MÔ HÌNH HÓA KHẢO SÁT MỘT SỐ THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN THỜI GIAN PHUN NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG TRỰC TIẾP 1AZ-FSE
Abstract
This study investigates the effects of several operating parameters on the fuel injection duration of the 1AZ-FSE gasoline direct injection (GDI) engine. The selected input factors include intake air temperature, engine coolant temperature, and intake air flow rate. A Box–Behnken experimental design with three factors at three levels was employed to construct a design matrix consisting of 15 experimental runs. The signals from the three sensors were simulated using dedicated signal generation equipment and supplied to the engine electronic control unit (ECU), while the corresponding fuel injection duration was measured directly using an Autel MaxiSys diagnostic tool. The experimental data were analyzed using Minitab software. The results demonstrated that the developed linear regression model adequately described the relationship between the operating parameters and fuel injection duration, with coefficients of determination of R² = 90.73%, adjusted R² = 88.21%, and predicted R² = 80.18%. Analysis of variance (ANOVA) revealed that intake air flow rate was the most influential factor, accounting for 80.71% of the total variation (F = 95.80, P < 0.001), followed by engine coolant temperature with 7.42% (F = 8.80, P = 0.013). In contrast, intake air temperature did not exhibit a statistically significant effect within the investigated range (P = 0.106). The findings provide a scientific basis for optimizing fuel injection control strategies, thereby contributing to improved fuel economy and reduced exhaust emissions in GDI engines.
Tóm tắt
Bài báo này khảo sát một số thông số ảnh hưởng đến thời gian phun nhiên liệu của động cơ phun xăng trực tiếp 1AZ-FSE. Các yếu tố đầu vào được lựa chọn bao gồm nhiệt độ không khí nạp, nhiệt độ nước làm mát động cơ và lưu lượng không khí nạp. Bằng cách sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm Box-Behnken với 3 yếu tố và 3 mức khảo sát sử dụng xây dựng ma trận gồm 15 thực nghiệm. Tín hiệu của 3 cảm biến được giả lập bằng thiết bị đưa vào ECU động cơ và được đo trực tiếp bằng thiết bị chẩn đoán Autel MaxiSys. Dữ liệu thực nghiệm được xử lý bằng phần mềm Minitab, kết quả cho thấy mô hình tuyến tính với R² = 90,73%, R²(adj) = 88,21% và R²(pred) = 80,18% mô tả tốt quan hệ giữa các thông số vận hành và thời gian phun. Phân tích ANOVA xác định lưu lượng không khí nạp là yếu tố ảnh hưởng lớn nhất với 80,71% tổng biến thiên (F = 95,80; P = 0,000), tiếp theo là nhiệt độ nước làm mát với 7,42% (F = 8,80; P = 0,013), trong khi nhiệt độ không khí nạp không đạt ngưỡng ý nghĩa thống kê trong vùng khảo sát (P = 0,106). Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc tối ưu điều khiển phun nhiên liệu, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu và giảm phát thải của động cơ GDI.
Tài liệu tham khảo
[1] Richard Stone, Introduction to internal combustion engines. Springer, 1999.
[2] Hari N Gupta, Fundamentals of internal combustion engines. PHI Learning Pvt. Ltd., 2013.
[3] Konrad Reif, Gasoline engine management. Springer, 2015.
[4] Guohui Zhu, Jingping Liu, Jianqin Fu, Zhengxin Xu, Qiyi Guo, and HE Zhao, "Experimental study on combustion and emission characteristics of turbocharged gasoline direct injection (GDI) engine under cold start new European driving cycle (NEDC)," Fuel, vol. 215, pp. 272-284, 2018.
[5] He Changming and Xu Sichuan, "The investigation and application of variable tumble intake system on a GDI engine," SAE International Journal of Engines, vol. 7, no. 2014-01-2885, pp. 2022-2034, 2014.
[6] Willard W Pulkrabek, "Engineering fundamentals of the internal combustion engine," ed, 2004.
[7] Nguyễn Tất Tiến, "Nguyên lý động cơ đốt trong." Hà Nội: Nhà xuất bản Giáo dục Việt Nam, 2018.
[8] Shinji Sadakane, Masanori Sugiyama, Hirohisa Kishi, Shizuo Abe, Jun Harada, and Yukihiro Sonoda, "Development of a new V-6 high performance stoichiometric gasoline direct injection engine," SAE Technical Paper, 0148-7191, 2005.
[9] D Di Battista, M Di Bartolomeo, and R Cipollone, "Flow and thermal management of engine intake air for fuel and emissions saving," Energy Conversion and Management, vol. 173, pp. 46-55, 2018.
[10] Nguyễn Oanh, Hệ thống điều khiển điện tử trên ô tô hiện đại. Hà Nội: Nhà xuất bản Giao thông Vận tải, 2019.
[11] Toyota Motor Corporation, "Toyota D-4 Direct Injection System Technical Manual," 2003.
[12] Yongqi Wang, Jie Tian, Yong Xiong, Lu Wang, Shaobo Ji, and Yong Cheng, "Optimization study on fuel injection characteristics of gasoline direct injection (GDI) engine fuel system," Fuel, vol. 381, p. 133468, 2025.
[13] J Ramachander, SK Gugulothu, GRK Sastry, Jibitesh Kumar Panda, and M Siva Surya, "Performance and emission predictions of a CRDI engine powered with diesel fuel: A combined study of injection parameters variation and Box-Behnken response surface methodology based optimization," Fuel, vol. 290, p. 120069, 2021.
[14] AS Onawumi, OSI Fayomi, STA Okolie, TA Adio, NE Udoye, and AU Samuel, "Determination of a spark ignition engine’s performance parameters using response surface methodology," Energy Procedia, vol. 157, pp. 1412-1422, 2019.
[15] Franc Mihalič, Mitja Truntič, and Alenka Hren, "Hardware-in-the-loop simulations: A historical overview of engineering challenges," Electronics, vol. 11, no. 15, p. 2462, 2022.
[16] Douglas C Montgomery, Design and analysis of experiments. John wiley & sons, 2017.
[17] George EP Box and Donald W Behnken, "Some new three level designs for the study of quantitative variables," Technometrics, vol. 2, no. 4, pp. 455-475, 1960.
[18] Raymond H Myers, Douglas C Montgomery, and Christine M Anderson-Cook, Response surface methodology: process and product optimization using designed experiments. John Wiley & Sons, 2016.
[19] Nguyễn Hữu Lộc, Quy hoạch và phân tích thực nghiệm. Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, 2021.