通用小型汽油机电控点火系统的设计

通用小型汽油机电控点火系统的设计及标定
匡欣1刘胜吉2李崇尚3
（1.南通理工学院汽车学院，南通226002；2.江苏大学汽车学院，镇江212013；3.常州柴油机厂，常州213002）摘要：随着各国环保意识的加强，排放法规日益严格，这对通用小型汽油机提出了更高的技术要求。

为此，以168F通用小型汽油机为研究样机，根据样机的特点，设计了一套低成本、开环控制方式的电控喷油和点火系统。

本文以电控点火系统为研究对象，结合美国环境保护署（EPA）法规要求，综合考虑排放性能、动力性能及经济性能，对点火提前角进行标定，制取了最佳点火提前角MAP图。

研究了点火提前角度对发动机性能的影响，得到满足排放法规的点火提前角控制策略。

试验表明：采用电控点火系统后，保持原机标定功率，整机排放量值大幅度降低，燃油经济性也有所改善，可以满足美国EPA第三阶段排放限值，并有潜力达到更为严格的法规要求。

关键词：通用小型汽油机电控点火系统点火提前角EPA
Abstract: As the strengthening of countries environmental awareness, emissions regulations are increasingly stringent, which puts forward a higher technical requirements to the universal small gasoline. Therefore, taking a 168F universal small gasoline as the prototype for the study, according to the characteristics of the prototype, a low-cost and open-loop electronically controlled fuel injection and ignition systems is designed. In this paper, putting the electronically controlled ignition system as the research object, combined with the U.S. Environmental Protection Agency (EPA) regulations, considering emission, dynamic and economic performance, the ignition advance angle is calibrated and the MAP of the best ignition advance angle is obtained. The effect on engine performance from the ignition advance angle is studied and the ignition advance angle control strategy which meets emissions regulations is obtained. Experiments show that: After the use of electronically controlled ignition system, the prototype dynamic and economic performance is improved; the whole machine specific emission is significantly lower than the original machine which can meet EPA emission limits for the third stage, and it is potential to achieve the more stringent regulatory requirements.
Key words: Universal Small Gasoline Engine, Electronic Control, Ignition System, Ignition Advance Angle, EPA
0引言
通用小型汽油机，其主要用于提供发电机组、草坪花园设备、农业机械及非道路用车辆的动力。

由于其体积小、重量轻、价格便宜、使用方便等优点，得到广泛应用，且大量用于出口销售。

目前，电子点火系统已在通用小型汽油机上广泛应用，与传统触点式点火系统相比点火性能提高，但其点火提前角的控制仍为机械控制，难于按工况性能精确控制点火提前角，导致汽油机性能难以优化。

随着美国和欧盟排放法规的加严，批量生产的产品已难以满足高端市场低排放产品性能的要求[1]。

电控技术可以通过判断发动机所处工况，精确地柔性控制供油量、点火提前角等参数，使发动机以良好的状态在所用工况下运行。

电控系统已在汽车发动机上得到广泛应用，根据通用小型汽油机的排放、性能要求以及低成本特点，在不采用后处理技术的条件下，开发设计了一款适合通用小型汽油机使用的开环电控喷油和点火系统。

本文以电控点火系统为研究对象，并通过试验标定制取最佳点火提前角MAP图。

研究工作对改善小型汽油机的使用性能和排放性能，保护自然环境，具有重要意义。

1 电控点火系统的设计
以168F通用小型汽油机为研究样机，样机具体参数如表1所示。

闭环控制方式的电控系统传感器数量多，电控系统复杂，发动机闭环控制需使用三效催化剂、氧传感器和爆震传感器，成本高，在小型汽油机产品开发和推广使用方面有较大困难。

针对小型汽油机要求的排放限值，开环控制不需采用催化剂等后处理能满足要求，系统结构大大简化、成本低，因此控制方式选用开环系统。

表1 168F汽油机的主要参数
结构型式
单缸、风冷、四
冲程、回弹式绳索起动缸径×行程/mm × mm
总排量/cm3
压缩比
标定功率/kW（转速/r·min-1）
68×54
196
8.5
3.8（3600）
开环控制方式的电控系统主要由传感器、ECU控制器和控制执行系统三部分组成[2]。

