GDI là từ viết tắt của cụm từ Gasonline direct injection chỉ các loại động cơ phun xăng trực tiếp. Trong loại động cơ này, xăng được phun thẳng vào buồng cháy của các xi-lanh, khác hẳn nguyên lý phun xăng vào đường nạp của các động cơ phun xăng điện tử thông dụng. Động cơ GDI không dùng bướm ga để điều chỉnh lượng khí nạp như động cơ xăng dùng chế hoà khí nên đường nạp thông thoáng như đường nạp của động cơ Diezel. Động cơ GDI thay đổi lượng
Trang 1Nguyễn Thanh Trọng
LỚP C14A.ÔTÔ3
GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ GDI
I MỤC ĐÍCH:
Tìm hiểu về lịch sử hình thành và phát triền những thành tựu từ lúc động cơ ra đời dến nay, biết được cấu tạo nguyên lý hoạt động , công suất và hiệu quả những hệ thống hoạt động trên động cơ
II NỘI DUNG :
1) Động cơ GDI
GDI là từ viết tắt của cụm từ Gasonline direct injection chỉ các loại động cơ phun xăng trực tiếp Trong loại động cơ này, xăng được phun thẳng vào buồng cháy của các xilanh, khác hẳn nguyên lý phun xăng vào đường nạp của các động cơ phun xăng điện
tử thông dụng
Trang 2Hình 1: động cơ phun xăng trực tiếp GDI
2) Lịch sử ra đời của động cơ phun xăng trực tiếp:
Vào năm 1955, Mercedes – Benz đầu tiên ứng dụng phun xăng trực tiếp vào buồng cháy của động cơ 6 cylinder (Mercedes – Benz 300SL) với thiết bị bơm tạo áp suất phun của Bosch Tuy nhiên, việc ứng dụng này bị quên lãng do vào thời điểm đó các thiết bị điện tử chưa được phát triển và ứng dụng nhiều cho động cơ ôtô, nên việc điều khiển phun nhiên liệu của động cơ thuần tuý bằng cơ khí, và việc tạo hỗn hợp phân lớp cho động cơ chưa được nghiên cứu như ngày nay Vì vậy, so với quá trình tạo hỗn hợp ngoài động cơ thì quá trình tạo hỗn hợp trong buồng đốt cũng không khả quan hơn nhưng kết cấu và giá thành thì cao hơn nhiều
Mãi đến năm 1996, với sự tiếng bộ của khoa kĩ thuật điện tử động cơ xăng ứng dụng phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng đốt được Mitsubishi Moto đã dưa vào hị trường nhật với tên mới đó là GDI, và tiếp theo đó xuất hiện tại thị trường châu âu năm 1998, Mitsubishi đã áp dụng kĩ thuật này vào trong sản xuất hơn 400.000 động
cơ cho dòng xe 4 chỗ đến trước năm 1999
Tiếp theo sau là hàng loại các hang nổi tiếng như PSA( với sự cho phép của Mitsubishi) cũng đã áp dụng kĩ thuật này vào cho động cơ của mình vào khoảng năm 2000-2001.Wolkswagen /Audi cũng đã cho ra mắt động cơ GDI vào năm 2001 nhưng
Trang 3dưới tên gọi là FSI (Fuel Stratified Injention ) BMW cũng không chịu thua kém đã cho ra đời động cơ GDI V12
Các nhà sản xuất xe hàng đầu như Genegal Motors cũng đã áp dụng kĩ thuật GDI cho động cơ của mình để ra đời những dòng xe mới vào những năm 2002 Và sau đó Toyota cũng phải từ bỏ việc tạo hỗn hợp ngoài động cơ để chuyển sang tại hỗn hợp trong buồng đốt và đã ra mắt thi trường với động cơ 2GR-FSE V6 vào đầu năm 2006
3) Cơ sở khoa học của động cơ phun xăng trực tiếp:
Sự tăng giá đột biến của xăng dầu, và tiêu chuẩn khí thải của động cơ ngày càng khắc khe buộc các nhà khoa học trên thế giới không ngừng nghiên cứu tìm ra những biện pháp tiết kiệm nhiên liệu kèm theo giảm khí thải ở động cơ đốt trong Nhìu giải pháp được đưa ra, một trong những giải pháp được coi là thành công nhất hiện nay là cho ra đời động cơ GDI
