Nghiên cứu động cơ phun xăng trực tiếp FORD ECOBOOST

Còn ở động cơ GDI thì kim phun nhiên liệu được gắn trực tiếp vàotrong buồng cháy với áp suất phun lớn và xăng được phun thẳng vào buồng cháy của cácxi-lanh.. Hình 2.7: So sánh về sự hình

LỜI CẢM ƠN

Để đồ này đạt kết quả tốt đẹp, chúng em đã nhận được sự hỗ trợ, giúp đỡ nhiềungười Với tình cảm sâu sắc, chân thành, cho phép chúng em được bày tỏ lòng biết ơnsâu sắc đến tất cả các cá nhân đã tạo điều kiện giúp đỡ trong quá trình học tập và nghiêncứu đề tài

Trước hết, cho chúng em xin gửi tới các thầy cô khoa Cơ khí Động lực trường Đạihọc Sư phạm Kỹ thuật TPHCM lời chào trân trọng, lời chúc sức khỏe và lời cảm ơn sâusắc Với sự quan tâm, dạy dỗ, chỉ bảo tận tình chu đáo của thầy cô, đến nay tôi đã có thểhoàn thành đề tài:

"Nghiên cứu động cơ phun xăng trực tiếp FORD-ECOBOOST"

Đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới thầy giáo– Th.S Đỗ Quốc Ấm

đã quan tâm giúp đỡ, hướng dẫn chúng em hoàn thành tốt đề tài này trong thời gian qua

Chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn đến lãnh đạo Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuậtTPHCM gián tiếp giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu đề tài

Với điều kiện thời gian cũng như kinh nghiệm còn hạn chế của sinh viên nên đềnày không thể tránh được những thiếu sót Chúng em rất mong nhận được sự chỉ bảo,đóng góp ý kiến của các thầy cô để chúng em có điều kiện bổ sung, nâng cao kiến thứccủa mình, phục vụ tốt hơn công việc thực tế sau này

Xin trân trọng cám ơn

Nhóm sinh viên thực hiện

Nguyễn Kim LươngNguyễn Phú Thiện

MỤC LỤC Phần mở đầu

Trang

Lời cảm ơn i

Mục lục ii

Danh mục các chữ viết tắt v

Danh mục các hình……….vii

Danh mục các bản x

Phần nội dung CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 11

1.1 Lý do chọn đề tài 11

1.2 Mục đích nghiên cứu 11

1.3 Giới hạn đề tài 11

1.4 Phương pháp nghiên cứu 12

1.5 Các bước thực hiện 12

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG TRỰC TIẾP GDI…………13

2.1 Giới thiệu chung về động cơ phun xăng trực tiếp GDI 13

2.1.1 Lịch sử ra đời của GDI 13

2.1.2 Kết cấu chung của động cơ phun xăng trực tiếp 15

2.1.2.1 Những đặc tính kĩ thuật của động cơ GDI 16

2.1.2.2 So sánh động cơ phun xăng trực tiếp GDI và EFI 17

2.1.2.3 Ưu điểm động cơ GDI so với động cơ EFI 19

2.1.2.4 Nhược điểm của động cơ phun xăng trực tiếp GDI 22

2.2 Cấu tạo động cơ phun xăng trực tiếp GDI 23

2.2.1 Hệ thống cung cấp nhiên liệu 23

2.2.1.1 Yêu cầu của hệ thống nhiên liệu 24

2.2.1.2 Hệ thống phân phối và ổn định áp suất phun 26

2.2.1.3 Bơm nhiên liệu áp suất thấp (tiếp vận) 29

2.2.1.4 Bơm nhiên liệu áp suất cao ( bơm cao áp) 29

2.2.1.5 Khảo sát kim phun nhiên liệu 32

2.2.2 Đặc tính tia phun nhiên liệu 40

2.2.2.1 Các điều kiện để phun sương 41

2.2.3 Các dạng buồng cháy của động cơ GDI và các phương pháp hình thành hỗn hợp: 42

2.2.3.1 Vị trí của kim phun và bugi 42

2.2.3.2 Kết cấu đỉnh piston 50

2.2.3.3 Vấn đề muội than bám vào kim phun 52

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG TRỰC TIẾP ECOBOOST 55

3.1 Giới thiệu chung động cơ ecoboost 55

3.1.1 Tổng quan 55

3.1.2 Quá trình hình thành và phát triền 55

3.1.3 Cấu hình và thông số cơ bản của các động cơ EcoBoost phổ biến 56

3.2 Các đặc điểm nổi bật trên động cơ EcoBoost thế hệ mới 59

3.2.1 Cấu Tạo 59

3.2.2 Công nghệ mới trên động cơ ecoboost 62

3.2.2.1 Công nghệ Ti-VCT 62

3.2.2.2 Turbo tăng áp 65

3.2.2.3 Phun xăng trực tiếp GDTI 67

3.2.2.4 Một số tính năng khác trên động cơ ecoboost 71

3.2.3 Hệ thống nhiên liệu 72

3.2.3.1 Cấu trúc - nguyên lý 72

3.2.3.2 Bơm áp suất cao 75

3.2.3.3 Kim Phun và ống phân phối nhiên liệu 77

3.2.4 Hệ thống điều khiển điện tử trên động cơ ecoboost 80

3.2.4.1 Tổng Quan 80

3.2.4.2 Các cảm biến trên động cơ ecoboost 83

Cảm biến nhiệt độ nước làm mát 83

Cảm biến áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp MAP (kiểu điện dung) 85

Cảm biến vị trí bướm ga 87

Cảm biến nhiệt độ khí nạp 89

Cảm biến Oxy 92

Cảm biến vị trí trục khuỷu CKP (Crankshaft Position sensor) 95

Cảm biến vị trí trục cam (CMP – Camshaft Position sensor) 96

Cảm biến kích nổ 98

Cảm biến lưu lượng khí nạp MAF (Mass air flow sensor) 100

Cảm biến áp suất nhiên liệu 102

3.2.4.3 Các mạch điều khiển cơ bản 104

Mạch khởi động 104

Mạch điều khiển bơm 106

Mạch kim phun 108

Mạch điện đánh lửa 110

Sơ đồ mạch điện tổng quát 112

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 113

4.1 Kết Luận 113

4.2 ĐỀ NGHỊ 113

TÀI LIỆU THAM KHẢO 114

Bảng kí hiệu viết tắt

APP Accelerator Pedal Position Cảm biến vị trí bàn đạp ga

BSFC Brake specific fuel consumption Brake specific fuel consumption

ECT Engine Coolant Temperature Cảm biến nhiệt độ nước làm mát

ETCREF Engine Coolant Temperature return Mass của cảm biến nhiệt độ nước

làm mát

GDTI Gasonline direct turbo injection Phun xăng trục tiếp có sử dụng turbo

IMEP Indicate Measure Effective

Pressure

Công suất chỉ thị trung bình

ISFC Indicated Specific Fuel

Consumption Chỉ số tiêu hao nhiên liệu biểu thịISHC Indicated Specific Hydrocarbons Chỉ số khí hydrocarbon

