摩托車雙火花塞點(diǎn)火技術(shù)分析與應(yīng)用

閻希成張俊杰林漫群朱保華王之東（天津內(nèi)燃機(jī)研究所天津300072）

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摩托車雙火花塞點(diǎn)火技術(shù)分析與應(yīng)用

閻希成張俊杰林漫群朱保華王之東
（天津內(nèi)燃機(jī)研究所天津300072）

目前，國(guó)產(chǎn)摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)內(nèi)凈化方案主要是精調(diào)化油器或采用電控噴射技術(shù)，通過精確控制空燃比降低原機(jī)排放，但隨著排放法規(guī)的不斷加嚴(yán)，原機(jī)排放還需要繼續(xù)優(yōu)化，降低冷啟動(dòng)階段的排放是進(jìn)一步降低摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)原機(jī)排放的重要環(huán)節(jié)。在一臺(tái)國(guó)產(chǎn)電噴摩托車上，通過改造缸頭和點(diǎn)火系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了雙火花塞點(diǎn)火，并研究了摩托車在ECER40排放循環(huán)下的發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放特征。研究結(jié)果表明，雙火花塞點(diǎn)火系統(tǒng)配合點(diǎn)火提前角優(yōu)化，可明顯降低摩托車啟動(dòng)初期的HC/CO排放，但NOx排放略有上升。

摩托車排放雙火花塞點(diǎn)火角度

引言

雙火花塞點(diǎn)火技術(shù)出現(xiàn)已經(jīng)有多年的歷史，主要應(yīng)用于車用發(fā)動(dòng)機(jī)，如本田飛度i-DSI發(fā)動(dòng)機(jī)等。2003年初，德國(guó)寶馬公司在新型雙缸摩托車上應(yīng)用了雙火花塞點(diǎn)火新技術(shù)。這種雙火花塞點(diǎn)火技術(shù)可以進(jìn)一步改善尾氣排放，增強(qiáng)車的穩(wěn)定性，并且在發(fā)動(dòng)機(jī)的大范圍運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，使燃燒趨于一致，也稱為“雙火花塞點(diǎn)火急速燃燒法”［1］。

1　雙火花塞點(diǎn)火系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和優(yōu)點(diǎn)

雙火花塞點(diǎn)火系統(tǒng)是在半球形燃燒室兩側(cè)對(duì)稱布置兩個(gè)同型號(hào)火花塞，這兩個(gè)火花塞與燃燒室中心的距離相等，如圖1所示。

使用雙火花塞點(diǎn)火系統(tǒng)后，有以下突出優(yōu)點(diǎn)：

1）采用雙火花塞點(diǎn)火后，兩個(gè)火花塞同時(shí)點(diǎn)火使混合氣爆炸燃燒，急速形成較強(qiáng)烈的渦流，大幅度加快了火焰的傳播速度，同時(shí)火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x縮短1/2，燃燒所用的時(shí)間也相應(yīng)縮短，提高了熱效率。

2）由于燃燒時(shí)間縮短，點(diǎn)火提前角可以顯著推遲。因此，點(diǎn)火時(shí)燃燒室混合氣的溫度和壓力都較高，有利于著火和速燃。

3）兩個(gè)火花塞同時(shí)點(diǎn)火，可使著火概率提高一倍，降低失火率，還可以進(jìn)一步調(diào)稀空燃比，實(shí)現(xiàn)稀燃。

4）實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒。

上述的優(yōu)點(diǎn)會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗和排放大幅度地降低［1］。

圖1　雙火花塞點(diǎn)火系統(tǒng)示意圖

2　試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方案

2.1試驗(yàn)樣車改造

試驗(yàn)樣車選用國(guó)產(chǎn)125 mL電噴摩托車，車型主要參數(shù)如表1所示。

表1　試驗(yàn)樣車主要參數(shù)

樣車發(fā)動(dòng)機(jī)采用較為先進(jìn)的頂置凸輪軸（OHC）配氣方式，氣門布置沿發(fā)動(dòng)機(jī)中線布局。為實(shí)現(xiàn)雙火花塞點(diǎn)火，原火花塞位置的對(duì)面鉆一斜孔布置另一只火花塞，形成對(duì)置的雙火花塞點(diǎn)火機(jī)構(gòu)。樣車的點(diǎn)火系統(tǒng)改造為“單點(diǎn)觸發(fā)信號(hào)+雙點(diǎn)火模塊”的系統(tǒng)點(diǎn)火模式：即在原有單點(diǎn)火系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了一套高壓點(diǎn)火模塊，由電瓶供電，點(diǎn)火信號(hào)與原機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)并聯(lián)后取得。點(diǎn)火提前角采用調(diào)整觸發(fā)信號(hào)的方式進(jìn)行控制，調(diào)整觸發(fā)信號(hào)的方案是在磁電機(jī)系統(tǒng)上改變觸發(fā)信號(hào)位置，磁電機(jī)系統(tǒng)的改造方案如圖2所示。

圖2　　試驗(yàn)樣車磁電機(jī)改造方案

2.2試驗(yàn)設(shè)備

樣車在底盤測(cè)功機(jī)上運(yùn)行，使用定容取樣尾氣排放分析（CVS）排放設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)設(shè)備主要參數(shù)如表2所示。

表2　試驗(yàn)設(shè)備主要參數(shù)