So sánh giữa động cơ sử dụng nhiên liệu xăng (tạo hỗn hợp bên ngoài) và động
cơ sử dung nhiên liệu diesel( tạo hỗn hợp bên trong buồng đốt) ta thấy rằng : cùng một công suất thoái ra nhưng mức tiêu hao nhiên liệu của động cơ diesel thấp hơn động cơ xăng Một phần là do đặt tính nhiên liệu khác nhau nhưng cái chinh ở đây là quá trình tạo hỗn hợp và đốt cháy hỗn hợp của hai loại động cơ này rất khác biệt nhau Tuy nhiên chúng ta chưa thể ứng dụng động cơ diesel cho xe du lịch được vì động cơ này
có một số nhược điểm: tiếng ồn ở động cơ này cao so vối động cơ xăng, khả năng tăng tốc của động cơ này thấp hơn động cơ xăng, và đặt biệt khí thải của động cơ này ô nhiễm hơn động cơ xăng
Trang 4Hình 2: phương pháp hình thành hỗn hợp phân lớp Ford proco
Gần 3 thập kỉ nay, người ta nghiên cứu kết hợp những ưu điểm của động cơ xăng
và diesel để cho ra đời một loại động cơ mới để có thể đáp ứng nhu cầu về khí thải, suất tiêu hao nhiên kiệu,khả năng tăng tốc tiếng ồn… như đã nêu trên Khi xem xét quá trình tạo hỗn hợp và đốt cháy hỗn hợp ở động cơ diesel ta nhận thấy ưu điểm như: hỗn hợp được tạo bên trong buồng đốt, cũng nhờ sự tạo hỗn hợp này mà động cơ diesel có thể hoạt đông khi hệ thống dư lượng không khí từ 1.4 -1.8 Do đặt tính hai nhiên liệu khác nhau nên quá trình hình thành tâm cháy uungj khác nhau,, vì vây động
cơ PFI không thể chạy được với tỉ lệ như trên Cần phải có phương pháp tạo hỗn hợp khác phương pháp PFI,đó là vấn đẻ đặt ra
Trang 5Hình 3:Mặt cắt động cơ 3.5L V6 của Lexus sử dụng hệ thống nhiên liệu GDI
Dựa trên cơ sở kiểu buồng cháy MAN-FM(Maschinenfabrik Auguburg-Nunrberg).POROCO đã tìm ra hệ thống điều khiển TCCS các nhà nghiên cứu cho ra đời kiểu buồng cháy twujc tiếp và phân lớp đầu tiên Với kiểu buồng cháy này động
cơ có thể hoạt động được khi tỉ lệ air/fuel vào khoảng 20:1 Đây quả là một bước tiến hảy vột cho động cơ xăng và là tiền đề cho các thế hệ sau của động cơ GDI
Hình 4: vòi phun của hệ thống phun GDI
Nhờ vào sự phát triển của điện tử, tin học cách đây hơn hai thập kỷ thế hệ động
cơ xăng PFI ra đời đã thay thế động cơ xăng sử dụng carburattor, và ưu điểm vượt trội của loại động cơ xăng PFI mà chúng ta đã biết Cũng gần đây, sự xuất hiện của động
Trang 6cơ GDI cũng đã dần dần thay thế động cơ PFI Về ưu nhược điểm của động cơ GDI so với động cơ PFI
Nhờ vào khả năng tạo hỗn hợp bên trong buồng đốt nên ở động cơ GDI có thể kiểm soát được chính xác lượng nhiên liệu đưa vào buồng đốt trong mỗi chu trình hoạt động của động cơ, khắc phục được nhược điểm phun trên ống nạp nhiên liệu bị bám vào thành ống
Cũng nhờ vào việc phun nhiên liệu trực tiếp và kết cấu của buồng đốt nên động
cơ GDI có thể hoạt động với tỷ lệ air/fuel rất loãng đảm bảo cho động cơ cháy sạch, tiết kiệm nhiên liệu tối đa, giảm nồng độ khí thải ô nhiễm (nhờ phát huy được tác dụng
bộ xúc tác dual – catalyst)
Tỷ số nén của động cơ GDI được nâng cao hơn so với động cơ PFI nên công suất của động cơ GDI lớn hơn 10% so với động cơ PFI cùng dung tích cylindre
Kết cấu của hệ thống tăng áp cho động cơ GDI thiết kế được hoàn thiện hơn do động
