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小型风冷汽油发电机组燃油喷射特性

作者: 发布时间:2021-04-06 15:37:42点击:
  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。
喷油器喷射特性测试系统示意 图
 
  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》
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