Mục đích nghiên cứu
Giúp người nghiên cứu củng cố kiến thức đã học trong chương trình, đồng thời tiếp cận công nghệ ô tô mới nhất, mang lại những kiến thức thực tiễn cần thiết cho kỹ sư cơ khí động lực.
Giới hạn đề tài
Bài viết này giới thiệu về động cơ phun xăng trực tiếp GDI, tập trung vào động cơ Ecoboost được sử dụng trên xe Fiesta Nó nghiên cứu các công nghệ mới ứng dụng trên động cơ này, đồng thời trình bày các cơ cấu cơ khí, hệ thống điều khiển điện và các cảm biến tích hợp trên động cơ Ecoboost.
Phương pháp nghiên cứu
Để hoàn thành đề tài, chúng tôi đã áp dụng nhiều phương pháp nghiên cứu, trong đó nổi bật là phương pháp tham khảo tài liệu Chúng tôi thu thập thông tin từ nhiều nguồn khác nhau để tìm ra những ý tưởng mới, từ đó hình thành đề cương cho đề tài.
Các bước thực hiện
Thu thập thông tin liên quan trên internet
Nghiên cứu chương trình học môn động cơ I, II
GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG TRỰC TIẾP GDI
Giới thiệu chung về động cơ phun xăng trực tiếp GDI
2.1.1 Lịch sử ra đời của GDI
GDI, viết tắt của Gasonline Direct Injection, là công nghệ động cơ phun xăng trực tiếp, trong đó xăng được phun thẳng vào buồng cháy của xi-lanh Phương pháp này khác biệt với nguyên lý phun xăng vào đường nạp của các động cơ phun xăng điện tử thông dụng Công nghệ GDI lần đầu tiên được giới thiệu trong sản xuất máy bay trong thời kỳ Chiến tranh Thế giới thứ hai.
II, bởi những nhà thiết kế người Đức (Daimler Benz) và Liên xô cũ (KB khimavtomatika)
Hệ thống phun xăng trực tiếp, phát triển bởi Bosch và giới thiệu bởi Goliath và Gutbrod vào năm 1952, đã được Mercedes-Benz ứng dụng lần đầu vào năm 1955 trên động cơ 6 cylinder (Mercedes-Benz 300SL) với thiết bị bơm áp suất phun của Bosch Tuy nhiên, do sự thiếu phát triển của thiết bị điện tử trong thời kỳ đó, việc điều khiển phun nhiên liệu chủ yếu dựa vào cơ khí, dẫn đến việc ứng dụng này bị lãng quên Hơn nữa, quá trình tạo hỗn hợp phân lớp cho động cơ chưa được nghiên cứu như hiện nay, khiến cho hiệu quả của việc tạo hỗn hợp trong buồng đốt không khả quan hơn so với ngoài động cơ, mặc dù kết cấu và chi phí lại cao hơn nhiều.
Hình 2.1: Mercedes – Benz 300SL 6 cylinder
Đến năm 1996, hệ thống phun xăng trực tiếp mới được tái xuất hiện trên thị trường ô tô nhờ vào sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật điện tử Mitsubishi Motors là hãng đầu tiên giới thiệu động cơ GDI tại Nhật Bản trên mẫu xe Galant/Legnum với động cơ 4G93 1.8L 4 xilanh.
Mẫu xe thứ 14 được giới thiệu và bán tại Châu Âu vào năm 1997 cùng với Mitsubishi Carisma Tuy nhiên, nhiên liệu chứa lưu huỳnh cao ở Châu Âu đã gây ra các vấn đề về khí thải và làm giảm hiệu suất tiêu thụ nhiên liệu so với kỳ vọng.
Hình 2.2: Động cơ GDI của Mitsubishi
Năm 1997, Mitsubishi đã giới thiệu động cơ GDI 6 xilanh đầu tiên, 6G74 3.5L V6, và đến năm 2001, họ đã sản xuất hơn 1 triệu động cơ GDI cho bốn công ty khác Cùng năm đó, Volkswagen/Audi ra mắt động cơ GDI với tên gọi FSI (Fuel Stratified Injection), trong khi BMW cũng giới thiệu 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 GDI từ Mitsubishi vào năm 1999, và sau đó đã áp dụng công nghệ này trên động cơ V8 GDI đầu tiên.
Vào những năm 2002, General Motors đã áp dụng công nghệ GDI cho động cơ của mình, dẫn đến sự ra đời của các dòng xe mới Đến đầu năm 2006, Toyota cũng đã nghiên cứu và phát triển hỗn hợp trong buồng đốt, giới thiệu động cơ 2GR-FSE V6 ra thị trường.