Ti-VCT Twin independent Variable Cam

UBHC Unburned hydrocarbons khí hydrocarbon không cháyVVTi Variable Valve Timing Hệ thống điều khiển xu-páp với góc

mở biến thiên thông minhVTEC Variable valve Timing and lift

Electronic Control Hệ thống phối khí đa điểm và kiểmsoát độ mở xu-páp điện tử

DANH MỤC CÁC HÌNH

Trang

Hình 2.1: Mercedes – Benz 300SL 6 cylinder 13

Hình 2.2: Động cơ GDI của Mitsubishi 14

Hình 2.3: Động cơ V12 của BMW 14

Hình 2.4: Động cơ 2GR – FSE V6 của Toyota 15

Hình 2.5: Hyundai-Theta-GDI-Turbo 15

Hình 2.6: Sơ đồ hệ thống GDI của Bosch 16

Hình 2.7: So sánh về sự hình thành hỗn hợp của EFI và GDI 17

Hình 2.8: So sánh lượng nhiên liệu cần thiết cho việc khởi động động cơ 18

Hình 2.9: Chế độ nạp phân tầng và chế độ nạp đồng nhất hỗn hợp nghèo 19

Hình 2.10: Chế độ hỗn hợp nghèo 19

Hình 2.11: Tổn thất nhiệt qua thành xy lanh 20

Hình 2.12: Đồ thị minh họa so sánh giữa GDI và các động cơ khác 20

Hình 2.13: Chuyển động nạp trong chế độ đồng nhất 21

Hình 2.14: Đồ thị kiểm soát lượng khí thải NOx 21

Hình 2.15: Phun nhiên liệu trực tiếp vào xi lanh 21

Hình 2.16: Đồ thị công suất và momen xoắn 22

Hình 2.17: Sơ đồ hệ thống nhiên liệu của động cơ GDI 24

Hình 2.18: Minh họa các bộ phận hệ thống nhiên liệu GDI của bosh 26

Hình 2.19: Cấu trúc đường ống phân phối 26

Hình 2.20: Cấu trúc van điều khiển áp suất……… 27

Hình 2.21: Cấu tạo cảm biến áp suất nhiên liệu 28

Hình 2.22: Tính hiệu điện áp cảm biến 28

Hình 2.23: Cấu trúc bơm tiếp vận 29

Hình 2.24: Các kiểu của bơm phổ biến trên GDI 30

Hình 2.25: Cấu tạo bơm 3 piston 30

Hình 2.26: Cấu trúc bơm một piston của huyndai 31

Hình 2.27: Cấu tạo bơm một piston 31

Hình 2.28: Sơ đồ mạch bơm 1 piston 32

Hình 2.29: Cấu tạo kim phun một tia phun, kiểu xoáy 34

Hình 2.30: Kim phun một tia phun, kiểu xoáy miệng phun phía ngoài 34

Hình 2.31: Kim phun nhiều lỗ GDI 35

Hình 2.32: Bảng so sánh 3 loại kim phun 36

Hình 2.33: Hình dạng tia phun của các loại kim phun 36

Hình 2.34: Hiệu suất của quỹ đạo phun 37

Hình 2.35: Hình dạng đầu vòi phun của 3 loại kim phun 38

Hình 2.36: Ảnh hưởng của áp suất và nhiệt độ buồng cháy, góc phun, áp suất nhiên liệu vào kích thước hạt ở khoảng cách 30mm tính từ đầu vòi phun 39

Hình 2.37: Sự thâm nhập của tia phun vào các điều kiện khác nhau 40

Hình 2.38: Mối quan hệ giữa vị trí kim phun và bugi trong buồng đốt 43

Hình 2.39: Các kiểu bố trí kim phun và bugi 44

Hình 2.40: Kết cấu bố trí kim phun,bugi và các xupáp của động cơ GDI FORD 46

Hình 2.41: Kích thước tối đa của xupáp cho vị trí của kim phun và bugi 47

Hình 2.42: So sánh giữa tia phun và đỉnh piston với góc nghiêng và thẳng đứng 48

Hình 2.43: Đồ thị ảnh hưởng của góc phun nghiêng tới lượng nhiên liệu va chạm trên các bề mặt khác nhau của hệ thống động cơ Nissan GDI 48

Hình 2.44: Ảnh hưởng của góc nghiêng tia phun vào hiệu suất động cơ GDI 49

Hình 2.45: Ảnh hưởng của góc nghiêng tia phun và chỉ số tiêu thụ nhiên liệu, khí thải .49 Hình 2.46: Kết cấu đỉnh piston 50

Hình 2.47: Hỗn hợp nhiên liệu hòa trộn trên đỉnh piston 51

Hình 2.48: Ảnh hưởng của đỉnh piston vào hiệu suất động cơ của NISSAN tại tốc độ động cơ là 1600v/p 51

Hình 2.49: Ảnh hưởng của hốc lõm piston vào hiệu suất và lượng khí thải trên động cơ GDI của mercedesbenz 52

