郝艷東，宋勇，秦軍，雷偉梁，馬興旺，薛小婷，孔宇飛

（太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024）

Honda節(jié)能車WH125發(fā)動機(jī)供油方式及油耗特性實(shí)驗(yàn)研究

郝艷東，宋勇，秦軍，雷偉梁，馬興旺，薛小婷，孔宇飛

（太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024）

Honda中國節(jié)能競技大賽是一項(xiàng)以提高能源利用效率、創(chuàng)造節(jié)約型社會為主題的賽事。文章針對Honda節(jié)能車WH125發(fā)動機(jī)的供油方式及其耗油特性開展實(shí)驗(yàn)研究。對光印、益科電噴供油系統(tǒng)及原機(jī)化油器供油系統(tǒng)在發(fā)動機(jī)起動、怠速、穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)等工況下的耗油特性進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)，獲得了3種供油方式在WH125發(fā)動機(jī)不同工況下的耗油特性。對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得，光印電噴系統(tǒng)對節(jié)能車發(fā)動機(jī)的調(diào)控更加精確、合理，對發(fā)動機(jī)冷機(jī)、熱機(jī)及不同外界環(huán)境下的燃油噴射具有較為恰當(dāng)?shù)恼{(diào)控措施，與益科電噴和原機(jī)化油器供油系統(tǒng)相比，燃油經(jīng)濟(jì)性更高。

Honda節(jié)能車；電噴；供油特性；實(shí)驗(yàn)研究

CLC NO.: U469.6+96 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)19-15-04

引言

Honda節(jié)能競技大賽是以提高社會的節(jié)能和環(huán)保意識為理念的一項(xiàng)賽事，近年來在各大高校、企業(yè)、社會團(tuán)體中影響甚廣，Honda節(jié)能車一直倡導(dǎo)節(jié)能、環(huán)保理念，符合如今環(huán)境現(xiàn)狀。大賽要求參賽車輛統(tǒng)一搭載WH125汽油4沖程發(fā)動機(jī)，行駛速度在25km/h以上，并以賽車跑完整個(gè)賽程的最終油耗為評價(jià)成績優(yōu)劣的唯一指標(biāo)。故如何降低節(jié)能車發(fā)動機(jī)的綜合油耗成為決定比賽成績優(yōu)劣關(guān)鍵因素。由于發(fā)動機(jī)供油方式對賽車的綜合油耗有著重要影響，因此本文針對節(jié)能車發(fā)動機(jī)主流供油方式：光印、益科電噴以及化油器開展供油方式及其耗油特性的實(shí)驗(yàn)研究，以期找出最為合理的供油方案。

1 光印、益科電噴與化油器的油耗實(shí)驗(yàn)研究

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

本研究針對節(jié)能車WH125發(fā)動機(jī)的三種主流供油方式進(jìn)行特定工況點(diǎn)的耗油特性對比實(shí)驗(yàn)研究，重點(diǎn)比較發(fā)動機(jī)處于不同工況點(diǎn)時(shí)各供油方式的燃油經(jīng)濟(jì)性。參考GB 15744-2008 《摩托車燃油消耗量限值及測量方法》國家標(biāo)準(zhǔn)、《汽車發(fā)動機(jī)試驗(yàn)學(xué)教程》實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合節(jié)能車異于摩托車和汽車的特點(diǎn)，制定實(shí)驗(yàn)方案。

第一系列實(shí)驗(yàn)是針對發(fā)動機(jī)起動、怠速的油耗實(shí)驗(yàn)，在起動和怠速實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)GBT 5363-2008 《摩托車和輕便摩托車發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)方法》中4.1和4.2節(jié)的要求，將發(fā)動機(jī)掛在空擋位置或者斷開加載裝置。起動實(shí)驗(yàn)時(shí)，從發(fā)動機(jī)開始點(diǎn)火時(shí)計(jì)量，直至可以穩(wěn)定起動20s時(shí)停止計(jì)量油耗；怠速實(shí)驗(yàn)時(shí)，控制三種供油方式下發(fā)動機(jī)溫度，怠速轉(zhuǎn)速等一致的情況下穩(wěn)定20s時(shí)間并同時(shí)從容積式實(shí)時(shí)油耗測量裝置進(jìn)行油耗測量。

第二系列針對發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)工況的實(shí)驗(yàn)中，用參考GBT 5363-2008 《摩托車和輕便摩托車發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)搭建的試驗(yàn)臺準(zhǔn)確控制發(fā)動機(jī)運(yùn)行在特定工況。穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)中，采用容積法測量燃油消耗量，需要預(yù)先測定燃油溫度，不同供油方式下發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)油耗為：

