FAI电喷系统的技术原理

 随着排放法规日益严格，作为满足欧Ⅱ和欧Ⅲ排放法规的主要技术手段之一，摩托车电喷化将是今后一段时间摩托车行业发展的必然趋势，也是我国摩托车企业参与国际、国内市场竞争必须掌握的一项核心技术，采用电喷技术的关键是降低电喷系统的成本。以直线电磁泵为基础的FAI技术，能够以高度集成的喷油系统实现高压高精度的燃油喷射控制，在满足排放法规要求的同时，还使最常用工况更为省油，冷起动和加速性能大幅改善，同时保持了较低的成本，可以被市场接受。本文简单介绍FAI电喷系统的技术原理。

    1、FAI电喷系统构成

    电喷系统是通过不同的传感器感知各种工况和环境的变化以及骑乘者的意图，以数字化的精确方式向发动机提供最佳的燃油量和点火提前角。应用于中小排量发动机的不少尝试，长期以来一直存在技术和成本方面的难题。成本方面因为旋转式油泵、调压器、喷油器、以及供电要求等很难解决，技术方面因为进气管压力波动等而喷油精度不高。由FAI喷射单元、ECU、节气门体、点火器、点火线圈、火花塞和各种传感器组成的FAI电喷系统（见图1），成功克服了上述困难。

    2、FAI电子控制单元

    电子控制单元也叫ECU，是电喷系统的控制大脑，FAI电子控制单元主要由输入回路、A/D转换器、单片计算机CPU和输出回路4部分组成，见图2。从传感器来的信号，首先进入输入回路。在输入回路里，对输入信号进行预处理，一般是去除杂波、整形，再转换成输入电平，对模拟输入信号经过相应的A/D转换器，转换成数字信号后才能输入单片机，而数字信号可直接输入单片机。CPU进行分析计算后将执行指令通过输出回路传递到执行器，执行器包括点火器、FAI喷射单元和FAI指示灯等。CPU如何分析计算是ECU控制软件的核心任务，软件的控制策略集成了FAI电喷系统的所有研发成果。

    3、传感器

    传感器的功用是采集控制系统所需的信号，并将其转换成电信号通过线路输送给ECU。开环FAI电喷系统采用的传感器有进气温度传感器、缸头温度传感器、转速传感器、节气门位置传感器，而闭环FAI电喷系统再加一个氧传感器。其中：节气门位置传感器用于检测节气门开度大小；转速传感器采用原发动机的点火脉冲发生器，检测发动机的瞬时转速和曲轴相位；缸头温度传感器用于检测发动机缸头温度状态，判断发动机的热状态；进气温度传感器用于采集进气温度信号，修正大气密度的变化；氧传感器实时检测发动机排气中氧气的含量，以动态反馈修正喷油量，使混合气浓度始终处于理论当量比，保证发动机燃烧性能；自学习功能可以保证发动机即使在不能闭环控制（例如起动后的几分钟内，氧传感器温度不够）时，混合气浓度也处于最佳稳定状态，同时不受发动机运行时间、磨损等慢变过程的影响。

    4、FAI燃油喷射单元

    燃油喷射单元采用浙江飞亚公司拥有自主知识产权的FAI（FuelAtomizedInjection/FreeArmatureInjection)电磁燃料喷射装置，其喷射能量源于电磁驱动的直线脉冲泵，脉冲电信号（PWM电压波）加给线圈产生的电磁能量，通过电枢和柱塞等脉冲式压缩燃油，产生（1～5）Mpa的瞬态压力，经过喷油雾化喷嘴将燃料雾化喷出。因为FAI喷射单元将汽车电喷系统的“油泵—调压器—喷油嘴”功能高度集成，而驱动PWM波类似，通过调节驱动脉宽，可以调节输入系统的能量，从而准确控制喷油量。正是这个特点，使FAI电喷系统非常简单可靠，尤其适合于摩托车等单缸发动机，可以做到与化油器互换安装。远高于汽车电喷系统（多点喷射）的喷射压力使燃油雾化非常好，也将进气管压力波动对喷油量的影响降为最低。图3为FAI燃油喷射单元原理。