Hình 2.50: Các loại muội than xuất hiện ở miệng vòi phun 53

Hình 3.1: Các mẫu động cơ 56

Hình 3.2: Động cơ EcoBoost 3.5L V6 56

Hình 3.3: Động cơ EcoBoost 2.0L I4 57

Hình 3.4: Động cơ EcoBoost 1.6L I4 58

Hình 3.5: Động cơ EcoBoost 1.0L I3 58

Hình 3.6: Kết cấu của động cơ ecoboost 59

Hình 3.7: Lốc máy động cơ ecoboost 60

Hình 3.8: Piston và xylanh động cơ ecoboost 60

Hình 3.9: Vị trí kim phun trong xy lanh 61

Hình 3.10: Turbo tăng áp 61

Hình 3.11: Đai cam được ngâm trong dầu 62

Hình 3.12: Công nghệ Ti-VCT 62

Hình 3.13: Bộ điều khiển áp suất dầu 63

Hình 3.14: Khi góc trục cam ở vị trí ban đầu 64

Hình 3.15: Công nghệ Ti-VCT điều khiển xu-páp đóng muộn 64

Hình 3.16: Cấu tạo turbo tăng áp 65

Hình 3.17 Sơ đồ hoạt động turbo tăng áp 66

Hình 3.18: Phần nạp khí của Turbo 66

Hình 3.19: Phần cánh tuabin bên khí xả 67

Hình 3.20: Phun xăng trực tiếp 67

Hình 3.21: Phun nhiêu liệu 69

Hình 3.22: Kim phun 70

Hình 3.23: Nước làm mát được đưa vào làm mát động cơ 71

Hình 3.24: Cổ hút khí nạp gắn trực tiếp trên đầu xy-lanh 72

Hình 3.25: Sơ đồ khối của hệ thống nhiên liệu 72

Hình 3.26: Cấu tạo hệ thống nhiên liệu áp suất thấp 73

Hình 3.27: Cấu tạo hệ thống nhiên liệu áp suất thấp 74

Hình 3.28: Bơm cao áp 75

Hình 3.29: Cấu tạo bơm cao áp của hệ thống nhiên liệu 75

Hình 3.30: Nguyên lý hoạt động bơm cao áp 76

Hình 3.31: Ống phân phối và kim phun nhiên liệu 77

Hình 3.32: Kim phun và ống phân phối nhiêu liệu 77

Hình 3.33: Cấu tạo kim phun nhiên liệu 78

Hình 3.34: Phun xăng trực tiếp 80

Hình 3.35: Vị trí các chi tiết trên động cơ từ phía trước 81

Hình 3.36: Vị trí các chi tiết trên động cơ từ phía sau 82

Hình 3.37: Cảm biến nhiệt độ nước làm mát 83

Hình 3.38: Mạch điện cảm biến nhiệt độ nước làm mát 83

Hình 3.39 Đường đặc tính tuyến của cảm biến nhiệt độ nước 84

Hình 3.40: Cảm biến áp suất MAP 85

Hình 3.41: Cảm biến áp suất điện dung 86

Hình 3.42: Nguyên lý áp kế điện dung 86

Hình 3.43: Mạch điện cảm biến áp suất đường ống nạp 87

Hình 3.44: Tín hiệu cảm biến TPS 88

Hình 3.45: Mạch điện cảm biến vị trí bướm ga 88

Hình 3.46 : Đặc tuyến của cảm biến vị trí bướm ga 89

Hình 3.47: Cảm biến nhiệt độ khí nạp 89

Hình 3.48: Mạch điện của cảm biến nhiệt độ 90

Hình 3.49: Đặc tính của IAT 91

Hình 3.50: Cấu tạo cảm biến ôxy 92

Hình 3.51: Sơ đồ hoạt động cảm biến Oxy 93

Hình 3.52: Tín hiệu điện áp cảm biến oxy 94

Hình 3.53: Đặc tính của cảm biến oxy 94

Hình 3.54 Cảm biến CKP 95

Hình 3.55: Tín hiệu cảm biến CKP (Hall) 95

Hình 3.56: Sơ đồ mạch điện cảm biến CKP 96

Hình 3.57: Cảm biến CMP 96

Hình 3.58: Dạng xung cảm biến CMP 97

Hình 3.59: Sơ đồ mạch điện cảm biến CMP 97

Hình 3.60: Cách bố trí của cảm biến kích nổ 98

Hinh 3.61: Điều khiển đánh lửa khi phát hiện động cơ có hiện tượng kích nổ 98

Hình 3.62: Đồ thị biểu diễn tần số kích nổ 99

Hình 3.63: Sơ đồ mạch điện cảm biến KSL 99

Hình 3.64: Cảm biến MAF 100

Hình 3.65: Nguyên lý hoạt động cảm biến MAF 100

Hình 3.66: Tín hiệu cảm biến MAF 101

Hình 3.67: Sơ đồ mạch điện MAF 101

Hình 3.68: Sơ đồ nguyên lý cảm biến kích nổ 102

Hình 3.69: Mạch điện tổng quát……… 103

Hình 3.70: Sơ đồ mạch khởi động 104

Hình 3.71: Sơ đồ mạch điều khiển bơm nhiên liệu 106

Hình 3.72: Mạch kim phun 108

Hình 3.73: Sơ đồ mạch đánh lửa 110

Hình 3.74: Mạch điện tổng quát 112

DANH MỤC CÁC BẢNG

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Lý do chọn đề tài

 Ôtô đã trở thành một phương tiện vận chuyển thông dụng và hữu hiệu trong bất cứ ngành nghề nào của nền kinh tế quốc dân như: Khai thác tài nguyên, dich

vụ công cộng, xây dựng cơ bản, quân sự, và đặc biệt là nhu cầu ngày càng caocủa con người… Một chiếc ô tô hiện đại ngày ngay phải đáp ứng được các nhucầu về tính tiện nghi, an toàn, kinh tế, thẩm mỹ và thân thiện với môi trường, v.v…Cácnhà chế tạo ôtô nói chung và hãng xe Ford nói riêng đã không ngừng cải tiến vàhoàn thiện chúng bằng việc đưa kỹ thuật điều khiển điện tử tiên tiến nhằm đáp ứng nhữngnhu cầu đó.

 Hiện nay ngành công nghệ ô tô đã có những bước phát triển vượt bậc, các vấn đề

về tiết kiệm nhiên liệu và bảo vệ mội trường luôn được đặt lên hàng đầu Ford là mộttrong những hãng xe tiên phong và tích cực nhất trong việc bào vệ môi trường thông quaviệc ứng dụng nhiều công nghệ tiên tiến tiết kiệm nhiên liệu giảm khí CO2 Điển hình làFord đã cho ra đời ngày càng nhiều động cơ xanh Ecoboost Nói đến các chiếc xe đượctrang bị động cơ Ecoboost tại Việt Nam phải kể đến fiesta 1.0L, đây cũng là thế hệ đầutiên có mặt tại Việt Nam vào năm 2014 Ngoài ra, nhằm cập nhật những công nghệ mới

và tăng tính trực quan hóa trong giảng dạy và học tập, với mục đích nâng cao chất lượngdạy và học Chính vì lẽ đó, người nghiên cứu như chúng tôi quyết định nghiên cứu vềđộng cơ xanh Ecoboost (GDTI) với mong muốn giúp các bạn sinh viên dễ dàng tiếp thu

để việc học có hiệu quả cao hơn

1.4 Phương pháp nghiên cứu

 Để đề tài được hoàn thành chúng em đã kết hợp nhiều phương pháp nghiên cứu.Trong đó đặc biệt là phương pháp tham khảo tài liệu, thu thập thông tin từ nhiều nguồnkhác nhau từ đó tìm ra những ý tưởng mới để hình thành đề cương của đề tài

1.5 Các bước thực hiện

 Tham khảo tài liệu

 Thu thập thông tin liên quan trên internet

 Nghiên cứu chương trình học môn động cơ I, II

 Viết báo cáo

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG TRỰC TIẾP GDI

2.1 Giới thiệu chung về động cơ phun xăng trực tiếp GDI

2.1.1 Lịch sử ra đời của GDI

 GDI là từ viết tắt của cụm từ Gasonline direct injection chỉ các loại động cơ phunxăng trực tiếp Trong loại động cơ này, xăng được phun thẳng vào buồng cháy của cácxi-lanh, khác hẳn nguyên lý phun xăng vào đường nạp của các động cơ phun xăng điện tửthông dụng GDI được giới thiệu trong sản xuất máy bay ở trong chiến tranh thế giới thứ

II, bởi những nhà thiết kế người Đức (Daimler Benz) và Liên xô cũ (KBkhimavtomatika) Hệ thống phun xăng trực tiếp được phát triển bởi Bosch và được giớithiệu bởi Goliath và Gutbrod năm 1952 Vào năm 1955, Mercedes – Benz đầu tiên ứngdụng phun xăng trực tiếp vào buồng cháy của động cơ 6 cylinder (Mercedes – Benz300SL) với thiết bị bơm tạo áp suất phun của Bosch Tuy nhiên, việc ứng dụng này bịquên lãng do vào thời điểm đó các thiết bị điện tử chưa được phát triển và ứng dụngnhiều cho động cơ ôtô nên việc điều khiển phun nhiên liệu của động cơ thuần tuý bằng cơkhí và việc tạo hỗn hợp phân lớp cho động cơ chưa được nghiên cứu như ngày nay Vìvậy, so với quá trình tạo hỗn hợp ngoài động cơ thì quá trình tạo hỗn hợp trong buồng đốtcũng không khả quan hơn nhưng kết cấu và giá thành thì cao hơn nhiều

Hình 2.1: Mercedes – Benz 300SL 6 cylinder

 Mãi đến năm 1996, với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật điện tử, hệ thống phunxăng trực tiếp mới xuất hiện trở lại trên thị trường ô tô Mitsubishi Motors là hãng đầutiên có động cơ GDI ở thị trường Nhật Bản trên mẫu Galant/Legnum’s 4G93 1.8L 4xilanh thẳng hàng, mẫu này sau đó được bán ở Châu Âu năm 1997 với xe Mitsubishi

Carisma nhưng nhiên liệu chứa lưu huỳnh cao ở Châu Âu dẫn đến những vấn đề về khí

xả và hiệu suất chất đốt thấp hơn mong đợi

Hình 2.2: Động cơ GDI của Mitsubishi

 Năm 1997, họ cũng giới thiệu động cơ GDI 6 xilanh đầu tiên, đó là động cơ 6G743.5L V6 Mitsubishi đã ứng dụng rộng dãi công nghệ này, sản xuất hơn 1 triệu động cơGDI cho bốn công ty khác năm 2001 Volkswagen/Audi cho ra mắt kiểu động cơ kiểuGDI vào năm 2001 nhưng lấy tên gọi là FSI (Fuel Stratified Injection), BMW cũng cho

ra đời động cơ GDI V12

Hình 2.3: Động cơ V12 của BMW

 Cả PSA Peugeot Citroen và Hyundai Motors đều được cấp phép công nghệ GDIcủa Mitsubishi năm 1999 và sau đó sử dụng trên động cơ V8 GDI đầu tiên Các nhà sảnxuất xe hàng đầu như General Motors cũng đã áp dụng kỹ thuật GDI cho động cơ của

mình để cho ra đời dòng xe mới vào những năm 2002 Và sau cùng đó là Toyota cũng đãchuyển sang nghiên cứu tạo hỗn hợp trong buồng đốt và đã ra mắt thị trường với động cơ2GR – FSE V6 vào đầu năm 2006.