如图1所示，控制执行系统包括四部分：电控喷油、电控点火，怠速控制和故障检测与安全系统。

ECU 采用了低成本、高性
能、低引脚数的MC9S12P128。

传感器部分包括曲轴位置传感器、节气门位置传感器、进气压力传感器、进气温度传感器以及机体温度传感器。

发动机转速由曲轴位置传感器得到，发动机负荷信息由进气压力传感器和节气门位置传感器共同获取。

节气门开度在85%以上时，进气压力随节气门开度的变化不明显，不利于点火提前角的精确控制，这时根据节气门位置传感器测取负荷信号。

当节气门开度小于85%时，利用节气门位置传感器响应速度快、适应性好的特点对发动机加减速工况和负荷大小进行判断。

同时进气压力传感器可根据不同冲程下的压力变化，区分出压缩
图1电控系统组成
上止点与排气上止点。

其具体控制过程是:ECU 由获得的转速信号和负荷信号确定发动机的运行工况，根据运行工况查询MAP 图计算出基准喷油脉宽和点火提前角；从机体温度传感器和进气温度传感器中读取温度信号，对点火提前角进行修正以确定最终的控制参数，并输出给点火器完成发动机点火提前角的控制。

由于发动机的控制精度依赖于存储在ECU 中的控制参数MAP 图，只有通过大量精确的标定试验，才能得到最佳的控制参数，使发动机的动力性、经济性和排放性能等综合性能达到最佳状态[3]。

2电控点火系统的标定
点火系统的标定主要目的是根据不同工况点的排放权重比例，保持原机标定功率值，在经济性能和排放性能和工作稳定性中，选择主要和次要优化目标，得到点火时刻，并将该点火时刻称为工况的最佳点火提前角。

发动机电控点火系统的标定分为稳态标定和非稳态标定，其目的都是为了获得每个工况下的最佳点火提前角。

根据发动机实际使用特点，使用稳态标定，选取速度节点和负荷节点，在保证可以覆盖发动机所有运行工况情况下，尽可能减少标定工作量。

标定试验台架如图2所示，通过测功机给发动机调整负载，使用满足法规的排放分析仪测量排气中的有害气体成分。

试验控制计算机直接与电控单元连接，采用了此ECU专用的标定软件Pro CAL，可以将控制单元中发动机的状态信号，如转速、进气压力、节气门开度、机体温度、喷油量及点火提前角等参数实时显示出来，具体界面如图3所示。

标定试验前，先对原机进行试验，获得原机供油及点火基本参数，为电控MAP的设计提供参考，对原机功率、燃油耗、排放性能测试获得原机性能。

标定试验时，发动机暖机后，将发动机转速和节气门开度调节到某一特定工况点，待发动机稳定运转后，利用标定系统软件修改点火提前角，并微调发动机至工况点稳定，记录对应的发动机的性能参数，包括转速、扭矩、燃油消耗量、发动机机体温度、排气温度和排气成分等。

通过对这些数据的离线分析来确定该工况的最佳点火提前角[4-6]。

图2 试验台架布置示意
图3标定软件界面
表2 B试验循环工况点及加权系数介绍
转速额定转速怠速
工况 1 2 3 4 5 6
负荷/% 100 75 50 25 10 0
权重/% 9 20 29 30 7 5
美国对排量＜225 cm3的非手持式通用小型汽油机于2012年开始实施EPA第三阶段[7]。

168F汽油机排量为196.1cm3，为非手持式Ⅰ类，按B试验循环工况进行[8]，其工况点的分布如表2所示，其中75%、50%和25%负荷工况点所占权重较大。

因此，在全负荷时，在保证动力性不变的情况下，兼顾排放性能和经济性能为优化目标；部分负荷时，排放限值权重较大，选择以排放性能为主要优化目标；小负荷及怠速时，仍以排放性能为主要优化目标，同时兼顾发动机工作的稳定性。

图4所示为标定转速下，电控168F汽油机在通过喷油标定混合气浓度为汽油机综合性能最佳时100%
、
50%、25%负荷工况下，燃油消耗率和CO 、HC 、NO X 排放性能随点火提前角变化的关系。