    FAI喷射单元只在需要喷油时才消耗电力，与发动机的输出功率成正比，因此与磁电机的发电特性相适应，即在怠速工况耗电功率非常小，而全速全负荷耗电功率最大。以125mL排量的发动机为例，怠速工况耗电功率小于4W，而全速全负荷时耗电量小于35W。这个特点使FAI电喷系统对摩托车的供电系统电量平衡几乎没有影响，设计时基本不用特别考虑。喷油嘴部分采用外开式喷嘴，抗胶结和堵塞能力远高于传统孔式喷嘴，对油品和水都不敏感；故障少，寿命长。燃油通道中产生的燃油蒸气会严重干扰正常供油，因此FAI喷射单元设计了主动抑制燃油蒸气产生并能够产生排除蒸气动力的结构克服这个不利因素。足够流量的回油系统可以带走线圈工作和从动装置运动产生的热量，冷却燃料喷射装置可以减少蒸气和气泡的产生。回油带走的热量和燃油蒸气，在外设的油气分离器中分离，蒸气通过上部的排气泡管排出到燃油箱并放热凝结为液态燃油。这个排气泡系统保证了FAI喷射单元在高温大负荷工况的工作稳定，也保证了摩托车的热车再起动性能。

    5、空燃比控制策略

    燃油喷射单元安装在进气管上，采用进气道喷射方式，燃油直接喷射到进气阀杆上，ECU中储存有全工况的基本供油MAP（图4为实例），理论上，热车稳态工况下发动机要求供油系统的每个供油点都要落在这个曲面上。基本喷油脉宽采用速度—开度法确定，即由发动机转速和节气门开度来确定，起动期间、暖机过程、大气温度、缸盖温度、节气门变动速度、氧传感器信号等对基本喷油脉宽进行修正。为提高小油门开度的精度，节气门位置传感器在小开度时分辨率较高。ECU确定一个喷油量，然后计算出PWM波的宽度，再驱动燃油单元喷射燃油。供油控制的目标是让每1个工作循环的空燃比都达到所要求的值，例如稳态常用工况的目标空燃比较理论空燃比稍大一点，以得到最低的燃油消耗率和CO排放，而节气门全开工况则要求空燃比达到最大转矩空燃比（比理论空燃比浓10％～15％），以保证发动机的动力性能（超越加速能力）。另外在油门突然加大时，采用数字加速油泵技术，保证发动机对油门的快速响应，因为采用了基于物理模型的数字控制技术，数字加速油泵的加速增油量在保证加速响应敏捷的同时，也不会过多供油，可以同时实现低油耗和强动力。

    发动机减速行驶过程中，ECU可判断当前工况，控制喷油单元断油，从而更进一步实现节油。另外ECU程序中还包含了磨合程序以及发动机运行时间修正，保证了发动机的长期稳定性。对于反馈控制的闭环系统，稳态工况都将空燃比控制在接近于理论空燃比，配合催化转换器的使用可以使排放进一步降低，很容易达到欧Ⅲ排放法规的要求。闭环系统不仅为催化剂转换器的高效长寿命工作提供了保障，而且可以更为准确、实时让ECU自学习发动机及电喷系统的变化，保证发动机长期稳定工作，另外也使车辆的一致性得到可靠保障。

    6、点火控制策略

    FAI点火系统由蓄电池、ECU、磁电机、无进角直流点火器、点火线圈、火花塞等组成。

    FAI电喷系统采用的是ECU-CDI点火系统，采用无进角直流点火器，点火器无点火提前角调节功能，点火提前角由ECU根据发动机转速和节气门开度确定。ECU中储存有点火MAP，图5为一个实例，可见ECU-CDI是彻底的数字CDI，它控制的点火提前角不仅随发动机转速而变，而且随油门大小而变。因此可以同时实现节油和低排放，即在排放测量的主要工况点以NOx排放为目标设计点火提前角，而其他工况以最低油耗为目标设计点火提前角。

    另外，在起动期间，为保护发动机，短时间内通过控制点火提前角控制发动机转速，防止机油还没有正常循环时发动机转速过高而加快磨损。再有，怠速时为减小冷热车的怠速转速差异过大，可以提高点火提前角反馈控制怠速转速。

    7、FAI电喷系统使摩托车达欧Ⅲ排放实例

    FAI电喷系统用于一款达欧Ⅲ排放的150mL排量踏板摩托车时，匹配催化转换器试验的部分试验数据见下表1。

    可见，这3套方案都能够满足欧Ⅲ排放要求，HC和CO排放水平都远低于欧Ⅲ限值的70％，NOx排放水平接近于欧Ⅲ限值的70％，适当调整催化剂配方可以保证3种排放物都低于欧Ⅲ限值的70％。欧Ⅲ排放可行性方案的提出和产品化推广将为摩托车企业抢占国内外市场提供最有力的技术支持。