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
Động cơ GDI có cấu trúc tương tự như động cơ EFI, nhưng khác biệt chủ yếu nằm ở hệ thống buồng cháy, hệ thống nhiên liệu, và hệ thống điều khiển cùng đánh lửa (ECU) Đặc biệt, động cơ GDI được trang bị thêm bộ xúc tác kép trong hệ thống xử lý khí thải, giúp xử lý khí thải hiệu quả khi động cơ hoạt động ở chế độ hỗn hợp nghèo.
Hình 2.6: Sơ đồ hệ thống GDI của Bosch
Thùng xăng cung cấp nhiên liệu cho bơm tiếp vận, trong khi ECU điều khiển hoạt động của bộ điều khiển bướm ga và đường ống nạp Cảm biến lưu lượng khí nạp theo dõi lượng không khí vào động cơ, kết hợp với hộp cácbon và kim phun để đảm bảo tỷ lệ hòa trộn nhiên liệu và không khí chính xác Bơm cao áp cung cấp áp lực cần thiết cho hệ thống, trong khi cuộn đánh lửa tạo ra tia lửa để đốt cháy hỗn hợp Bàn đạp giúp người lái điều khiển tốc độ, trong khi cảm biến oxy và cảm biến nhiệt độ nước theo dõi hiệu suất và nhiệt độ động cơ để tối ưu hóa hoạt động.
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 trộn nhiên liệu- không khí tối ưu nhất
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 với áp suất phun cao từ 5-10MPa tạo ra chuyển động xoáy lốc, kết hợp với không khí để hình thành hòa khí xăng-không khí tối ưu nhất.
Ở chế độ tải nhỏ, nhiên liệu được phun ở cuối quá trình nén Ở chế độ đầy tải nhiên 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 chủ yếu giữa động cơ EFI và động cơ GDI nằm ở cách hình thành hỗn hợp nhiên liệu-không khí Trong động cơ EFI, kim phun được lắp đặt trên đường ống nạp gần cổ góp hút, nơi nhiên liệu được phun vào ống nạp trước khi vào buồng đốt Ngược lại, động cơ GDI có kim phun được gắn trực tiếp trong buồng cháy, cho phép nhiên liệu được phun với áp suất cao trực tiếp vào buồng cháy của các xi-lanh, tạo ra hỗn hợp bên trong buồng đốt Quá trình phun nhiên liệu trong cả hai loại động cơ diễn ra theo các giai đoạn khác nhau tùy thuộc vào chế độ tải.
Hình 2.7: So sánh về sự hình thành hỗn hợp của EFI và GDI
Động cơ phun xăng trực tiếp GDI được trang bị nhiều bộ phận hoạt động với áp suất cao, bao gồm bơm nhiên liệu áp suất cao (4-20MPa) và áp suất đường ống phân phối (4-13 MPa) Hệ thống này còn có cảm biến áp suất nhiên liệu, các chất xúc tác, và một bộ xúc tác bổ sung trong bộ xử lý khí thải, cùng với thiết kế đỉnh piston 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 xăng trực tiếp vào xi-lanh của động cơ GDI giúp loại bỏ màng nhiên liệu trên đường nạp và hiện tượng làm ướt thành xi-lanh tại cổng nạp Điều này cho phép kiểm soát khả năng phun nhiên liệu cho mỗi lần đốt tốt hơn so với động cơ EFI Động cơ GDI mang lại khả năng đốt cháy nghèo hiệu quả hơn, đồng thời giảm thiểu sự không đồng nhất giữa các xi-lanh trong tỷ lệ không khí-nhiên liệu.
Phun trực tiếp xăng giúp làm giàu kinh tế nhiên liệu khi khởi động lạnh, yêu cầu ít hoặc không cần làm đậm nhiên liệu và giảm đáng kể lượng khí hydro cacbon không cháy (UBHC) trong quá trình chuyển tải So sánh giữa động cơ GDI và EFI cho thấy động cơ GDI tiêu thụ ít nhiên liệu hơn để khởi động, và sự khác biệt này càng rõ rệt khi nhiệt độ môi trường giảm.