由图4（a ）知，标定工况下，随着点火提前角的增加，CO 略有上升但不明显，这是由于CO 主要受混合气浓度的影响，随点火提前角的变化不明显；随着点火提前角的增加，缸内燃烧最高温度上升，燃烧反应滞留时间增加，NO X 排放增加；而随着点火提前角的推迟，膨胀时的温度及排气温度均上升，有利于HC 充分燃烧，HC 排放降低，因此小型汽油机随着点火提前角减小，NO X 和HC 排放明显降低，但燃油耗升高。

图（b ）和（c ）中CO 、NO X 和HC 排放趋势与图（a ）大致相同。

但在12°～27°点火提前角区间内，随着点火提前角的下降，NO X 的下降率不同。

当点火提前角从27°C 下降到12°C 时，100%、50%和25%负荷，NO X 下降率分别是39.7%、
37.5%和
50%
C O /%
N O X /10-6
比油耗/g ·(k W ·h )
-1点火提前角/°C
H C /10-6
（a ）
比油耗/g ·(k W ·h )
-1N O X /10-6
点火提前角/°C
C O /%
H C /10-
6
（b ）50%负荷
N O X /10-6
点火提前角/°C
C O /%
H C /10-6
比油耗/g ·(k W ·h )
-1
（c ）25%负荷
图4不同负荷工况下，各性能随点火提前角的变化 负荷的HC 排放量比100%负荷的要大。

在25%负荷时，随着点火提前角的下降，比油耗上升，工作稳定性变差。

应用上述规律，在100%负荷时，在保证动力性不变的情况下，以排放性能和经济性能为优化目标，由图4（a ）可知，选取最佳点火提前角为21°；50%和25%部分负荷排放限值权重较大，选择以排放性能为主要优化目标，由图4（b ）和（c ）可知，选取工况点的最佳点火提前角分别为15°和17°。

调整发动机至每一个工况节点，依据不同的目标，选择最佳点火提前角度。

以发动机转速和进气管绝对压力为X-Y 坐标，建立最佳点火提前角三维MAP 图[9]，见图5。

1500
转速(r
/m i n )
20
进
气
点火提前角(
°C A )
图5 标定后的基本点火提前角脉谱图
负荷/%点火提前角/°C A
图6 原机和标定后额定转速下不同负荷的点火提前角
3电控168F 与原机试验结果的对比及分析
按照上述点火提前角设定后，将电控168F 汽油机与原机进行对比。

在标定转速时，电控168F 汽油机和原机不同负荷对应的点火提前角如图6所示。

由图6可知，电控机不同负荷下的点火提前角均减小，50%、75%和100%负荷的点火提前角随着负荷的降低而减小，而10%和25%负荷的点火提前角比50%负荷的大，这是因为在小负荷时，随着点火提前角的下降，缸内残余废气量增大，汽油被稀释，比油耗上升，且工作稳定性变差。

所以小负荷时的点火提前角要适当的提高。

原机、原机采用电控喷油系统后以及原机进行电控喷油+点火系统经六工况法计算得出的比排放值如
图7所示。

由图7可知，CO 和HC+NO X 的EPA 排放限值分别是610/g·( kW·h) -1和10g·( kW·h) -1.。

在标定转速时，原机的CO 比排放量在排放限值610 g·( kW·h) -1之内，
CO
100200300400500
600HC+NO X
NO X C O （g /k W h ）
EPA Ⅲ 限值
原机
电控喷油+原机点火 电控喷油+电控点火
HC
H C 、N O x 、H C +N O x （g /k W h ）
246810
12
图7不同方案下的比排放值/g·( kW·h)
-1
但HC+NO X 比排放量超过了排放限值10 g·( kW·h) -1
，不满足法规要求。

原机在只使用电控喷油系统后，HC ＋NO X 的排放量有了明显改进，这时因为混合气的浓度得到了有效控制，混合气的燃烧质量得到改善。

而整机CO 的排放量较原机略有增加，但仍在排放限值之内，这是因为部分工况为了降低NO X 而加浓了混合气，如全负荷时混合气加浓，小负荷变稀。

在电控喷油系统的基础上再使用电控点火系统，排放得到了进一步降低，实测排放CO 、HC 、NO X 分别为233 g/kWh 、2.94 g/kWh 、2.4g/kWh ，较单独电控喷油系统分别下降了9.3%、15.8%、19.5%，较原机分别下降了5.3%、61.6%、49%，整机排放物中HC+NO X 的六工况排放量仅为5.9g/kWh ，远远小于法规限值10g/kWh ，同时CO 的排放量不到限值的一半。