2.3試驗(yàn)方案

通過對(duì)原機(jī)進(jìn)行ECER40排放循環(huán)的動(dòng)態(tài)排放測(cè)試數(shù)據(jù)分析，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后至150 s區(qū)間是HC/ CO的高發(fā)區(qū)段，此時(shí)由于燃燒不穩(wěn)定原因造成的HC/CO排放偏高，如圖3所示。根據(jù)原機(jī)排放的特征，在該區(qū)段采用雙火花塞點(diǎn)火技術(shù)方案，并適度推遲點(diǎn)火角度，抑制NOx的極速上升，降低原機(jī)排放。

圖3　試驗(yàn)樣車原機(jī)動(dòng)態(tài)排放數(shù)據(jù)

3　試驗(yàn)結(jié)果與分析

在排放測(cè)試循環(huán)的初期150 s實(shí)現(xiàn)雙火花塞點(diǎn)火并適度推遲點(diǎn)火角度，明顯降低了試驗(yàn)樣車的HC/CO排放，NOx排放略有升高，如圖4所示。

圖4　雙火花塞點(diǎn)火方案排放對(duì)比

由圖4a）可見，雙火花塞點(diǎn)火使發(fā)動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)后的首次加速過程HC明顯降低，在ECER40排放測(cè)試工況下比較，雙火花塞點(diǎn)火前/后HC/CO下降50/ 22.6%。

發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)過程實(shí)施特殊的瞬態(tài)過程，在冷啟動(dòng)階段，缸內(nèi)避免溫度較低，燃油蒸發(fā)性差，噴射進(jìn)入氣道的燃油很大一部分以油膜的形式附著在壁面上，因此為了使發(fā)動(dòng)機(jī)可靠著火，往往需要加濃混合氣。而在后續(xù)循環(huán)中，附著的燃料逐漸釋放到混合氣中，由此產(chǎn)生的不完全火焰?zhèn)鞑ガF(xiàn)象是造成HC排放的原因之一。同時(shí)，冷啟動(dòng)階段氣道內(nèi)氣體流動(dòng)較慢，缸溫較低，再加上不均勻的混合氣，容易導(dǎo)致失火而排出大量的未燃HC［2］。失火是點(diǎn)火失敗或混合氣不合適等原因造成的缸內(nèi)未燃現(xiàn)象，冷啟動(dòng)階段缸壁溫度較低，水蒸氣易發(fā)生凝結(jié)，潤(rùn)濕火花塞的機(jī)會(huì)較多，失火發(fā)生幾率增加［3］。

啟動(dòng)初期混合氣不均勻，燃燒過程不完全，導(dǎo)致CO的排放升高。

雙火花塞點(diǎn)火系統(tǒng)縮短火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x，提高點(diǎn)火次數(shù)，推遲點(diǎn)火提前角提高了混合氣的壓縮終了溫度和壓力，降低了失火率，促進(jìn)混合氣完全燃燒，降低HC和CO排放。

雙火花塞點(diǎn)火改善了啟動(dòng)初期的燃燒過程，燃

燒更充分、迅速，燃料的熱量利用率高，但由于燃燒室內(nèi)的高溫，形成NOx生成的充分條件，NOx的排放高于原機(jī)。通過推遲點(diǎn)火提前角進(jìn)行抑制后，在ECER40排放測(cè)試工況下比較，雙火花塞點(diǎn)火前/后NOx上升14%。

CO2排放無明顯變化。

4　結(jié)論

雙火花塞點(diǎn)火系統(tǒng)改善了摩托車啟動(dòng)初期燃燒不穩(wěn)定的情況，配合點(diǎn)火提前角的進(jìn)一步優(yōu)化，啟動(dòng)初期的HC/CO排放明顯下降，推遲點(diǎn)火提前角抑制了NOx的明顯升高。

1吳鋒.雙火花塞點(diǎn)火新技術(shù)［J］.摩托車，2006（6）：20-21

2李君，李理光.摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)排放控制技術(shù)［J］.內(nèi)燃機(jī)，2008（2）：47-51，54

3栗工，李理光.汽油機(jī)冷起動(dòng)HC排放的機(jī)理與控制策略［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2006，37（6）：151-154，158

Analysis and Application of Dual-Spark Plug Ignition Technology for Motorcycle

Yan Xicheng，Zhang Junjie，Lin Manqun，Zhu Baohua，Wang Zhidong
Tianjin Internal Combustion Engine Research Institute（Tianjin，300072，China）

Currently，precise adjustment of carburetor or EFI technology are the main in-engine emission control solutions for the motorcycle，via the precise control of air and fuel ratio，emissions of the original machine are reduced.But with the continuous tightening of emission regulations，original emission also needs to be optimized continuously.On the EFI Motorcycle experiment，through transformation of the cylinder head and the ignition system，dual-spark plug ignition is achieved，and exhaust emission characteristics of the motorcycle in ECE R40 drive cycle test of exhaust emission are studied.The results show that，compared with the single ignition system，dual-spark plug ignition system can significantly reduce HC/CO emissions，but the NOxemissions increase slightly.

Motorcycle，Emission，Dual-spark plug，Ignition angle

·設(shè)計(jì)·計(jì)算·

TK427

A

2095-8234（2015）06-0068-04

閻希成（1976－），男，工程師，主要研究方向?yàn)槟ν熊嚺c通機(jī)排放測(cè)試。

（2015-05-13）