浅谈摩托车发动机进气调节特性

浅谈摩托车发动机进气调节特性
摘要：随着摩托车电子控制技术的进一步发展，摩托车排放法规的不断严格及
驾驶者对摩托车的动力性和稳定性的期望不断增加，摩托车产品需要不断地进行
技术升级。

本文以 CG125 电喷摩托车为研究对象，通过建立发动机模型对发动机
的进气特性进行仿真计算，为电喷系统控制策略的制定和进气调节系统的优化提
供参考。

本文系统地分析了进气调节系统（怠速旁通孔、怠速提高阀、节气门体）的流量
特性和节气门开度对进气管的压力、温度的影响规律，明确了进气调节系统影响
进入气缸的循环气量的本质，为发动机进气量影响因素的分析奠定基础；然后从
气体动力学的角度出发，通过特征线法的推导和重要的边界条件模型的研究，了
解了进气调节系统内气体流动的数值求解方法；运用 GT-Power 软件建立了 CG125 摩托车发动机模型，在确定其能够准确模拟稳态工况各项指标的基础上，模拟不
同的海拔高度、不同的怠速基准、不同的加速时刻对循环进气量的影响，经分析，可为 ECU 控制策略的制定提供参考；同时模拟节气门开度对冷起动性能、EGR 节
流孔径比对压力波的影响，为进气调节系统的优化和 EGR 的设计指明方向。

通过对进气调节系统和 EGR 进行实验研究，结果表明进气调节系统的优化可有效
地提高节气门体的抗污染性能和发动机的怠速稳定性，EGR 能有效降低摩托车的NOx排放。

关键词：进气调节系统；电喷摩托车；控制策略；EGR
引言
摩托车诞生于欧洲，在20世纪70年代以前欧洲一直是世界摩托车制造中心。

70 年代初，亚洲国家在摩托车制造领域异军突起并逐步取代欧洲的核心地位。

随着我国国民经济的快速
增长，交通运输行业也得到飞速发展，使得摩托车制造业在我国得到迅猛发展，摩托车的产
量从 1993 年起持续稳定增长，2008 年全国摩托车年产量达到 2750 万辆，占全世界总产量的
一半以上，全国摩托车保有量接近 9000 万辆，但由于产品技术水平低、污染重、能耗高，摩托车的使用给城市和农村的带来严重的大气污染，国家和地方政府相继出台了一系列的排放
法规和地方限制政策，更加严格的国家第三阶段的摩托车排放标准将于 2009 年7 月 1 日正式实施。

因此，近年来许多摩托车企业和科研机构都投入大量的人力物力从事摩托车电子燃油
喷射系统的开发。

另一方面，随着燃油附加税的开征，市场对摩托车的燃油经济性的要求也
越来越高，电喷技术在摩托车的应用范围越来越广。

一、存在的问题
成本问题一直是阻碍摩托车电喷系统取代化油器的主要因素。

近年来，技术的进步和电
子元器件成本的大幅降低使开发高性能、低成本的电喷系统成为可能。

但电喷系统优势的发
挥还得丰富其软件的功能，制定完善的电喷控制策略，精确控制各个工况的空燃比，真正达
到降低排放和提高燃油经济性的目的。

而发动机循环的喷油量可以通过喷油脉宽直接控制，
因此，能否准确的计量实际进入气缸的进气量成为准确控制发动机空燃比的关键。

对于稳态
工况下实际进入气缸的进气量的测量，一般通过叶片式、卡门涡式及热线热膜式空气流量计
等直接测量法或速度－密度法、节气门—密度法、节气门—速度法等间接测量法。

由于摩托
车进气流量小、工作环境恶劣及成本因素，不适合采用空气流量计的直接测量法；同时摩托
车进气管压力波动大，采用汽车普遍使用的速度－密度法也有问题，例如选取什么相位测得
的进气管压力计算密度。

因此，目前小排量的电喷摩托车主要采用成本低、过渡工况响应优
越的节气门—速度法来预测进气量，但节气门—速度法的缺点也非常突出，它不能对节气门
污染、不同的初始节气门开度及环境温度和压力进行修正。

而对于过渡工况及其他特殊工况
下实际进入气缸的进气量，由于实验条件达不到或实验成本过高，不便直接测量。

同时，随着摩托车排放法规及市场对摩托车的稳定性的要求的不断严格，摩托车电喷系
统需要不断地进行技术升级。

而传统的节气门直接控制怠速进气量的电喷系统在节气门体抗
污染性能和冷起动性能方面存在不足之处，因此，需要对其进行改进，增加怠速旁通孔和怠
速提高阀；另一方面，国三摩托车排放法规对NOx 有更高的要求，传统的控制空燃比、调节
点火提前角已不能满足 NOx 排放的要求，而三元催化转换器的采用会提升摩托车电喷系统的
成本，可采用 EGR来降低 NOx排放。