Hình 2.4: Động cơ 2GR – FSE V6 của Toyota

Hình 2.5: Hyundai-Theta-GDI-Turbo

2.1.2 Kết cấu chung của động cơ phun xăng trực tiếp

 Về kết cấu chung của động cơ GDI cũng tương tự như động cơ EFI Điểm khácnhau cơ bản là ở hệ thống buồng cháy, hệ thống nhiên liệu, hệ thống điều khiển và đánhlửa (ECU) Ở bộ xử lý khí thải thì động cơ GDI có bố trí thêm một bộ xúc tác nữa (bộxúc tác kép) để có thể xử lý khí thải khi động cơ hoạt động ở chế độ hỗn hợp nghèo

Hình 2.6: Sơ đồ hệ thống GDI của Bosch 1-Thùng xăng, 2-Bơm tiếp vận, 3-ECU, 4-Bộ điều khiển bướm ga, 5-Đường ống nạp, 6-Cảm biến lưu lượng khí nạp, 7-Hộp cácbon, 8-Kim phun, 9-Bơm cao áp, 10-Cuộn

đánh lửa,11-Bàn đạp, 12-Cảm biến oxy, 13-Cảm biến nhiệt độ nước,

14-Bộ xúc tác, 15-Cảm biến tốc độ

2.1.2.1 Những đặc tính kĩ thuật của động cơ GDI :

 Kết cấu đường ống nạp tạo được sự lưu thông của lượng gió tối ưu nhất

 Hình dạng piston lồi, lõm tạo thành buồng cháy tốt nhất, tạo được sự hòa trộnnhiên liệu- không khí tối ưu nhất

 Bơm xăng cao áp cung cấp xăng có áp suất cao đến kim phun và phun trực tiếpvào xi lanh động cơ

 Kim phun nhiên liệu có áp suất phun cao (khoảng chừng 5-10MPa), chuyển độngxoáy lốc kết hợp với không khí tạo thành hòa khí (xăng-không khí) tốt nhất

 Ở chế độ tải nhỏ, nhiên liệu được phun ở cuối quá trình nén Ở chế độ đầy tảinhiên liệu được phun trong quá trình nạp

 Tiêu hao nhiên liệu ít hơn (khoảng 35% so với động cơ xăng EFI hiện nay).

2.1.2.2 So sánh động cơ phun xăng trực tiếp GDI và EFI

 Sự khác biệt chính giữa động cơ EFI và động cơ GDI là trong việc hình thành hỗnhợp được minh họa như hình 2.7 Trong động cơ EFI, kim phun được gắn trên đường ốngnạp gần với cổ góp hút riêng của xilanh trước xupap nạp và nhiên liệu được phun vàotrong đường ống nạp của mỗi xi-lanh, hỗn hợp (nhiên liệu-không khí) được hình thànhphía ngoài buồng đốt Còn ở động cơ GDI thì kim phun nhiên liệu được gắn trực tiếp vàotrong buồng cháy với áp suất phun lớn và xăng được phun thẳng vào buồng cháy của cácxi-lanh Như vậy hệ thống GDI hỗn hợp (nhiên liệu-không khí) sẽ hình thành bên trongbuồng cháy Trong quá trình phun, nhiên liệu được phun theo các giai đoạn khác nhautùy theo chế độ tải

Hình 2.7: So sánh về sự hình thành hỗn hợp của EFI và GDI

 Cấu tạo:

▪ Động cơ phun xăng trực tiếp GDI bao gồm những bộ phận hoạt động ở áp suất

cao: bơm nhiên liệu áp suất cao (ở áp suất 4-20MPa), áp suất đường ống phân phối cao (4-13 MPa), có thêm cảm biến áp suất nhiên liệu, các chất xúc tác, ở bộ xử lý khí thải thì

có bố trí thêm một bộ xúc tác nữa, đỉnh piston là lồi-lõm…

▪ Động cơ EFI: áp suất bơm khoảng chừng 0.5MPa, áp suất đường ống phân phối từ

0.25-0.3MPa, đỉnh piston thường là đỉnh bằng hoặc lồi…

 Phun trực tiếp xăng vào xi-lanh của động cơ GDI loại bỏ màng nhiên liệu tích hợptrên đường nạp và việc nhiên liệu làm ướt thành xilanh tại cổng nạp, trong khi việc điềukhiển khả năng phun nhiên liệu cho mỗi lần đốt tốt hơn động cơ EFI Động cơ GDI cung

cấp khả năng đốt cháy nghèo tốt hơn, ít sự không đồng nhất giữa các xilanh trong tỷ lệkhông khí-nhiên liệu.

 Phun trực tiếp xăng với việc làm giàu kinh tế nhiên liệu khi khởi động lạnh ít hơnhoặc không cần làm đậm nhiên liệu và giảm đáng kể lượng khí hydro cacbon không cháy(UBHC) trong quá trình chuyển tải Một ví dụ việc so sánh về số lượng nhiên liệu cầnthiết để bắt đầu khởi động động cơ GDI và EFI được cung cấp trong hình 2.8 Khá hiểnnhiên rằng động cơ GDI đòi hỏi nhiên liệu ít hơn nhiều để khởi động động cơ và đó là sựkhác biệt trong các yêu cầu nhiên liệu tối thiểu trở nên lớn hơn khi giảm nhiệt độ môitrường xung quanh

Hình 2.8: So sánh lượng nhiên liệu cần thiết cho việc khởi động động cơ

 Một hạn chế khác của động cơ EFI là việc điều chỉnh bướm ga để kiểm soát khảnăng tải trọng động cơ Mặc dù việc điều chỉnh bướm ga là một cơ chế tốt và đáng tin cậy

để kiểm soát tải trọng động cơ EFI nhưng sự mất mát nhiệt động lực học khi điều chỉnh

ga là khá lớn Bất kỳ hệ thống nào mà có điều chỉnh mức độ tải sẽ dẫn tới sự mất mátnhiệt động lực học đi kèm với tổn thất trong chu kỳ bơm và sẽ dẫn tới suy giảm hiệu suấtnhiệt ở mức độ thấp của tải trọng động cơ Còn động cơ GDI không dùng bướm ga đểđiều chỉnh lượng khí nạp như động cơ xăng dùng chế hoà khí (Việc phân lớp hỗn hợpkhông phải là tối ưu ở tất cả các chế độ hoạt động của động cơ nên sẽ có việc lựa chọnchế độ hòa trộn hỗn hợp phù hợp với điều kiện hoạt động động cơ, còn "không dùngbướm ga để điều chỉnh lượng khí nạp" là trong trường hợp chọn chế độ phân lớp hỗnhợp Lúc này bướm ga sẽ gần như là nằm song song thành ống nạp và ít cản gió trênđường nạp) nên đường nạp thông thoáng như đường nạp của động cơ Diezel Động cơGDI thay đổi lượng nhiên liệu phun vào buồng cháy tuỳ thuộc vào công suất cần thiết

Nguyên lý điều chỉnh này cũng giống như nguyên lý làm việc của động cơ diesel là điềuchỉnh nhiên liệu để có các tỷ lệ hoà khí khác nhau.