式中，F(xiàn)C為燃油消耗量（L/100 km），Q為測得的燃油消耗量（L），α為燃油體積膨脹系數(shù)（汽油為0.001 K-1），T0為標(biāo)準(zhǔn)溫度（293 K），T為燃油溫度（K），S為車輛試驗(yàn)中設(shè)定容積燃油行駛的距離（km）。

結(jié)合油耗測量裝置的特點(diǎn)，式中S為4km時(shí)滿足測量條件，通過測量式中Q來計(jì)算發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)油耗；瞬態(tài)工況實(shí)驗(yàn)時(shí)需要加合理負(fù)載，并使發(fā)動機(jī)在低速工況運(yùn)行15s后于0.3s內(nèi)加速到高速工況運(yùn)行15s，階段性多次實(shí)驗(yàn)取油耗平均值，作為衡量加速工況下的油耗特性參數(shù)。

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置

本文設(shè)計(jì)的發(fā)動機(jī)油耗試驗(yàn)臺如圖1、圖2所示，由WH125發(fā)動機(jī)、實(shí)驗(yàn)臺架、油耗測量裝置三部分組成，實(shí)驗(yàn)臺架由加載裝置、風(fēng)冷系統(tǒng)、節(jié)氣門控制裝置，尾氣處理系統(tǒng)等組成，用于固定并為發(fā)動機(jī)提供載荷；油耗測量裝置包括油耗測量儀等部分。在對電噴系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)臺架還應(yīng)包括發(fā)動機(jī)電噴供油系統(tǒng)的一系列傳感器以及行車電腦（ECU）等部分。

圖1 節(jié)能車發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)臺架結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 The testing block structure schematic diagram of fuel-efficient engine

圖2 節(jié)能車發(fā)動機(jī)油耗實(shí)驗(yàn)臺架Fig.2 The fuel consumption testing block of fuel-efficient engine

實(shí)驗(yàn)用發(fā)動機(jī)為Honda節(jié)能車專用WH125發(fā)動機(jī)，表1為其基本技術(shù)參數(shù)。

表1 節(jié)能車WH125發(fā)動機(jī)技術(shù)參數(shù)

1.3 起動工況油耗實(shí)驗(yàn)及分析

在發(fā)動機(jī)缸溫還在冷機(jī)狀態(tài)（16℃）時(shí)，光印電噴系統(tǒng)首先通過發(fā)動機(jī)缸溫傳感器、進(jìn)氣溫度傳感器判斷出發(fā)動機(jī)當(dāng)前處于冷機(jī)狀態(tài)，此時(shí)ECU將控制發(fā)動機(jī)噴油脈寬在首次點(diǎn)火時(shí)開啟時(shí)間較長，然后通過標(biāo)定完成的充氣效率表隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)速波動程度，通過內(nèi)置的插值算法及PID算法對冷機(jī)起動進(jìn)行合理調(diào)控，使起動工況的噴油量處于合適的量值。化油器冷機(jī)起動時(shí)，供給的燃油由于低溫及進(jìn)氣負(fù)壓小的原因呈現(xiàn)較大的液滴態(tài)，極易沾附在進(jìn)氣道壁上，從而使進(jìn)入發(fā)動機(jī)燃燒室的混合氣減少。為此化油器式發(fā)動機(jī)需要在冷機(jī)工況下通過阻風(fēng)門調(diào)控機(jī)構(gòu)與主供油系的配合，供應(yīng)空燃比小的混合氣，使發(fā)動機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明光印電噴系統(tǒng)在冷機(jī)起動時(shí)燃油經(jīng)濟(jì)性更好。

電噴系統(tǒng)對于熱機(jī)起動是依據(jù)提前標(biāo)定的起動設(shè)置及穩(wěn)態(tài)參數(shù)對噴油和點(diǎn)火提前角進(jìn)行控制的，基于傳感器測得發(fā)動機(jī)參數(shù)，通過ECU內(nèi)部程序?qū)?shù)進(jìn)行分析，然后基于設(shè)置參數(shù)來合理控制噴油量?；推魇焦┯头绞皆诔浞譄釞C(jī)之后，發(fā)動機(jī)起動較為順暢供油邏輯也趨于合理，通過對阻風(fēng)門以及怠速螺釘?shù)暮侠碚{(diào)整，化油器熱機(jī)起動時(shí)燃油消耗量與電噴供油系統(tǒng)迅速接近。但電噴系統(tǒng)具有更加完善且靈敏的控制邏輯，由圖3可得在發(fā)動機(jī)冷機(jī)、熱機(jī)狀態(tài)，電噴系統(tǒng)供油方式燃油經(jīng)濟(jì)性均明顯優(yōu)于化油器供油方式。

