多點噴射(電噴)這個詞本身就有點問題,因為學術和業内會說的更加嚴謹一點。
上古:指的是單噴油器進化到多噴油器
近代:歧管噴射的多次噴射
現代:缸内直噴的多次噴射或者是雙噴射
這個多點,點可以指的是多處地方(多個噴油器),也可以指的是時刻(每個循環多次噴射)。
現代多次噴射優勢是什麼?
最核心在于提高可靠性、減少低速早燃、改善油耗、改善燃燒穩定性,我介紹幾個案例。
雙噴射系統的多次噴射
雙噴射系統
雙噴射系統的硬件設計不難,難點在于控制策略與控制方案的制定,下圖是我化的一個示意圖。
圖 雙噴射控制策略
PS:實際這個策略map為3層,低溫、半暖機、完全暖機,這裡省略半暖機。
(1)正常溫度(上圖左)
①綠色為正常工作下的怠速工況,在此負荷下采用PFI噴射,因為怠速工況發動機負荷小轉速低、PFI有充足的時間進行噴油和霧化,燃燒的更為充分,能夠大幅度的降低顆粒物排放,且發動機高壓油泵不需要工作,發動機熱效率可以提高。
②黃色為中低負荷中低轉速工況,采用混合噴射。一方面采用PFI燃燒更加有利,但是随着負荷轉速增加,PFI噴射時間延長,後半段噴射的燃油霧化性下降,因此采用混合噴射,并根據實際情況改變噴射比例。PFI:DI=3:7~7:3。
③灰色為中高負荷中低轉速工況,采用多次直噴,在合适的曲軸角度下噴2次。讓燃料不會在活塞頂面附着,也不會噴射至汽缸壁引起顆粒物排放超标。2次噴射的比例約為5:5。
④紅色為高負荷中低轉速工況,采用多次直噴,在合适的曲軸角度下噴3次,這裡在(3)的基礎上考慮到負荷較大,容易爆震,因此在壓縮行程上止點前再噴1次,給燃燒室降溫,從而讓點火角維持在MBT。一般3次噴射的比例為5:3:2,或者5:4:1。
⑤此工況為特殊工況,主要考慮到保護直噴噴油器,由于此工況轉速較高,直噴噴油器溫度會上升,因此采用直噴1次的方式,通過燃油給噴油器适當降溫。
⑥次為高轉速中高負荷,采用DI1次,當轉速高于3500rpm後,還采用多次噴射的話,高壓泵的升壓速度趕不上轉速變化,會導緻噴油的精度下降,所以不采用多次噴射。
(2)低溫(上圖右)
①低轉速低負荷采用DI1次噴射,因為低溫下PFI霧化性不佳,一旦油品偏重質的話容易造成燃燒不穩定。用DI可以避免油品輕重質的影響。由于此工況負荷低,總噴油量較少,采用2次噴射的話,第二次噴油容易受到噴油器物理最小噴油量的限制,因此采用1次噴射。
②中負荷中低轉速工況下采用DI2次噴射,和正常溫下一樣,讓燃料不會在活塞頂面附着引起顆粒物排放超标,也不會噴射至汽缸壁引起機油增多問題。
③同正常溫一樣。
④同正常溫一樣。
(3)典型噴油時刻(下圖)
上圖主要是不同的噴射策略,下圖就是具體的噴射時刻,這裡拿來出的都是典型工況下的噴射時刻。在整車标定中,會根據不同的環境、溫度、氣壓、發動機狀态進行不同的設計,比如冷啟動的局部升程噴射分層燃燒,比如啟停系統工作的再啟動,比如極低溫的PFI DI,比如暖機模式的PFI DI,比如PFI吸氣同期噴射,比如噴油器誤差學習的強制噴射等等,展開内容過于複雜,在此略過。
圖 典型的噴射時刻圖
(1)DI1次噴射的時刻大約從BTDC300CA左右開始(不是精确值),根據不同轉速負荷,結束時間在BTDC260CA~BTDC200CA,這裡通過驗證,最好燃油噴射時刻處于氣缸湍流強度最高的時刻,并且考慮活塞位置,避免燃油噴射在活塞頂面或者氣缸壁面。
(2)DI2次噴射考慮的内容一是2次噴射的比例多少合适,5:5還是2:8還是3:7,二是第2次噴射要盡可能利用湍流來抑制噴霧長度,還要保證有足夠的燃油霧化時間,一般設計在BTDC160開始。
(3)DI3次噴射在DI2次噴射基礎上,由于發動機負荷大,燃燒室溫度高,為了追求MBT點火角,在活塞上行增加1次噴射,降低燃燒室的溫度,抑制爆震,讓壓縮比能夠維持在13:1。
(4)PFI噴射為了保證充分霧化,在吸氣之前的做工工程就已經開始噴油,由于油壓較低,噴油時間較長,和DI邏輯不一樣的是,DI往往限定噴射開始時間,PFI而是限定噴射結束時間,在此時間之後還有燃油噴射的話霧化性無法保證。
(5)混合噴射下,PFI在做工沖程噴射,DI在延遲的吸氣沖程噴射,通過不同的比例,實現最佳的燃油經濟性與排放性能。
PS:從硬件結構來說,雙噴射隻是單純的增加一套,但是對發動機控制系統的複雜性來說,成幾何倍數的增加。
缸内直噴系統的多次噴射直噴噴油器的反應速度非常快,可以實現多次噴射,而且可以在壓縮沖程實現噴射,這比氣道噴射有很大的優勢。直噴系統的燃油噴射正時可以比較自由控制,實現進氣和壓縮沖程中的多次噴射,目前最多可以達到5次噴射,有利于改善燃燒,降低排放。
比如下圖采用多點噴射策略(Multiple injection),示意圖如下圖所示,在各個進氣和壓縮行程進行3次噴油,進氣行程内2次、壓縮行程内1次。對噴油正時進行了調整,避免了燃油與進氣門和氣缸内壁接觸和附壁。這項措施有效地消除了早燃,将其發生的頻率降低到對活塞和活塞環無損壞的程度。
圖 多點噴射示意圖
圖 壁面LSPI的噴射策略
注1:實際多次噴射策略很複雜,需要考慮很多因素,包括但不局限于物理硬件的局限,噴油嘴最少噴射量的多少,燃油壓力是多少,噴射開始時間和終了時間,每回噴射的比例多少比較合适,對性能的影響,對燃燒穩定性的影響,對PM、PN的影響等等。在不同工況、不同要求下噴射策略都不一樣,配合着可變燃壓系統,實際策略相當複雜,甚至誕生很多新的策略,比如噴油嘴局部升程控制等。由于選擇性太多,我們在标定和設計策略時也曾為最優解愁。
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