摩托车双火花塞点火技术分析与应用

阎希成张俊杰林漫群朱保华王之东（天津内燃机研究所天津300072）



摩托车双火花塞点火技术分析与应用

阎希成张俊杰林漫群朱保华王之东
（天津内燃机研究所天津300072）

目前，国产摩托车发动机的机内净化方案主要是精调化油器或采用电控喷射技术，通过精确控制空燃比降低原机排放，但随着排放法规的不断加严，原机排放还需要继续优化，降低冷启动阶段的排放是进一步降低摩托车发动机原机排放的重要环节。在一台国产电喷摩托车上，通过改造缸头和点火系统，实现了双火花塞点火，并研究了摩托车在ECER40排放循环下的发动机尾气排放特征。研究结果表明，双火花塞点火系统配合点火提前角优化，可明显降低摩托车启动初期的HC/CO排放，但NOx排放略有上升。

摩托车排放双火花塞点火角度

引言

双火花塞点火技术出现已经有多年的历史，主要应用于车用发动机，如本田飞度i-DSI发动机等。2003年初，德国宝马公司在新型双缸摩托车上应用了双火花塞点火新技术。这种双火花塞点火技术可以进一步改善尾气排放，增强车的稳定性，并且在发动机的大范围运转过程中，使燃烧趋于一致，也称为“双火花塞点火急速燃烧法”［1］。

1　双火花塞点火系统结构和优点

双火花塞点火系统是在半球形燃烧室两侧对称布置两个同型号火花塞，这两个火花塞与燃烧室中心的距离相等，如图1所示。

使用双火花塞点火系统后，有以下突出优点：

1）采用双火花塞点火后，两个火花塞同时点火使混合气爆炸燃烧，急速形成较强烈的涡流，大幅度加快了火焰的传播速度，同时火焰传播距离缩短1/2，燃烧所用的时间也相应缩短，提高了热效率。

2）由于燃烧时间缩短，点火提前角可以显著推迟。因此，点火时燃烧室混合气的温度和压力都较高，有利于着火和速燃。

3）两个火花塞同时点火，可使着火概率提高一倍，降低失火率，还可以进一步调稀空燃比，实现稀燃。

4）实现稳定燃烧。

上述的优点会使发动机的油耗和排放大幅度地降低［1］。

图1　双火花塞点火系统示意图

2　试验装置与试验方案

2.1试验样车改造

试验样车选用国产125 mL电喷摩托车，车型主要参数如表1所示。

表1　试验样车主要参数

样车发动机采用较为先进的顶置凸轮轴（OHC）配气方式，气门布置沿发动机中线布局。为实现双火花塞点火，原火花塞位置的对面钻一斜孔布置另一只火花塞，形成对置的双火花塞点火机构。样车的点火系统改造为“单点触发信号+双点火模块”的系统点火模式：即在原有单点火系统的基础上，增加了一套高压点火模块，由电瓶供电，点火信号与原机点火系统并联后取得。点火提前角采用调整触发信号的方式进行控制，调整触发信号的方案是在磁电机系统上改变触发信号位置，磁电机系统的改造方案如图2所示。

图2　　试验样车磁电机改造方案

2.2试验设备

样车在底盘测功机上运行，使用定容取样尾气排放分析（CVS）排放设备进行测试，试验设备主要参数如表2所示。

表2　试验设备主要参数

2.3试验方案

通过对原机进行ECER40排放循环的动态排放测试数据分析，发动机启动后至150 s区间是HC/ CO的高发区段，此时由于燃烧不稳定原因造成的HC/CO排放偏高，如图3所示。根据原机排放的特征，在该区段采用双火花塞点火技术方案，并适度推迟点火角度，抑制NOx的极速上升，降低原机排放。

图3　试验样车原机动态排放数据

3　试验结果与分析

在排放测试循环的初期150 s实现双火花塞点火并适度推迟点火角度，明显降低了试验样车的HC/CO排放，NOx排放略有升高，如图4所示。

图4　双火花塞点火方案排放对比

由图4a）可见，双火花塞点火使发动机在启动后的首次加速过程HC明显降低，在ECER40排放测试工况下比较，双火花塞点火前/后HC/CO下降50/ 22.6%。

发动机冷启动过程实施特殊的瞬态过程，在冷启动阶段，缸内避免温度较低，燃油蒸发性差，喷射进入气道的燃油很大一部分以油膜的形式附着在壁面上，因此为了使发动机可靠着火，往往需要加浓混合气。而在后续循环中，附着的燃料逐渐释放到混合气中，由此产生的不完全火焰传播现象是造成HC排放的原因之一。同时，冷启动阶段气道内气体流动较慢，缸温较低，再加上不均匀的混合气，容易导致失火而排出大量的未燃HC［2］。失火是点火失败或混合气不合适等原因造成的缸内未燃现象，冷启动阶段缸壁温度较低，水蒸气易发生凝结，润湿火花塞的机会较多，失火发生几率增加［3］。

启动初期混合气不均匀，燃烧过程不完全，导致CO的排放升高。

双火花塞点火系统缩短火焰传播距离，提高点火次数，推迟点火提前角提高了混合气的压缩终了温度和压力，降低了失火率，促进混合气完全燃烧，降低HC和CO排放。

双火花塞点火改善了启动初期的燃烧过程，燃

烧更充分、迅速，燃料的热量利用率高，但由于燃烧室内的高温，形成NOx生成的充分条件，NOx的排放高于原机。通过推迟点火提前角进行抑制后，在ECER40排放测试工况下比较，双火花塞点火前/后NOx上升14%。

CO2排放无明显变化。

4　结论

双火花塞点火系统改善了摩托车启动初期燃烧不稳定的情况，配合点火提前角的进一步优化，启动初期的HC/CO排放明显下降，推迟点火提前角抑制了NOx的明显升高。

1吴锋.双火花塞点火新技术［J］.摩托车，2006（6）：20-21

2李君，李理光.摩托车发动机冷启动排放控制技术［J］.内燃机，2008（2）：47-51，54

3栗工，李理光.汽油机冷起动HC排放的机理与控制策略［J］.农业机械学报，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

·设计·计算·

TK427

A

2095-8234（2015）06-0068-04

阎希成（1976－），男，工程师，主要研究方向为摩托车与通机排放测试。

（2015-05-13）