圖3 不同缸溫下起動油耗Fig.3 The fuel consumption of engine starting at different cylinder temperature

1.4 怠速工況油耗實(shí)驗(yàn)及分析

電噴系統(tǒng)在冷機(jī)狀態(tài)怠速時(shí)是基于充氣效率MAP圖來進(jìn)行噴油脈寬控制的，試驗(yàn)中電噴系統(tǒng)均采用節(jié)氣門曲軸轉(zhuǎn)速模式來進(jìn)行充氣效率的實(shí)時(shí)判斷，這種判斷模式使電噴系統(tǒng)在發(fā)動機(jī)怠速工況時(shí)具有合理的供油控制邏輯，然后ECU通過對各傳感器信號的判斷，對怠速工況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，使噴油量更精確合理。

化油器供油方式在怠速工況時(shí)通過怠速空氣通道與怠速量孔完成基本怠速工況的燃油供應(yīng)。由于控制滯后性嚴(yán)重，導(dǎo)致怠速供油時(shí)燃油存在浪費(fèi)情況，圖4為怠速油耗對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線，怠速油耗實(shí)驗(yàn)顯示發(fā)動機(jī)在怠速工況時(shí)化油器供油方式較電噴系統(tǒng)燃油經(jīng)濟(jì)性較差。

圖4 不同缸溫下怠速油耗Fig.4 The idling fuel consumption at different cylinder temperature

1.5 穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)油耗實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)的油耗是對供油方式控制邏輯與供油特性的最直接反應(yīng)。發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)油耗實(shí)驗(yàn)中，光印電噴系統(tǒng)是通過圖5中基于節(jié)氣門轉(zhuǎn)速模式標(biāo)定的基本噴油脈寬MAP圖進(jìn)行發(fā)動機(jī)的穩(wěn)態(tài)工況燃油控制的，電噴系統(tǒng)通過一系列傳感器對進(jìn)氣效率進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷，結(jié)合上表標(biāo)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性插值算法控制噴油脈寬，進(jìn)而控制燃油供應(yīng)量，另外配合缸溫傳感器、電壓傳感器以及窄帶氧傳感器進(jìn)行噴油量的實(shí)時(shí)修正，電噴噴油脈寬公式為：

式中，tp為噴油脈寬（ms），Q為燃油需求總量（mL），VE為實(shí)際進(jìn)氣量與理論進(jìn)氣量質(zhì)量比值，Pb為進(jìn)氣壓力（kPa），K0為綜合補(bǔ)償系數(shù)，tp0為基本噴油脈寬(ms)。

圖5 光印電噴充氣效率Fig.5 The charging efficiency of Guang Yin EFI

根據(jù)實(shí)時(shí)修正的噴油脈寬使發(fā)動機(jī)工作在良好的情況下。益科電噴的噴油嘴功率大，反應(yīng)靈敏程度差，導(dǎo)致運(yùn)行過程中工作不穩(wěn)定，使得燃油經(jīng)濟(jì)性較差。

化油器供油方式在發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)工況時(shí)，化油器供油系統(tǒng)中僅主供油系工作，通過油門拉線對柱塞及針閥的調(diào)控來控制喉管腔空氣流量和主噴嘴的截面積，進(jìn)而控制供油量，在節(jié)氣門開度較大時(shí)油耗較低。圖6為發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)油耗實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖，電噴系統(tǒng)在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)供油特性較好，發(fā)動機(jī)低速低扭時(shí)電噴系統(tǒng)燃油經(jīng)濟(jì)性更好，轉(zhuǎn)速升高至5000rpm以上后，化油器燃油經(jīng)濟(jì)性更佳。

圖6 不同負(fù)荷下發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)油耗Fig.6 The engine steady state oil consumption under different load

電噴系統(tǒng)對加速工況的控制有單獨(dú)的控制邏輯，基于標(biāo)定MAP表的基本數(shù)據(jù)外，加速時(shí)會通過對節(jié)氣門位置傳感器對節(jié)氣門位置和節(jié)氣門轉(zhuǎn)速進(jìn)行識別，然后由特定控制邏輯進(jìn)行加速時(shí)的燃油供給補(bǔ)償，。對加速工況的控制更加合理。化油器加速工況時(shí)，由于燃油的慣性遠(yuǎn)大于突然加快的空氣慣性，供給燃燒室的燃油量要比實(shí)際所需燃油量少，進(jìn)入發(fā)動機(jī)燃燒室的混合氣空燃比較大，會出現(xiàn)瞬間混合氣過稀的情況，使發(fā)動機(jī)工作不正常。故化油器加速時(shí)的供油特性較惡劣。