而怠速提高阀和 EGR 管路的设计需要大量的实验数据支持，开发周期较长。

要解决上述问题，必须弄清楚内燃机进排气系统中的气体流动状况。

关于进排气系统内
的气体流动的模拟计算的研究多年来一直是国内外内燃机研究的重要课题，其中比较简单并
应用广泛的是一维不稳定流动模型，各国研究人员先后开发了特征线法、有限差分法、有限
容积法等多种数值计算的方法，并开发了相应的模拟计算软件，如 GT-power，AVL-boost，Wave 等，方便快捷地解决实际应用的问题。

本文通过 GT-power 软件建立内燃机进排气系统内的气体流动的模型，对稳态工况、过渡
工况及某些特殊工况的进气过程进行模拟计算，分析不同的参数对进气量的影响规律，为电
喷发动机的控制策略的制定提供参考。

同时对进气调节系统、EGR 进行实验研究，验证进气
调节系统在提高节气门的抗污染性能和发动机的怠速稳定性、EGR 降低摩托车的 NOx排放方
面的功效。

本文的研究工作是在这一大框架下展开的。

二、摩托车进气调节系统的理论研究
在摩托车的进气调节系统中，节气门开度是唯一体现驾驶者的操作意图的元件，驾驶者
通过转动油门控制节气门开度，从而控制每循环进入发动机的实际进气量，电控系统根据进
气量进行喷油，实现摩托车的加速和减速过程。

而进气调节系统对进气量的控制实际上是通
过控制进入缸内的混合气密度实现的，进入气缸的混合气密度与进气门前的管内压力和温度
相关，下面首先分析进气管内的气体状态。

2.1 进气管内气体状态分析
为了减小进气管的充排气效应，保证油门变化时发动机进气量的变化能快速响应，摩托
车发动机的进气系统非常紧凑，与汽车多缸发动机的进气系统有显著区别，如图 2-1。

汽车发动机中，由于几个进气歧管共用一个稳压腔，压力波动会被稳压腔平抑。

摩托车
多采用单缸发动机，没有进气稳压腔，节气门体距离进气门很近。

摩托车发动机中进气管和
进气道的总容积与发动机的工作容积大小相当，每循环进气管中压力波动很大。

由于没有进
气稳压腔，因此摩托车发动机进气管内存在的压力波动是无法平抑的。

摩托车进气管中的压力波动是由发动机的进气方式决定的，在进气冲程，进气门打开，
活塞向下运动，相当于一个高速抽气泵从进气管内吸气，当进气门的吸气速率大于进气调节
系统流入进气管的进气速率时，进气管内压力下降；反之，当进气调节系统的进气速率大于
吸气速率时，进气管内压力上升。

进气门快速的开启和关闭，就会在进气管中产生压力波动，随着进气调节系统的进气流量的增大，这种压力波动现象越来越明显。

在节气门关闭（怠速）或小开度时，进气管内的真空度较大，在进气门开启阶段，缸内
压力超过进气管中的压力，就会造成明显的废气倒流；随着活塞的下行，缸内压力急剧下降，进气管中的混合气流入气缸，由于进气门的吸气速率远大于进气调节系统的进气速率，进气
管内的压力急剧下降；随着进气门的关闭，当进气门的吸气速率小于进气调节系统的进气速
率时，进气管的压力开始缓慢回复至进气门开启阶段的压力值。

随着节气门开度的增加，通过节气门处进气速率增加，进气管内压力回复至环境压力速
度更快，在进气门开启阶段的废气倒流就会减少。

当节气门全开或接近全开时，进气调节系
统的进气速率和吸气速率大小相当，管内压力的变化主要由进气门的开启和关闭引起，随着
转速的增加，进气门的启闭频率变快，进气管内的压力波动就会更加明显。

2.2进气管内温度变化的分析
在发动机的一个工作循环中，由于进气调节系统进气速率和进气门的吸气速率不同步，
管内压力随曲轴转角而变化，为了解管内温度随曲轴转角的变化情况，下面对节气门小开度
和大开度下的管内温度进行分析。

1、节气门小开度情形
在节气门小开度下，进气门的吸气速率比节气门及旁通机构的进气速率大的多，进气管
内的气体流动可以近似为两个热力学过程，一个是进气门开启阶段的等容抽气过程；一个是
进气门关闭阶段的等容充气过程，如图 2-2 所示。

2.3进气调节系统流量特性的分析
进气调节系统的流通量主要由节流元件的流通面积和其两端的压差决定，节流元件两端
压差越大，通过节流阀流体的速度越大，通过进气调节系统的空气流量越大。

依据流量测量
的基本原理，采用进气调节系统的流通面积和其前后压差作为一对参量测定进气调节系统的
流量。

2.4进气调节系统的流动与边界模型分析
多年来，各国学者一直致力于研究采用空气动力学理论来模拟内燃机的气体交换过程，
这种气体流动本质上是属于可压缩粘性气体的三维非定常流动，但对于进气系统，由于管子
的轴向流动比径向流动大得多，故可以简化成一维非定常流动，由于三维的非定常流动模型
的计算量大，难以提供边界条件，目前应用最广泛的仍是一维非定常流动模型。

所谓的气体
流动过程的数值模拟就是采用数值方法求解质量、动量和能量守恒方程。

2.5进气调节系统的边界模型
在发动机的进气调节系统中，存在一些突扩、突缩管路及强节流作用的装置，管路中的
气体状态在这些位置发生突变，为方便计算，把这些位置定义为进气调节系统的边界。