Hình 2.8: So sánh lượng nhiên liệu cần thiết cho việc khởi động động cơ
Một hạn chế của động cơ EFI là việc điều chỉnh bướm ga để kiểm soát tải trọng, dẫn đến mất mát nhiệt động lực học lớn và giảm hiệu suất nhiệt ở mức tải thấp Ngược lại, động cơ GDI không sử dụng bướm ga để điều chỉnh lượng khí nạp, mà thay vào đó, áp dụng chế độ phân lớp hỗn hợp, giúp đường nạp thông thoáng hơn Động cơ GDI điều chỉnh lượng nhiên liệu phun vào buồng cháy tùy thuộc vào công suất cần thiết, tương tự như nguyên lý điều chỉnh nhiên liệu của động cơ diesel để đạt được các tỷ lệ hòa khí khác nhau.
2.1.2.3 Ưu điểm động cơ GDI so với động cơ EFI:
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 khả năng làm việc được với hỗn hợp cực loãng Air/Fuel = 30-55
Ở chế độ nạp phân tầng và chế độ nạp đồng nhất hỗn hợp nghèo:
Hình 2.9: Chế độ nạp phân tầng và chế độ nạp đồng nhất hỗn hợp nghèo
Cấu tạo động cơ phun xăng trực tiếp GDI
Hệ thống phun xăng trực tiếp GDI có cấu tạo phức tạp, nhưng nguyên tắc hoạt động cơ bản dựa trên việc nhận tín hiệu từ động cơ thông qua các cảm biến Những tín hiệu này được xử lý tại bộ xử lý trung tâm ECU để điều chỉnh vòi phun, bao gồm thời điểm, lưu lượng và áp suất.
Hệ thống bao gồm 3 phần chính :
▪ Hệ thống cung cấp nhiên liệu
▪ Hệ thống phân phối khí
▪ Hệ thống điều khiển và đánh lửa
Ngoài ra còn có các hệ thống phụ khác: hệ thống khí thải, các thành phần cảm biến…
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)
▪ Hệ thống điều khiển phun
▪ Các thiết bị phụ khác như: thùng nhiên liệu, lọc, bơm, van an toàn, các đường ống…
Trong động cơ GDI, nhiên liệu được phun trực tiếp vào buồng đốt trong kỳ nạp hoặc kỳ nén Để đảm bảo nhiên liệu được đưa vào buồng đốt trong kỳ nén, áp suất phun của kim phun cần phải lớn hơn áp suất không khí trong buồng đốt Đồng thời, để nhiên liệu hòa trộn tốt với không khí, áp suất phun cần phải vượt trội hơn áp suất trong buồng đốt Quá trình cung cấp nhiên liệu ảnh hưởng trực tiếp đến việc tạo ra hỗn hợp trong buồng đốt, và nếu không đáp ứng yêu cầu, sẽ dẫn đến hỗn hợp kém chất lượng, gây tiêu hao nhiên liệu và ô nhiễm 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 đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp dòng chảy thích hợp cho từng chế độ hoạt động của động cơ Việc phun nhiên liệu dưới dạng sương cần được thực hiện trong mọi điều kiện, và hệ thống GDI phải hỗ trợ ít nhất hai hoặc ba chế độ hoạt động khác nhau Nó cần thực hiện hai chức năng chính: phun trễ để nạp phân tầng ở chế độ tải nhỏ và phun nhiên liệu trong kỳ nạp để đạt được sự nạp đồng nhất ở chế độ toàn tải Tại chế độ tải nhỏ, khả năng phun sương tốt hoặc sự pha trộn hỗn hợp là rất quan trọng.
Việc tạo điều kiện cho sự hình thành hỗn hợp và kiểm soát sự phân tầng là rất quan trọng, đặc biệt trong chế độ toàn tải Một chùm phun nhiên liệu được phân tán tốt giúp đảm bảo khả năng nạp đồng nhất cho lượng nhiên liệu lớn, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động.
Buồng đốt của động cơ GDI được thiết kế với các vách dẫn hướng, giúp nhiên liệu phun vào va chạm với lớp không khí, tách ra thành từng lớp Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc bốc hơi và hòa trộn, từ đó tạo ra hỗn hợp nhiên liệu đồng nhất.
Để đưa nhiên liệu vào buồng đốt động cơ trong kỳ nén, hệ thống nhiên liệu cần đảm bảo áp suất phun lớn hơn áp suất không khí trong buồng đốt Áp suất phun yêu cầu phải cao để nhiên liệu có thể hòa trộn tốt với không khí, với áp suất xung quanh lên tới 1MPa vào cuối kỳ nén Việc xác định áp suất phun là rất quan trọng để đạt hiệu suất phun sương tốt Áp suất phun cao yêu cầu giảm đường kính vòi phun, trong khi áp suất thấp giúp giảm tổn thất bơm, thời gian mồi bơm và tiếng ồn Sử dụng áp suất phun rất cao, như 20MPa, có thể tăng cường tạo sương nhưng cũng có nguy cơ gây phun thâm nhập, làm ướt thành xilanh nếu áp suất quá thấp hoặc quá cao.