圖7為瞬態(tài)工況時(shí)油耗曲線圖，實(shí)驗(yàn)只針對加速工況。因?yàn)闇p速工況時(shí)電噴系統(tǒng)有減速斷油的控制邏輯，所以在減速時(shí)要電噴系統(tǒng)要比化油器具有更高的燃油經(jīng)濟(jì)性。結(jié)合實(shí)驗(yàn)所得油耗曲線，雖然光印電噴系統(tǒng)在加速工況時(shí)具有一定的優(yōu)勢，但優(yōu)勢不明顯，這是由于加速供油時(shí)電噴系統(tǒng)實(shí)行了燃油加濃措施，為了保障加速時(shí)過渡順暢，這部分燃油供應(yīng)特性是合理的。

2 實(shí)驗(yàn)綜合分析

結(jié)合Honda中國節(jié)能競技大賽賽道特點(diǎn)以及節(jié)能車變速比固定、離合器改裝特點(diǎn)等，全程需要在發(fā)動機(jī)低轉(zhuǎn)速、低扭矩條件下行駛，并參考大部分參賽車隊(duì)的節(jié)能車賽道駕駛邏輯，直道時(shí)全力加速至45km/h左右然后熄火滑行、連續(xù)彎道時(shí)采取過彎前加速滑行過彎措施，過上坡彎道時(shí)，采取輕加油低轉(zhuǎn)速過彎策略。駕駛策略相同的情況下，各種道路燃油供給的邏輯控制合理性顯得尤為重要，例如，在過直道時(shí)電噴系統(tǒng)在發(fā)動機(jī)低轉(zhuǎn)速情況下具有最高的燃油經(jīng)濟(jì)性并且在加速工況時(shí)控制邏輯合理，過彎道時(shí)會有熄火滑行，電噴系統(tǒng)會進(jìn)行斷油舉措，但化油器在熄火瞬間還會進(jìn)行噴油，造成燃油浪費(fèi)。綜合分析得出，電噴系統(tǒng)要比化油器供油方式更加適合于Honda中國節(jié)能競技大賽。

3 結(jié)束語

通過對比原機(jī)化油器、光印、益科電噴系統(tǒng)油耗實(shí)驗(yàn)，得出電噴系統(tǒng)在節(jié)能車發(fā)動機(jī)起動、怠速、穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)都具有完善的控制邏輯，化油器在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)燃油經(jīng)濟(jì)性較好，但在其他工況時(shí)供油特性較差，并且在Honda中國節(jié)能競技大賽中，發(fā)動機(jī)基本工作在低轉(zhuǎn)速狀態(tài)，光印電噴供油系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟(jì)性更好，且可通過參數(shù)的設(shè)置對發(fā)動機(jī)輸出特性進(jìn)行實(shí)時(shí)更改。故更適用于Honda中國節(jié)能競技大賽。

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Experiment research of The WH125 engine oil supply plan and fuel consumption characteristics for Honda fuel-efficient car

Hao Yandong, Song Yong, Qin Jun, Lei Weiliang, Ma Xingwang, Xue Xiaoting, Kong Yufei
( College of Mechanical Engineering, Taiyuan University of Science and Technology, Shanxi Taiyuan 030024 )

Honda China eco mileage challenge is a competition, which in a bid to improve energy efficiency and create a conservation-minded society as the theme. In this paper, the experiment research was carried out on the oil supply ways of the WH125 engine and its gas-guzzling properties. What’s more, this article was based on the three energy saving car’s oil supply ways of Guang Yin EFI, Yi Ke EFI system and the original machine carburetor. And then, aiming at the above oil supply ways, the task performed some experiments in terms of the engine starting, idling, steady state and transient conditions. These efforts were prepared for proceeding scientific selection and comparison of the engine oil supply ways. Thus, the experiment concluded lots of oil supply characteristics towards the different working conditions of the WH125 engine. The experiment date were analyzed by the MATLAB software, and the result is shown that Guang Yin EFI system has a more logical and scientific control. It is also concluded that Guang Yin EFI has more appropriate control measures towards the engine cold machine, heat machine and fuel injection control of different external environment. As a result, Guang Yin EFI has the higher fuel economy than Yi Ke EFI and original machine carburetor.

Honda fuel-efficient car; EFI; fuel supply characteristics; experiment research

U469.6+96 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)19-15-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.19.007

郝艷東（1997-），男，山西忻州人，在讀本科生，專業(yè)車輛工程。

國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目（51305288），太原科技大學(xué)博士啟動基金（20122050）。