2.1.2.3 Ưu điểm động cơ GDI so với động cơ EFI:

 Trong các chế độ hoạt động này, xe hoạt động dưới tỷ số trong khoảng 1.55-3

Cụ thể động cơ hoạt động tại tỷ số lambda từ 1,6 đến 3 trong chế độ nạp phân tầng vàkhoảng 1,55 trong chế độ nạp đồng nhất hỗn hợp nghèo điều này cho phép bướm ga mởthêm làm giảm sức cản do không khí gây ra Như vậy tính kinh tế nhiên liệu được nângcao

 Chế độ hỗn hợp nghèo:

Hình 2.10: Chế độ hỗn hợp nghèo

 Tổn thất nhiệt qua thành xy lanh giảm:

Hình 2.11: Tổn thất nhiệt qua thành xy lanh

 Trong chế độ nạp phân tầng, sự cháy duy nhất chỉ trong khu vực xung quanh bugi,

có nghĩa là sự mất nhiệt ít hơn ở các thành xy lanh và hiệu quả nhiệt cao hơn

Hình 2.12: Đồ thị minh họa so sánh giữa GDI và các động cơ khác

 Kiểm soát khí thải: những nhà chế tạo ô tô luôn tìm mọi cách để đốt cháy một hỗnhợp nhiên liệu loãng nhằm giảm thiểu cũng như kiểm soát lượng khí thải NOx

 Ngày nay, động cơ GDI đã giảm được 97% lượng khí thải này, điều này đạt được

do có sự tham gia bởi bộ luân hồi khí xả EGR và quá trình cháy ổn định hơn

Hình 2.13: Chuyển động nạp trong chế độ đồng nhất

 Do sự chuyển động xoáy lốc của khí nạp trong buồng xy lanh, động cơ có khảnăng luân hồi khí thải cao lên đến 25% khi hoạt động ở chế độ nạp đồng nhất khí nạp vớitốc độ luân hồi khí thải thấp, bướm ga được mở rộng hơn Điều này cho phép lượngkhông khí vào dễ dàng hơn, qua đó làm giảm thiệt hại khi giảm ga

Hình 2.14: Đồ thị kiểm soát lượng khí thải NOx

 Tỷ số nén cao:

Hình 2.15: Phun nhiên liệu trực tiếp vào xi lanh

▪ Bằng cách phun nhiên liệu trực tiếp vào xi-lanh, nhiệt từ không khí được hấp thụ

bởi nhiên liệu và do đó làm mát không khí Điều này làm giảm xu hướng kích nổcủa động cơ và cho phép tỉ lệ nén được tăng lên Dẫn tới một tỷ số nén cao hơn các động

cơ khác và làm tăng hiệu suất nhiệt So với động cơ EFI thì động cơ GDI tăng thêm được10% công suất và momen xoắn động cơ

Hình 2.16: Đồ thị công suất và momen xoắn

 Sự tiêu hao nhiên liệu tối ưu nhất:

▪ 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

▪ Quá trình cháy với hỗn hợp cực loãng: Ở tốc độ cao (trên 120 Km/h), động cơ

“GDI” sẽ đốt 1 hỗn hợp nhiên liệu cực loãng, tiết kiệm được lượng nhiên liệu tiêu thụ Ởchế độ này, nhiên liệu được phun ra cuối kỳ nén: tỉ lệ hỗn hợp là cực loãng (khôngkhí/nhiên liệu = 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

thì nhiên liệu được phun vào xi lanh động cơ trong kỳ nạp, sự cháy hoàn hảo hơn, nhiênliệu được cháy sạch, cháy kiệt, động cơ làm việc êm dịu và không có tiếng gõ

2.1.2.4 Nhược điểm của động cơ phun xăng trực tiếp GDI

 Chỉ có lợi khi chạy ở tải vừa và nhỏ, khi chạy toàn tải thì hỗn hợp khá đậm

 Giá thành cao

 Phun dưới áp lực cao dễ tạo ra hiện tượng nhiên liệu bám vào buồng đốt

 Cấu tạo phức tạp, có độ nhạy cảm cao và yêu cầu cao đối với chất lượng xăng vàkhông khí, khó bảo dưỡng sửa chữa

 Do nhiên liệu được phun vào buồng đốt nên đòi hỏi áp suất phun phải lớn hơn rấtnhiều so với kiểu phun trên đường ống nạp, kết cấu kim phun phải đáp ứng được điềukiện khắc nghiệt của buồng cháy, hệ thống điều khiển phun phức tạp hơn nhiều.Vật liệu

sử dụng làm piston và xilanh phải có độ bền cao, do nhiệt sinh ra trong quá trình cháy caohơn rất nhiều

 Có lẽ đây là các lý do quan trọng khiến động cơ GDI chưa phổ biến như EFI

2.2 Cấu tạo động cơ phun xăng trực tiếp GDI

 Về cấu tạo của hệ thống phun xăng trực tiếp GDI là khá phức tạp nhưng nguyêntắc cơ bản vẫn sử dụng các tín hiệu từ động cơ (qua các cảm biến) rồi xử lý tại bộ xử lýtrung tâm ECU để điều chỉnh vòi phun (thời điểm, lưu lượng, áp suất)

2.2.1 Hệ thống cung cấp nhiên liệu

 Hệ thống nhiên liệu của động cơ GDI về cơ bản bao gồm:

▪ Hệ thống phân phối và ổn định áp suất (common rail).

▪ Bơm tiếp vận.

▪ Bơm cao áp.

▪ Kim phun.

▪ Hệ thống điều khiển phun.

▪ Các thiết bị phụ khác như: thùng nhiên liệu, lọc, bơm, van an toàn, các đường

ống…

 Ở động cơ GDI, nhiên liệu được đưa trực tiếp vào buồng đốt ở kỳ nạp hoặc kỳnén Để đưa được nhiên liệu vào buồng đốt động cơ trong kỳ nén thì hệ thống nhiên liệuphải đáp ứng được yêu cầu áp suất phun nhiên liệu của kim phun phải lớn hơn áp suấtcủa không khí trong buồng đốt ở kỳ nén, đồng thời để nhiên liệu được phun tơi hòa trộn

tốt với không khí trong buồng đốt thì áp suất đòi hỏi phải lớn hơn áp suất trong buồng đốt

ở kỳ nén rất nhiều.Việc tạo ra hỗn hợp trong buồng đốt động cơ GDI liên quan trực tiếpđến quá trình cung cấp nhiên liệu Nếu cung cấp nhiên liệu không đạt yêu cầu sẽ dẫn tớiquá trình tạo hỗn hợp không tốt, ảnh hưởng đến quá trình cháy gây tiêu hao nhiên liệu, ônhiễm môi trường

Hình 2.17: Sơ đồ hệ thống nhiên liệu của động cơ GDI

2.2.1.1 Yêu cầu của hệ thống nhiên liệu

 Hệ thống phun nhiên liệu trong động cơ GDI là một thành phần quan trọng cungcấp các dòng chảy trong xi lanh để tạo ra một lượng hỗn hợp phù hợp cho từng chế độhoạt động của động cơ Sự phun tơi nhiên liệu (phun nhiên liệu dưới dạng sương) cầnphải được tiến hành dưới mọi điều kiện hoạt động của động cơ Một hệ thống nhiên liệuGDI cần phải cung cấp ít nhất là hai và có thể là ba hoặc nhiều hơn các chế độ hoạt độngkhác nhau Đồng thời nó cần đáp ứng được cả 2 chức năng sau: phun trể cho sự nạp phântầng tại chế độ tải nhỏ, cũng như phun nhiên liệu trong kỳ nạp cho sự nạp đồng nhất tạichế độ toàn tải Tại chế độ tải nhỏ, khả năng phun sương hoặc sự pha trộn hỗn hợp (chùmhỗn hợp) tốt sẽ tạo điều kiện dễ dàng cho sự hình thành hỗn hợp và điều khiển sự phântầng.Tại chế độ toàn tải (a well-dispersed fuel spray or mixture plume) khả năng phunphân tán hoặc chùm hỗn hợp hợp là điều được mong muốn để đảm bảo khả năng nạpđồng nhất cho lượng phun nhiên liệu lớn

 Buồng đốt của động cơ GDI được thiết kế có các vách dẫn hướng để nhiên liệu khiphun vào sẽ được dẫn hướng va chạm vào lớp không khí và được tách ra từng lớp tạođiều kiện thuận lợi cho việc bốc hơi và hoà trộn tạo hỗn hợp đồng nhất.