Dựa trên những phân tích đó, các điểm quan trọng liên quan đến hệ thống nhiên liệu 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 cơ GDI hiện tại
Tuổi thọ của bơm, tiếng ồn và chế độ mồi là các yếu tố quan trọng cần quan tâm khi áp suất trên 8.5MPa
2.2.1.2 Hệ thống phân phối và ổn định áp suất phun
Để kim phun hoạt động hiệu quả trong buồng đốt ở kỳ nén, áp suất nhiên liệu cần đạt từ 4.0 MPa đến 13.0 MPa Áp suất quá thấp sẽ dẫn đến hiện tượng nhiên liệu bốc hơi và hòa trộn không hiệu quả, trong khi áp suất quá cao có thể khiến nhiên liệu xuyên qua khối khí và va chạm với thành buồng đốt, gây ra những tác động tiêu cực.
Hệ thống common rail được thiết kế để bố trí các kim phun, đảm bảo tạo ra và duy trì áp suất cần thiết trong suốt quá trình hoạt động của kim phun.
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 phối nhiên liệu và đường hồi nhiên liệu vào bể chứa
Van điều chỉnh áp suất nhiên liệu có nhiệm vụ điều chỉnh áp suất nhiên liệu trong đường ống phân phối, đảm bảo phù hợp với từng chế độ hoạt động của động cơ.
Khi áp lực nhiên liệu quá cao được phát hiện thông qua cảm biến nhiệt độ và áp suất, van điều chỉnh áp suất nhiên liệu sẽ được kích hoạt bởi tín hiệu từ ECU Điều này tạo ra một từ trường trong cuộn dây từ tính, kết hợp với áp lực nhiên liệu, đẩy van bi ra khỏi vị trí Nhờ đó, dòng nhiên liệu hồi về sẽ thay đổi tùy theo kích thước tín hiệu, giúp điều chỉnh tỷ lệ nhiên liệu hồi về và 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 để duy trì áp suất nhiên liệu ổn định trong đường ống, bảo vệ các thành phần khỏi áp lực quá cao Van điều tiết áp lực nhiên liệu hoạt động nhờ lò xo, mở ra khi áp suất đạt 12 MPa.
Cảm biến áp suất nhiên liệu
Hình 2.21: Cấu tạo cảm biến áp suất nhiên liệu
Cảm biến áp suất nhiên liệu có vai trò quan trọng trong việc phát hiện áp suất nhiên liệu trong ống phân phối Dựa trên thông tin này, ECU sẽ điều chỉnh để duy trì áp suất quy định phù hợp với điều kiện lái xe Nếu áp suất nhiên liệu thấp hơn mức dự kiến, thời gian mở vòi phun sẽ được kéo dài để đảm bảo hiệu suất động cơ.
▪ Tín hiệu điện áp mà cảm biến truyền tới ECU:
Hình 2.22: Tính hiệu điện áp cảm biến
Việc kiểm soát chính xác áp suất của ống là yếu tố quan trọng để đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả Do đó, cảm biến áp suất ống cần có sai số nhỏ trong quá trình đo, với độ chính xác khoảng 2% trong dải hoạt động của động cơ Nếu cảm biến áp suất ống gặp sự cố, van điều khiển áp suất sẽ hoạt động dựa trên giá trị 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 nhiên liệu, 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, trong khi van một chiều đóng lại khi bơm dừng nhằm duy trì áp suất trong đường ống, giúp khởi động động cơ dễ dàng hơn Nếu không có áp suất dư, hiện tượng khoá hơi có thể xảy ra ở nhiệt độ cao, gây khó khăn khi khởi động lại Van an toàn sẽ mở ra khi áp suất ở cửa ra vượt quá mức cho phép Bơm này cung cấp áp suất nhiên liệu cho bơm cao áp đạt 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 piston hình tròn, được điều khiển bởi đầu vào trục cam, là loại bơm chính trong hệ thống Ba bơm được bố trí cách nhau 120 ° giúp duy trì áp lực biến đổi trong đường ống phân phối nhiên liệu ở mức tối thiểu Nhiệm vụ chính của bơm nhiên liệu áp suất cao là nâng cao áp suất nhiên liệu lên đến 10MPa trong hệ thống nhiên liệu áp suất cao.
Hình 2.25: Cấu tạo bơm 3 piston