常在350 ～700mL）。因此就小型发电机组用发动机而言，要求其喷油器最大喷油量小于车用汽油机的最大喷油 量 ，且喷油量对喷射脉宽的斜率也要小于车用汽油机 ，这样才能保证发 电机用汽油机调速灵敏 ，燃油控 制精确。

 

　　2 燃油喷射特性测试系统的设计

 

　　燃油喷射特性测试系统如图 1所示 ，包括汽油箱 、电动汽油泵、汽油滤清器 、油轨 （带压力调节器 ）、 喷油器、量杯及电控单元 （MCU）。其中 MCU控制喷油器喷射脉宽的大小及油泵的开启 ；量杯用来测量 在不同脉宽下的喷油量。根据这个喷油量和喷射脉宽的关系，测出喷油器的燃油喷射特性。

 

　　2.1  MCU电控单元

 

　　燃油喷射特性测试系统 电控单元 （MCU）采用 ATMEGAL16单片机 ，通过其 内部软件编程产生频率 一定 ，脉宽变化的 PWM，通过喷油器的驱动电路 ，驱动喷油器工作。喷油器在不 同脉宽时喷射 出相应的 喷油量 ，从而得出其燃油喷射特性。

 

　　2.2 喷油器驱 动 电路

 

　　图 2为喷油器驱动电路。喷油器 的驱动 电压为直流 12V，一端接蓄电池 +12V电极 ，另一端接晶体 管的集电极，二极管起限流保护作用。当 MCU给出低电平控制信号时，晶体管 Q1、Q2不导通，喷油 器不工作 ；当 MCU给出高电平控制信号时 ，晶体管 Q1，Q2导通 ，喷油器线圈闭路 ，喷油器开始工作。发 动机每个工作循环对应于喷油器开启一次。

 

　　3 控制程序设计

 

　　控制程序流程如图3：首先设置 PWM频率及循环次数，PWM频率跟发电机组的转速有关，循环次 数初始设置为 1000次（该循环次数可以根据喷油油量的大小而改变）；然后设置脉宽大小，确认设置的 脉宽输出波形及显示相应脉宽大小；开始正常的喷油，达到循环次数后停止；通过量杯刻度读出这 1000 次累计喷油量大小 ，从而换算 出每次喷射的油量。

 

　　4 实验结果分析

 

　　4.1 不同喷油器的喷射特性分析及选型 对 5个同型号的喷油器喷射特性进行了测量。喷油 器 1，2，3，4的结构均为四喷孔（喷孔孔径不同），喷油器 5结构为单一喷孔。通过调节油轨上压力调节器 ，设定喷 油器的进油压力为 0.25MPa（即喷射压力 ），所测得的每 个喷油器喷射特性如图4所示。

 

　　从图 4中可 以看出，在相同的喷射脉宽下 ，喷油器 1 的喷油量为最大 ，其次是喷油器 2，3，4，喷油器 5的喷油量最小；喷油器 1，2，3的喷油量 比较接近。对于发动机的转速为 3600r／min，每个工作循环的时间为 33ms，喷油器最长喷射时间一般约 占每个工作循环时间的一半 ，既 16.5ms，对应于各个喷油器的喷油量

 

　　对 比表 l中各 种机型所 需要 的最 大油量 ，显 然喷油器 1，2，3均可满 足 188F，182F，177F，173F， 16817，152F这 6种发动机最大油量的要求，喷油器4可满足 182F，177F，173F，16817，152F这5种发动机 最大油量的要求，喷油器5可满足173F，168F，152F这3种发动机最大油量的要求。但对于 152F发动机 由于其所需燃油量只有 0.008 mL，是所有喷油器喷油特性的最小范围，给燃油系统的燃油调节带来 困 难，即这些喷油器均不适合匹配 152F发动机，需要另外选配其他型号的喷油器。 尽管喷油器 1，2，3，4，5均可满足 173F，168F发动机最大油量 的要求 ，从图 4可以看出 ，喷油器 4、5 的曲线斜率相比比较小，可以通过增加脉宽来满足喷油量的需求。从燃油精确控制和调速的角度，喷油 器 4、5比喷油器 1，2，3更适合于 173F，168F发动机 ；同理 ，喷油器 5比喷油器 4更适合于 173F，168F发 动机。

 

　　4.2 发动机转速对喷射量的影响

 

　　研究了喷射频率的变化即发动机转速变化时，喷油量的变化情况。图5所示喷油器4在不同喷射脉 宽、相同喷射压力下 ，其喷油量与转速之间关系 ，试验表明喷油量与转速变化没有关系。因此在发动机的 调速过程中，即使有转速波动 ，也无须对喷油器的喷油量进行修正。

 

　　4.3 驱动电压对喷油量的影响

 

　　喷油器的驱动电压是由蓄电池来提供的，在实际使用中蓄电池的电压会发生变化。本文作者在实验 中发现该驱动电压 的大小对喷油器喷油量有一定影响。喷油量随着驱动电压的降低而有所减少 ，如图 6 所示。因此在发电机组实际工作时，MCU应监测蓄电池 电压的高低 ，根据该 电压的高低 ，MCU应对喷油 器的喷油量进行修正。

 

　　5 结 论

 

　　（1）电控喷射技术是小型风冷汽油发电机组满足严格的排放法规 的有效手段。

 

　　（2）通过对多种型号喷油器燃油喷射特性的研究 ，选取适合小型风冷汽油发电机组的喷油器。

 

　　（3）喷油器的喷油量与喷油频率 （发动机转速）的变化没有关系。喷油器喷油量与驱动电压的大小 有关。在实际工作中，MCU应根据驱动电压的高低，对喷油器的喷油量进行修正。



参考文献：上海师范大学学报(自然科学版) 第38卷第1期  《小型风冷汽油发电机组燃油喷射特性》