 Để đưa được nhiên liệu vào buồng đốt động cơ trong kỳ nén, hệ thống nhiên liệuphải đáp ứng được yêu cầu áp suất phun nhiên liệu của kim phun phải lớn hơn áp suấtcủa không khí trong buồng đốt ở kỳ nén, đồng thời để nhiên liệu được phun tơi hòa trộntốt với không khí trong buồng đốt thì áp suất đòi hỏi phải lớn hơn áp suất trong buồng đốt

ở kỳ nén rất nhiều Hệ thống phun phải phun nhanh nhiên liệu vào cuối kỳ nén với ápsuất xung quanh lên tới 1MPa, việc này đòi hỏi áp suất phun nhiên liệu phải cao Việcxác định áp suất phun nhiên liệu trở nên rất quan trọng để mà có thể đạt được hiệu suấtphun sương tốt Một áp suất phun nhiên liệu cao thì đòi hỏi phải giảm bớt đường kính củavòi phun, trong khi dùng một áp suất thấp thì sẽ làm giảm bớt tổn thất khi bơm, thời gianmồi bơm và giảm được tiếng ồn khi phun Việc sử dụng một áp suất phun rất cao, chẳnghạn như 20MPa (Nếu áp suất quá thấp thì nhiên liệu sẽ bốc hơi và hòa trộn không tốt khiphun vào buồng đốt, còn khi áp suất quá cao thì nhiên liệu có thể đi xuyên qua khối khí

và va chạm với thành buồng đốt, điều này không tốt) sẽ tăng cường tạo sương nhưng cóthể sẽ tạo ra sự phun thâm nhập, kết quả làm ướt thành xilanh

 Dựa trên những phân tích đó, các điểm quan trọng liên quan đến hệ thống nhiênliệu GDI là:

 Áp suất từ 4 -> 13MPa là áp suất thiết kế của đường ống nhiên liệu

 Áp suất đường ống từ 5->10MPa thì được áp dụng ở hầu hết các hệ thống động cơGDI hiện tại

 Tuổi thọ của bơm, tiếng ồn và chế độ mồi là các yếu tố quan trọng cần quan tâmkhi áp suất trên 8.5MPa

2.2.1.2 Hệ thống phân phối và ổn định áp suất phun

 Yêu cầu:

 Để kim phun có thể phun vào buồng đốt ở kì nén thì áp suất nhiên liệu phải từ 4.0MPa đến 13.0 MPa Nếu áp suất quá thấp thì nhiên liệu sẽ bốc hơi và hòa trộn không tốt

khi phun vào buồng đốt, còn khi áp suất quá cao thì nhiên liệu có thể đi xuyên qua khốikhí và va chạm với thành buồng đốt, điều này cũng không tốt.

 Các kim phun được bố trí chung vào hệ thống common rail, hệ thống này đảm bảođược việc tạo áp suất như yêu cầu và duy trì áp suất này trong lúc kim phun hoạt động

Hình 2.18: Minh họa các bộ phận hệ thống nhiên liệu GDI của bosh

 Cấu trúc đường ống phân phối

Hình 2.19: Cấu trúc đường ống phân phối

 Van điều chỉnh áp suất nhiên liệu (van điều áp)

 Nằm ở phần dưới của đường nạp và được gắn vào giữa đường ống phân phốinhiên liệu và đường hồi nhiên liệu vào bể chứa

 Nhiệm vụ:

▪ Nhiệm vụ của van điều chỉnh áp suất nhiên liệu là để điều chỉnh áp suất nhiên liệu

trong đường ống phân phối nhiên liệu để phù hợp với từng chế độ hoạt động của động cơ

 Nguyên lý hoạt động:

▪ Nếu áp lực nhiên liệu quá cao được phát hiện (dựa vào cảm biến nhiệt độ và áp

suất nhiên liệu) thì van điều chỉnh áp suất nhiên liệu được kích hoạt bởi một xung tínhiệu từ ECU Kết quả của điều này, một từ trường gây ra trong cuộn dây từ tính cộng với

áp lực của nhiên liệu và đẩy van bi lên ra khỏi chỗ tì van Bằng cách này, dòng nhiên liệuđược trả về là thay đổi tùy thuộc vào kích thước tín hiệu, do đó làm thay đổi tỷ lệ nhiênliệu hồi về và điều chỉnh áp suất nhiên liệu theo từng chế độ hoạt động

Hình 2.20: Cấu trúc van điều khiển áp suất

 Nếu mất tín hiệu điện:

▪ Các van điều tiết đóng lại Điều này đảm bảo là luôn luôn đủ áp suất nhiên

liệu hiện diện trong đường ống Để bảo vệ các thành phần chống lại các áp lực quácao, van điều tiết áp lực nhiên liệu hoạt động nhờ một lò xo hạn chế áp lực cơ học Nó

mở ra ở áp suất nhiên liệu là 12 MPa

 Cảm biến áp suất nhiên liệu

 Cấu tạo:

Hình 2.21: Cấu tạo cảm biến áp suất nhiên liệu

▪ Cảm biến áp suất nhiên liệu phát hiện áp suất nhiên liệu trong ống phân phối Trên

cơ sở đó ECU sẽ điều khiển để tạo ra áp suất quy định phù hợp với các điều kiện lái xe.Nếu áp suất nhiên liệu trong đường ống phân phối thấp hơn so với áp suất dự định thìthời gian mở vòi phun sẽ được kéo dài

▪ Tín hiệu điện áp mà cảm biến truyền tới ECU:

Hình 2.22: Tính hiệu điện áp cảm biến

▪ Việc kiểm soát một cách chính xác áp suất của ống là điều bắt buộc để hệ thống

hoạt động đúng Đây cũng là nguyên nhân tại sao cảm biến áp suất ống phải có sai số nhỏ

trong quá trình đo Trong dải hoạt động của động cơ, độ chính xác khi đo đạt khoảng 2%.Nếu cảm biến áp suất ống bị hỏng thì van điều khiển áp suất sẽ được điều khiển theo giátrị định sẵn của ECU.

2.2.1.3 Bơm nhiên liệu áp suất thấp (tiếp vận)

 Bơm nhiên liệu được lắp trong bình nhiên liệu và được kết hợp với bộ lọc nhiênliệu, bộ điều áp, bộ đo nhiên liệu,

Hình 2.23: Cấu trúc bơm tiếp vận

 Cánh bơm được mô tơ quay để nén nhiên liệu Van một chiều đóng lại khi bơmnhiên liệu dừng để duy trì áp suất trong đường ống nhiên liệu và làm cho việc khởi độngđộng cơ dễ dàng hơn Nếu không có áp suất dư dễ xảy ra hiện tượng khoá hơi ở nhiệt độcao làm cho việc khởi động lại khó khăn Van an toàn mở ra khi áp suất ở phía cửa ra trởnên quá cao Bơm này cung cấp áp suất nhiên liệu tới bơm cao áp khoảng 0.6MPa

2.2.1.4 Bơm nhiên liệu áp suất cao (bơm cao áp)

 Các kiểu bơm được sử dụng phổ biến trên động cơ GDI:

Hình 2.24: Các kiểu của bơm phổ biến trên GDI

 Bơm 3 xilanh:

 Là loại bơm piston, bố trí hình tròn được điều khiển bởi đầu vào trục cam Áplực biến đổi trong đường ống phân phối nhiên liệu được giữ ở mức tối thiểu bởi babơm được bố trí cách nhau 120 ° Nhiệm vụ của bơm nhiên liệu áp suất cao là tăng ápsuất nhiên liệu lên đến 10MPa trong hệ thống nhiên liệu áp suất cao

Hình 2.25: Cấu tạo bơm 3 piston

 Dẫn động:

▪ Các trục đầu vào của bơm nhiên liệu áp suất cao được điều khiển bởi trục cam.