168F 汽油机使用电控系统后，有潜力达到未来更为严格的法规要求。

节气门全开时，电控168F 汽油机和原机不同转速对应的点火提前角如图8所示。

且原机、原机进行电控喷油系统后以及原机进行电控喷油+点火系统后外特性图如图9所示。

2000
2400
2800
3200
3600
14
16182022
24点火提前角/°C
转速/r ·(min )
-1
原机点火系统/°C
电控点火系统/°C
图8 外特性点火提前角
由图9可知，节气门全开时，原机进行电控喷油系统改进后，汽油机扭矩较原机有了明显提高、有效燃油消耗率显著下降，其中标定点扭矩提高了6.6%，比油耗降低了2.7%。

原机进行电控喷油+点火系统改
扭矩 T t q /N ·m
转速r ·(min )
-1
有效燃油消耗率/g ·(k W ·h )
-1
图9 使用不同供油、点火系统的168F 汽油机外特性
进后，扭矩相较于原机进行电控喷油系统改进后有所上升，平均有效燃油消耗率有所下降，但转速2800r/min 到3600r/min 的有效燃油消耗率略高，其扭矩略低。

这是由于电控点火后2800r/min 到3600r/min 的点火提前角较原机的下降了。

其它工况均有所改善，最低燃油消耗率下降到320g/kWh ，最大扭矩为11.8 N·m 。

2000r/min 转速下的扭矩提高了1.8%，比油耗降低了2.2%。

这是由于168F 汽油机采用电控点火系统后，精确控制点火提前角，发动机性能得到优化，相较于原机以及电控喷油后燃烧更充分，燃料利用率提高。

4 结论
（1）对通用小型汽油机设计了开环控制方式的电控点火系统，进行了点火提前角的标定试验，通过标定获取了样机最佳点火提前角MAP 图。

实现了对点火提前角的精确控制，能满足小型汽油机性能和排放要求。

（2）采用电控点火系统后，CO 、HC 、NO X 的排放量较单独电控喷油系统分别下降了6.6%、11.2%、15.8%；较原机分别下降了2.4%、59.5%、46.7%；同时燃油经济性也有所改善，使用电控系统后速度特性上最低燃
油消耗率下降到320g/kWh 。

排放结果低于EPA 第Ⅲ阶段的限值，并有潜力满足未来更为严格的法规限值要求。

参考文献
[1] 郑霞君，方祖华．小型通用汽油机排放控制的研究[J]．内燃机工程，2005，26(5)：32－34
[2] 李西秦, 黎苏, 刘冰. 电控发动机控制系统及优化匹配研究[J].车用发动机.2006.2(1):46-48
[3] Ernesto Gutie´rrez Gonza´lez, Jesu´s Alvarez Flo´rez, Sebastie´n Arab. Development of the management strategies of the ECU for an internal combustion engine Computer simulation[J]. Mechanical Systems and Signal Processing 22 (2008) 1356–1373.
[4] S Bhot, R Quayle.Microprocessor control of ignition advance angle[J]. Microprocessors and Microsystems.1982.9(7):355-359 [5] Batmaz, Ihsan，Sahin, Fatih; Bilgen, Hamza . Computer based control of ignition timing in a single cylinder spark ignition engine[J]. Engineering Village.December 2011, v 26, n 4, 861-868 [6] 颜伏伍，刘鑫等.479Q汽油机电控参数标定研究[J].车用发动机.2008.2（173）:58-62
[7]Stephen Glover, Roy Douglas, Kristjan Omarsson. The Potential of a New Type of Carburettor to Assist SORE in Meeting EPA CARB Phase 3 Legislation [J].
SAE Paper, 2007-32-0015.
[8] U.S. Environmental Protection Agency. Title 40: Protection of Environment Part 1054, Control of Emissions From New, Small Nonroad Spark-Ignition Engines and Equipment[S], June 16, 2011 [9] 王向东，黎志勤. 汽油喷射和点火微机控制系统的研制[J].内燃机学报.1991(1):21-27。