当管
路结构不同时，边界前后气体状态具有明显的特点，根据边界的特点定义三种边界模型：突
扩模型、突缩模型和绝热压强损失模型。

三、发动机进气调节系统的实验研究和模拟计算
3.1 运用 GT-power 建立发动机模型
（1）GT-power 软件的简介
GT-SUITE 系列软件是美国 Gamma Technologies 公司开发的汽车仿真分析软件，在同类软
件中居于领先地位。

主要应用于车辆设计参数的分析、各种运行情况下的耗油量和噪声的计算，同时还可以用于发动机性能评估、冷却系统性能的评估等。

在汽车行业中，使用 GT-SUITE 系列软件可以明显地缩短设计开发的周期，降低生产成本。

该系列软件包括 GT-POWER—发动机动力分析；GT-FUEL—燃料喷射系统分析；GT-COOL—冷却系统分析；GT-VTRAIN—配气机构分析；GT-CRANK—曲轴机构分析；GT-DRIVE—驱动系统分析。

GT-power 是专门针对发动机性能分析的软件，广泛应用于各种类型内燃机的设计和开发。

该软件涉及到流体流动的计算、传热传质模拟、燃烧过程模拟、控制仿真等方面的内容，它基于一维不稳定流动模型。

下面主要介绍在GT-power 使用中的一些主要参数的设定及其
理论基础。

（2）网格的划分（离散化）
GT-power 采用的是一维交错网格，标量在网格中心计算，如压力、温度等；矢量在网格
的交界面计算，如速度、质量流量等，如图 3-1 所示。

网格的大小包括管道离散化长度和时
间步长。

管道的离散化长度可以自行设定，步长越长，计算越快，误差也越大；步长越短，
计算越慢，误差也越小。

时间步长则由离散步长确定。

3.2 发动机模型的实验验证
为验证已建立的发动机模型的准确性，需对其计算结果进行验证。

由于摩托车发动机进
气系统的结构特点，使进气管中的压力波动非常剧烈。

因此，模型是否能准确模拟出进气管
中的压力波动现象是考验模型准确性的一个重要标准。

为模拟不同节气门开度下压力波动的
情况，需要了解节气门—速度法中节气门级别的划分。

根据不同节气门开度下进气量对节气
门角度的敏感性不同，以发动机的输出功率作为划分标准，其 16 等分所对应的节气门开度依次为 0—16 级，节气门每级所对应的实际角度如图 3-8 所示。

由上面的模拟计算和实验结果的对比图可以看出，4000r/min 时进气管压力的实验曲线和
模拟曲线能较好地吻合，因此所建立的模型能较好地模拟出摩托车发动机在不同负荷下进气
管中压力波动的情况。

发动机的循环进气量是实现空燃比精确控制的主要依据，从而影响发动机的动力性、经
济性和排放性，因此，是否能准确地模拟发动机各个工况点进气量是检验模型准确性的又一
指标。

图 3-10 为发动机循环进气量的模拟数据曲线与实验数据曲线的对比图。

其中，实验测
量的循环的进气量是通过空燃比反馈实验（通过调节喷油脉宽，保证当量空燃比）的循环喷
油量按当量空燃比（14.7）折算出来的。

上图表明，发动机循环进气量的实验数据曲线和模拟数据曲线在绝大部分工况点是吻合的。

当发动机在节气门大开度时，由于压力波的影响，实验测得的发动机的循环进气量随转
速的变化为双峰曲线，对比模拟数据曲线，两者曲线形状一致，且峰值对应的转速也相同，
分别为 3000r/min 和 7500r/min，因此，发动机能较好地模拟出压力波对发动机进气量的影响。

在发动机中等负荷时，模拟数据曲线和实验数据曲线基本吻合，误差在 5%以内。

只有在发动机小开度、高转速大开度、低转速时，模拟数据曲线和实验数据曲线误差较大，而此区域为
发动机正常工作的盲区，发动机实验时无法稳定运转，实验数据很难测量准确，由于该区域
对发动机的正常工作没有影响，在这不再讨论。

因此，在发动机正常工作的区域内，模型能
较好地模拟出发动机的循环进气量。

结束语
基于所建立的 CG125 摩托车发动机模型，对于摩托车加速工况的计算，一方面需要把转速、初始节气门开度细分，另一方面需要计算跨越一个或多个循环的加速过程。

对于不同怠
速基准的进气量修正，需要通过更多的模拟计算获得转速和节气门开度的修正，以提升空燃
比的控制精度。

对于摩托车 EGR 系统，最佳的节流阀孔径的确定还需通过更多的试验，结合空燃比和点
火提前角的调整获得，在满足摩托车 CO、HC、NOx排放要求的同时，使功率和扭矩损失达
到最小。

参考文献：
[1]顾维东.电喷摩托车发动机空燃比控制的研究，复旦大学.2011.06
[2]方翔.FAI 电喷系统及其怠速控制的研究.2013.01
[3]张付军.汽油发动机电控系统的研究.内燃机工程.2016.04。