cơ có thể hoạt động với hỗn hợp cực nghèo
Hình 5 : hệ thống phun xăng trực tiếp GDI,nhiên liệu được phun trực tiếp vào buồng
đốt
Tuy nhiên, do nhiên liệu được phun vào buồng đốt nên đòi áp suất phun phải lớn hơn rất nhiều so với kiểu phun PFI, kết cấu kim phun phải đáp ứng được điều kiện khắc nghiệt của buồng cháy, hệ thống điều khiển phun nhiên liệu phức tạp hơn nhiều
do hỗn hợp tạo ra phức tạp hơn ở động cơ PFI, kết cấu buồng đốt cũng phức tạp hơn
Trang 7do phải bảo đảm được điều kiện hỗn hợp có thể cháy được trong điều kiện cực nghèo…
Hình 2 Kết cấu buồng đốt PFI và GDI
4) Kết cấu chung của động cơ phun xăng trực tiếp:
Tăng công suất, tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu khí xả độc hại vào môi trường
là những vấn đề các hãng xe luôn vươn tới Bởi vậy hệ thống nhiên liệu ngày càng được phát triển
Với động cơ 3.6L V6 trên chiếc Cadillac CTS, khi sử dụng hệ thống phun xăng điện tử EFI công suất cực đại chỉ đạt 263 mã lực, mô-men xoắn cực đại đạt 253 lb/ft Nhưng với hệ thống phun xăng trực tiếp GDI, công suất cực đại tăng lên 304 mã lực
và mô-men xoắn cực đại 274 lb/ft Ngoài ra mức tiêu thụ nhiên liệu cũng giảm xuống khoảng 0,5 lít cho quãng đường 100km
Hình 6: hệ thống YMJET FI
Trong những động cơ hiện đại, chúng ta thường nghe tới hệ thống phun xăng trực tiếp GDI (Gasonline Direct Injection) hoặc hệ thống phun xăng điện tử EFI (Electronic Fuel Injection) Vậy giữa 2 hệ thống nhiên liệu này có gì khác biệt?
Điểm khác biệt cơ bản nhất giữa GDI và EFI là vị trí của vòi phun nhiên liệu Hệ thống GDI sử dụng vòi phun nhiên liệu trực tiếp vào trong buồng cháy với áp suất lớn, còn hệ thống EFI phun nhiên liệu bên ngoài buồng cháy - phun gián tiếp Như vậy hệ thống GDI, hỗn hợp (nhiên liệu, không khí) sẽ hình thành bên trong buồng cháy, còn EFI, hỗn hợp sẽ hình thành bên ngoài rồi mới qua xupap nạp vào bên trong buồng cháy
Trang 85) Hệ thống EFI được chia làm 3 loại chính:
- Hệ thống phun xăng đơn điểm (Single Point Injection - SPI): Hệ thống này chỉ dùng một vòi phun trung tâm duy nhất thay thế cho bộ chế hoà khí Vòi phun nhiên liệu được đặt ngay trước bướm ga và tạo thành khí hỗn hợp trên đường nạp Hệ thống có cấu tạo khá đơn giản, chi phí chế tạo rẻ, thường chỉ xuất hiện ở những xe nhỏ
- Hệ thống phun xăng hai điểm (BiPoint Injection - BPI) được nâng cấp từ hệ phun nhiên liệu đơn điểm Hệ thống này sử dụng thêm một vòi phun đặt sau bướm ga nhằm tăng cường nhiên liệu cho hỗn hợp Thông thường hệ thống BPI ít được sử dụng do không cải thiện nhiều so với SPI
- Hệ thống phun xăng đa điểm (MultiPoint Injection - MPI): Mỗi xi-lanh được trang bị một vòi phun riêng biệt đặt ngay trước xupap Hệ thống vòi phun được lấy tín hiệu từ góc quay trục khuỷu để xác định thời điểm phun chính xác
Hình 7: Hệ thống phun xăng điện tử EFI
Trên thực tế, hệ thống phun xăng điện tử EFI đã xuất hiện từ những năm 1950, nhưng phải đến những năm 1980, hệ thống này mới thực sự phát triển rộng rãi tại
Trang 9Châu Âu Trên những mẫu xe hiện tại vẫn sử dụng hệ thống nhiên liệu EFI, tuy nguyên lý cơ bản không thay đổi nhưng nhờ có công nghệ điện tử điều khiển phát triển