Một vòng nâng được đặt nằm trên một cam lệch tâm trên trục đầu vào

▪ Khi trục đầu vào quay, cam lệch tâm quay, kết hợp với vòng nâng làm cho các

piston bơm chuyển động lên xuống

▪ Nhiên liệu được hút từ hệ thống nhiên liệu áp suất thấp trong hành trình đi xuống

của piston bơm

▪ Nhiên liệu được bơm vào ống phân phối nhiên liệu trong hành trình chuyển động

đi lên của piston bơm

 Bơm một piston:

 Cấu trúc bơm một piston của huyndai trên động cơ Theta_2.4:

Hình 2.26: Cấu trúc bơm một piston của huyndai

 Chi tiết:

Hình 2.27: Cấu tạo bơm một piston

 Nguyên lý hoạt động:

▪ Như được thể hiện, trục lõi phần ứng của bơm được rút qua bên bên trái bởi từ

trường được tạo ra bởi cuộn solenoid hiện tại trong cụm van điều khiển Điều này chophép đĩa van điều khiển quay về vị trí cũ với sự trợ giúp của lực lò xo và áp suất nhiênliệu trong buồng bơm do đó bao kín buồng bơm áp suất thấp (vào) bên của máy bơm Khipittông đi lên, áp suất nhiên liệu cao mở van xả cho phép nạp nhiên liệu vào đường ốngphân phối nhiên liệu Khi pít tông đi xuống, áp lực trong buồng bơm giảm xuống dưới áplực nhiên liệu đầu vào và đĩa van điều khiển bị đẩy lên và đẩy nhiên liệu vào để bổ sungcho buồng bơm Đồng thời van xả đóng lại duy trì áp lực đường ống

▪ Trong thời gian đầu của kỳ nạp của bơm, đĩa van điều khiển được đẩy sang bên

phải nhờ trục phần ứng và lò xo phần ứng, cho phép nhiên liệu đi vào trong buồng bơmqua đường vào Khi áp suất nhiên liệu đạt tới giá trị cần thiết, trục phần ứng được rút quatrái nhờ cuộn solenoid, đĩa van điều khiển được hồi về vị trí ban đầu nhờ lực lò xo Thờigian đóng của đĩa van điều khiển được điều chỉnh bởi lượng nhiên liệu cần thiết cho kimphun và một cảm biến trong đường ống phân phối nhiên liệu

Hình 2.28: Sơ đồ mạch bơm 1 piston

2.2.1.5 Khảo sát kim phun nhiên liệu

 Yêu cầu kim phun GDI:

 Kim phun nhiên liệu được xem là yếu tố quan trọng nhất trong hệ thống nhiên liệuGDI và nó cần phải có các thuộc tính sau:

 Định lượng nhiên liệu chính xác (thường sai số là ± 2%).

 Phân phối khối lượng phun nhiên liệu cần thiết cho các chế độ hoạt động khácnhau của động cơ

 Lượng phun tối thiểu cho các lần phun chính và phun mồi (the sac)

 Thể tích mồi nhỏ

 Tăng cường đáng kể khả năng phun sương

 Ngăn rò rỉ nhiên liệu và áp suất trong xilanh

 Các tiêu chuẩn đánh giá khả năng phun: phạm vi hoạt động (tuyến tính), chiềurộng xung ngắn nhất trên đường cong dòng chảy tuyến tính và độ rộng xung nhiên liệu ổnđịnh thấp nhất Thiết kế tối ưu của kim phun ngăn ngừa tạo thành muội than cũng là mộttrong những yêu cầu quan trọng của kim phun GDI Và điều đáng chú ý nữa là kim phun

có hình dáng càng nhỏ gọn càng tốt Điều này giúp cho việc bố trí tối ưu hóa vị trí vòiphun linh hoạt hơn

 Các loại kim phun:

 Kim phun một tia phun, kiểu xoáy, miệng phun ở phía bên trong

▪ Hiện nay, loại kim phun được sử dụng phổ biến trên động cơ GDI là loại kim phun

một tia phun (kim phun đơn) kiểu xoáy, miệng phun ở phía bên trong, hoạt động bằngcách nhích kim lên để phun nhiên liệu ra ở một lỗ duy nhất với áp suất thay đổi trongkhoảng từ 5 -> 10MPa Cấu tạo chung này có thể được xem là mẫu mô hình giống vớikim phun nhiều lỗ, với sự phân bố đều nhiên liệu xung quanh chu vi hình nón trên kimphun Như một hệ quả, sự va chạm với tường xilanh của nhiên liệu khi đầy tải có thểđược giảm bớt nếu ta bố trí thích hợp vị trí kim phun và góc phun của nó Đỉnh kim phunnhọn kiểu xoáy được thiết kế để tạo một động lượng quay mạnh mẽ cho nhiên liệu trongvòi phun Trong thiết kế kim phun, dòng chất lỏng chảy qua một loạt các lỗ tiếp tuyếnhoặc khe vào trong buồng cháy

▪ Chất lỏng này được phun ra từ lỗ xả duy nhất như là một tấm hình khuyên được

căng tròn ra phía ngoài để tạo thành một góc phun hình nón Góc phun hình nón ban đầu

có thể nằm trong khoảng giới hạn thiết kế từ 25 ° đến gần 180 °, tùy thuộc vào yêu cầucông nghệ với các đường kính hạt phun khác nhau từ 14-25 μm

Hình 2.29: Cấu tạo kim phun một tia phun, kiểu xoáy

 Kim phun một tia phun, kiểu xoáy miệng phun phía ngoài

▪ Hầu hết kim phun GDI hiện tại có miệng phun ở phía bên trong Tuy nhiên, việc

phát triển một kim phun có miệng phun ở bên ngoài cho động cơ GDI đã được nghiêncứu Sơ đồ cấu tạo của kim phun nhiều tia phun, miệng phun phía ngoài, vòi phun kiểuxoáy được hiển thị trên hình 2.30

Hình 2.30: Kim phun một tia phun, kiểu xoáy miệng phun phía ngoài

▪ Kim phun có ty kim ở ngoài thì có thể tránh được việc tạo tia phun mồi (sac spray)

ban đầu bởi hầu hết thể tích mồi nằm ở phía trong của miệng kim phun Hơn nữa, độ dày

lớp chất lỏng ban đầu được kiểm soát trực tiếp bởi độ nhích kim hơn là phụ thuộc vàovận tốc góc của độ xoáy nhiên liệu ở kim phun mở bên trong Kết quả là, kim phun cómiệng phun phía ngoài có thiết kế linh hoạt, cho phép điều khiển góc phun, sự thâm nhập(penetration) và kích thước hạt được kiểm soát với các cơ cấu phụ kèm ít hơn Dòng chảyxoáy cũng có thể được sử dụng trong thiết kế kim phun có miệng phun ở phía ngoài đểgiảm sự phun thẩm thấu (spray penetration) và tăng góc phun hình nón Ngoài ra, độ dàylớp chất lỏng ban đầu được tạo ra bởi kim phun có miệng phun phía ngoài thì nhỏ trongsuốt quá trình van mở và đóng do giảm áp suất tại vòi phun xoáy Kết quả là sự phunsương được tạo ra trong lần đóng và mở van kim thậm chí còn tốt hơn là trong lần phunchính, những điều này thì trái ngược với những gì thu được bằng cách sử dụng van kimphía bên trong Kim phun có miệng phun ngoài có thể tạo ra đường kính trung bình tia(hạt) phun nhỏ hơn 15μm được đo bằng sự nhiễu xạ laser tại 30mm tính từ hạ lưu vòiphun, độ mở đường kính lỗ phun là 90% thì đường kính hạt nhỏ hơn 40μm và giới hạnphun thẩm thấu là 70mm trên 1 at.

