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EPAAbstract: 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, EPA0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）68×541968.53.8（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。