đã giúp cho hệ thống này ngày càng hoàn thiện và đạt hiệu quả cao hơn rất nhiều Còn với hệ thống GDI thì phải tới tận năm 1996, hãng Mitsubishi mới chính thức
sử dụng trên mẫu xe Galant Legnum Đây là một bước đột phá trong lịch sử phát triển
hệ thống nhiên liệu cho động cơ đốt trong Cho dù ý tưởng sử dụng vòi phun nhiên liệu trực tiếp vào trong buồng cháy cho động cơ xăng đã có từ rất lâu nhưng do quá nhiều yếu tố chủ quan - khách quan khiến cho nhiều hãng tên tuổi phải “lùi bước” Với việc lắp một vòi phun nhiên liệu bên trong xilanh (giống động cơ diesel) với áp suất phun cao, nhà sản xuất hoàn toàn có thể đẩy tỉ số nén của động cơ lên cao, giúp hỗn hợp không khí-nhiên liệu “tơi” hơn Quá trình cháy diễn ra “hoàn hảo”, hiệu suất động
cơ cao hơn, công suất lớn hơn, tiết kiệm nhiên liệu hơn và đặc biệt là giảm thiểu khí xả vào môi trường
Về cấu tạo của hệ thống nhiên liệu EFI hay GDI khá phức tạp, nhưng nguyên tắc cơ bản vẫn sử dụng các tín hiệu từ động cơ (qua các cảm biến) rồi xử lý tại bộ xử lý trung tâm ECU để điều chỉnh vòi phun (thời điểm, lưu lương, áp suất) Dưới đây là một số cảm biến quan trọng:
- Cảm biến lượng khí nạp: đo lượng không khí xy lanh hút vào
- Cảm biến ôxy: đo lượng ôxy trong khí thải nhằm xác định nhiên liệu hòa trộn thừa hay thiếu xăng để ECU hiệu chỉnh khi cần thiết
- Cảm biến vị trí xupap: giúp ECU điều chỉnh lượng xăng phun vào phù hợp khi đạp
ga
- Cảm biến nhiệt độ chất chất làm mát: đo nhiệt độ làm việc của động cơ
- Cảm biến hiệu điện thế để ECU bù ga khi mở các thiết bị điện trong xe
- Cảm biến áp suất ống tiết liệu: hằm giúp ECU đo công suất động cơ
- Cảm biến tốc độ động cơ: dùng để tính toán xung độ động cơ
Hệ thống nhiên liệu GDI có nhiều ưu điểm hơn hệ thống EFI, nhưng để có thể trang bị hệ thống GDI, vật liệu sử dụng làm piston và xilanh phải có độ bền cao, do nhiệt sinh ra trong quá trình cháy cao hơn rất nhiều, ngoài ra việc chế tạo vòi phun cũng phức tạp hơn Do vậy chi phí cho hệ thống nhiên liệu GDI cao hơn nhiều so với EFI Có lẽ đây là một lý do quan trọng khiến hệ thống GDI không phổ biến như EFI
Trang 106) Động cơ GDI có những đặc tính nổi bật sau đây:
• Điều khiển được lượng xăng cung cấp rất chính xác, hệ số nạp cao như động cơ diesel và thậm chí hơn hẳn động cơ diesel
• Động cơ có khảnăng làm việc được với hổn hợp cực loãng( Air/Fuel) = (35 ̧-55) (khi
xe đạt được vận tốc trên 120 Km/h)
• Hệ số nạp rất cao, tỉ số nén e cao (e =12) Động cơ GDI vừa có khả năng tải rất cao,
sự vận hành hoàn hảo, vừa có các chỉ tiêu khác hơn hẳn động cơ MPI
7) Những đặc điểm chủ yếu của động cơ “ GDI”:
• Sự tiêu thụ nhiên liệu rất thấp Tiêu thụ nhiên liệu còn ít hơn động cơ diesel
• Công suất động cơ siêu cao, cao hơn nhiều so với các loại động cơ MPI đang sửdụng hiện nay
Hình 8:công nghệ phun xăng trực tiếp
8) Những đặc tính kỹ thuật của động cơ GDI :
• Đường ống nạp thẳng góc với piston, tạo được sự lưu thông của lưu lượng gió tối ưu nhất
• Hình dạng đỉnh piston lồi, lõm như hình vẽ tạo thành buồng cháy tốt nhất, tạo được
sự hòa trộn nhiên liệu + không khí tối ưu nhất (hơn cả loại phun xăng MPI )
• Bơm xăng cao áp cung cấp xăng có áp suất cao đến kim phun và phun trực tiếp vào