 Kim phun nhiều lỗ

Hình 2.31: Kim phun nhiều lỗ GDI

▪ Kim phun nhiên liệu nhiều lỗ là loại kim phun mà lỗ tia ra thay vì là một tia thì

nhiều tia Áp suất phun từ 9.5MPa đến 12MPa, số lỗ từ 4 – 10 lỗ, góc phun từ 30° - 90°

So với loại một lỗ thì loại này có ưu điểm là phun nhiên liệu tơi hơn, xoáy lốc mạnh, hòatrộn tốt với không khí nhưng nhược điểm là do lỗ nhỏ dễ bị nghẹt

 Bảng So sánh 3 loại kim phun:

▪ Liên quan đến các ưu điểm kim phun có miệng phun bên trong so với kim phun có

miệng vòi phun bên ngoài, kim mở bên trong thường cung cấp lặp lại xung phun tốt hơn,đặc biệt là khi có một ống lót dẫn hướng dòng chảy hiện tại ở mũi kim và tăng cườngthiết kế để đạt được độ linh hoạt trong việc đạt được các góc phun phù hợp

Hình 2.32: Bảng so sánh 3 loại kim phun

▪ Với mô hình miệng phun phía ngoài thừa nhận có tăng sức chống rò rỉ do thực tế

và áp lực khí đốt hỗ trợ sự kín khít của vòi phun Như ta thấy thiết kế mở bên trong cómột số lợi thế đáng kể và do đó đã sử dụng rộng rãi trong GDI

Hình 2.33: Hình dạng tia phun của các loại kim phun

 Kim phun có sự trợ giúp không khí

▪ Phần lớn các kim phun GDI có sự trợ giúp không khí sử dụng cơ cấu van (van

đĩa) có miệng phun phía ngoài (outwardly opening poppet valves), trong khi phần lớn cáckim phun một tia phun dạng lốc xoáy được mở từ bên trong Các kim phun có sự hỗ trợkhông khí cũng sử dụng hai cuộn Solenoids cho mỗi kim phun, dùng hai lò xo trong thânkim phun phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng cháy động cơ, nó làm giảm bớt tiếng ồn, hạthấp mức độ ô nhiễm môi trường-tăng cường đặc tính đóng mở Tác dụng chính của thânkim có hai lò xo là để tăng sự êm dịu cho quá trình cháy (tiếng ồn là nhỏ nhất)

▪ Một sơ đồ hiệu suất của về quỹ đạo phun được minh họa trong hình Như trong

hình, việc phun tương ứng với tải trọng thấp, tỷ lệ không khí / nhiên liệu phun trongphạm vi từ 2–>0,5 và tỷ lệ này giảm dần dần đến 0.2 khi đầy tải Việc điều chỉnh lượngkhông khí nạp vào cũng có thể được thực hiện độc lập với việc điều chỉnh nhiên liệubằng cách điều chỉnh thời gian mở hoặc áp suất không khí cung cấp

Hình 2.34: Hiệu suất của quỹ đạo phun

▪ Hệ thống phun có sự trợ giúp không khí có thể cung cấp một kích thước hạt trung

bình dưới 17μm chỉ với một áp lực vừa phải Đây là kết quả sử dụng biến đổi tỷ lệ giữakhông khí và các thành phần nhiên liệu chứ không phải là chỉ thay đổi áp suất nhiên liệu,

do đó cho phép hệ thống duy trì khả năng nạp tốt nhất ngay cả ở lần phun cuối (hoặc là ở

các áp suất thấp khác nhau) Tuy nhiên, một máy nén khí trong bơm và khoang chứa lưutrữ phải được cung cấp.

 Ảnh hưởng của đầu vòi phun vào kết quả phun:

 Ba cấu trúc vòi phun khác nhau được hiển thị trong hình 2.35:

▪ Loại I là một kim loại đơn giản: vòi phun có một lỗ đo hình trụ, trong đó có lỗ tia

phun đơn hình côn

▪ Loại II có một dòng chảy xoáy ngược dòng kim phun, được thiết kế để có trục

giao nhau chính giữa 45 ° giữa dòng chảy và trục vòi phun, và tạo ra một tia phun hìnhnón rỗng

▪ Loại III có một lỗ hình trụ duy nhất trong đó có ba lỗ phun Điều này tạo ra ba

dòng phun sương đơn lẻ, mỗi một tia tạo thành có dạng hình nón

▪ Sự thay đổi trong tính chất đối xứng qua tâm của tia phun từ loại vòi phun I đã đạt

được và nó đã cho ta thấy rằng chất lượng phun liên quan trực tiếp đến chất lượng bề mặtcủa van kim và liên kết của kim Một hoặc thỉnh thoảng là 2 lần, phun thứ cấp được tiếnhành sau khi ty kim đóng do ty kim bị nhích lên

Hình 2.35: Hình dạng đầu vòi phun của 3 loại kim phun

▪ Các vòi phun loại I đòi hỏi một mức độ chính xác cao trong bề mặt và điều chỉnh

trục kim phun so với hai loại vòi phun khác để tạo ra cấu trúc phun đối xứng Các vòi

phun loại I tăng mức độ phun thâm nhập (spray penetration), mà điều này làm tăng sự vađập nhiên liệu trên đỉnh piston và tường xi lanh Động lượng phun cao ở vòi phun loại I

sẽ làm cho việc phun ít bị ảnh hưởng bởi luồng không khí trong xi-lanh Do đó, thường làkhó khăn hơn để đạt được một hỗn hợp phân tầng cao khi sử dụng loại vòi phun này Nóđược đặt tại vị trí trước cửa buồng cháy hoặc trung tâm trong động cơ GDI sử dụng chế

độ phun sớm Trong khi đó, các vòi phun loại II có sự phun thâm nhập giảm và khả năngphân tán hỗn hợp được cải thiện, và chính xác hơn với luồng không khí trong xi-lanh.Loại III tạo ra một vòi phun với 3 tia phun, trong đó có sự phun thâm nhập thấp

▪ Hình 2.36 cho thấy kết quả đo hạt sử dụng kỹ thuật mới dưới điều kiện môi trường

xung quanh và áp lực phun nhiên liệu khác nhau Nó cho thấy rằng kích thước trung bìnhhạt tăng lên khi tăng áp lực của môi trường xung quanh nhưng giảm khi góc phun và ápsuất phun nhiên liệu tăng

Hình 2.36: Ảnh hưởng của áp suất và nhiệt độ buồng cháy, góc phun, áp suất nhiên liệu

vào kích thước hạt ở khoảng cách 30mm tính từ đầu vòi phun

▪ Bề rộng góc phun hình nón tăng sẽ làm tăng sự phun phân tán, làm giảm xác suất

của sự hợp nhất của các hạt và kết quả là đường kính trung bình của các hạt giảm, sựphun thâm nhập phụ thuộc thời gian phun nhiên liệu và áp suất phun được thể hiện tronghình 2.37 Khả năng thâm nhập tối đa của cả hai lần phun: phun mồi ban đầu và phun