xi lanh động cơ
• Kim phun nhiên liệu có áp suất phun cao (50 KG/cm2), chuyển động xoáy lốc
Trang 11kết hợp với không khí tạo thành hổn hợp hòa khí ( xăng + gió) tốt nhất
• Ở chế độ tải nhỏ nhiên liệu được phun ở cuối quá trình nén Ở chế độ đầy tải nhiên liệu được phun ở quá trình nạp
• Tiêu hao nhiên liệu ít hơn 35% so với động cơ phun xăng “ MPI ” hiện nay
9) Những đặc tính riêng biệt của GDI:
Tiêu thụ nhiên liệu ít hơn , tối ưu hơn và hiệu suất cao hơn Thời điểm phun được tính toán rất chính xác nhằm đáp ứng được sự thay đổi tải trọng của động cơ.Ở chếđộ tải trọng trung bình và xe chạy trong thành phố thì nhiên liệu phun ra ở cuối thì nén, giống như động cơ diesel và như vậy hổn hợp loãng đi rất nhiều.Ở chế độ đầy tải, nhiên liệu được phun ra cuối thì nạp, điều này có khả năng cung cấp 1 hổn hợp đồng nhất giống như động cơ MPI nhằm mục đích đạt được hiệu suất cao
Hình 9: Bố trí hệ thống GDI trên động cơ
Chú giải:
Fuel pressure sesnor: cảm biến áp suất nhiên liệu
Injector: vòi phun
Fuel rail: đường nhiên liệu
High pressure pump: máy bơm áp lực cao
Electronic control unit MED: Bộ điều khiển điện tử MED
Trang 12.• Quá trình cháy với hổn hợp cực loãng : Ở tốc độ cao (trên 120 Km/h), động cơ
“GDI” sẽ đốt 1 hổn hợp nhiên liệu cực loãng, tiết kiệm được lượng nhiên liệu tiêu thụ
Ở chế độ này, nhiên liệu được phun ra cuối kỳ nén và kỳ nổ: tỉ lệ hổn hợp là cực loãng , (Air/Fuel) = 30 ̧-40 (35 ̧-55 bao gồm EGR)
• Ở chế độ công suất cực đại : Khi động cơ GDI hoạt động ở chế độ tải lớn, toàn tải, tốc độ cao thì nhiên liệu được phun vào xi lanh động cơ trong suốt kỳ nạp, sựcháy hoàn hảo hơn, nhiên liệu được cháy sạch, cháy kiệt, động cơ làm việc êm dịu, không
có tiếng gỏ
10) Những ưu điểm kỹ thuật của động cơ” GDI”:
• Dòng khí chuyển động trong lòng xi lanh : Động cơ GDI có đường ống nạp thẳng góc với xi lanh Không khí di chuyển trực tiếp vào đỉnh piston và sẽ tạo xoáy lốc rất mạnh, đó cũng là thời điểm tốt nhất cho việc phun nhiên liệu vào động cơ
• Phun nhiên liệu: Các nhà chế tạo ô tô đã chế tạo ra những kim phun xăng có áp suất rất cao 50 KG/cm2, đây là loại kim phun lý tưởng Ở cùng một thời điểm nó tạo được dòng xoáy lốc lớn nên phun ra những tia nhiên liệu rất mịn: đây cũngchính là đặc điểm
về kim phun của GDI
11) Những dòng xe sử dụng động cơ GDI:
Những khía cạnh nổi bật của các mẫu xe hơi nhỏ với động cơ dung tích hạn chế hiện nay là có hiệu suất cao, đi kèm với nó là khả năng vận hành linh hoạt mà vẫn tiết kiệm nhiên liệu Sau động cơ tăng áp, các dòng xe hơi dần được trang bị công nghệ van biến thiên rồi tới phun nhiên liệu trực tiếp Mới đây nhất, Daimler và Porsche tiết
lộ về cơ cấu thanh truyền đặc biệt giúp thay đổi tỷ số nén
Nhờ đó, động cơ mới sẽ có tỷ số nén công tác vượt trội mà vẫn đảm bảo hạn chế hiện tượng kích nổ của xăng Động cơ nhiêu liệu Diesel được các hãng xe Đức nâng cao hiệu suất bằng các thành tựu vật liệu trong chế tạo xi-lanh, piston và công nghệ phun nhiên liệu trực tiếp với áp suất cao Dường như công nghệ phun nhiên liệu trực tiếp (GDi) đang dần thay thế hệ thống phun nhiên liệu điện tử trước đó đã thế chỗ chế hòa khí thường trên các mẫu xe hơi
