GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG PHUN XĂNG TRỰC TIẾP
Cơ sở khoa học của phun xăng trực tiếp
Do tình trạng cạn kiệt tài nguyên nhiên liệu và các tiêu chuẩn khí thải ngày càng nghiêm ngặt, các nhà khoa học toàn cầu đang nỗ lực nghiên cứu giải pháp tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm khí thải từ động cơ đốt trong Trong số nhiều biện pháp được đề xuất, động cơ GDI (Gasoline Direct Injection) đã trở thành một trong những giải pháp thành công nhất hiện nay.
Động cơ GDI (Phun nhiên liệu trực tiếp) có khả năng tạo ra hỗn hợp tối ưu trong buồng đốt, cho phép kiểm soát chính xác lượng nhiên liệu trong mỗi chu trình hoạt động Điều này giúp khắc phục nhược điểm của phương pháp phun nhiên liệu trên ống nạp, nơi nhiên liệu có thể bám vào thành ống.
Động cơ GDI, nhờ vào công nghệ phun nhiên liệu trực tiếp và cấu trúc buồng đốt tối ưu, có khả năng hoạt động với hỗn hợp hòa khí loãng Điều này giúp đảm bảo quá trình cháy diễn ra sạch sẽ, tối ưu hóa việc tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu nồng độ khí thải ô nhiễm.
Động cơ GDI có tỷ số nén cao hơn động cơ MPI, dẫn đến công suất lớn hơn 10% so với động cơ MPI cùng dung tích xy lanh Hệ thống tăng áp của động cơ GDI được thiết kế hoàn thiện hơn, cho phép hoạt động hiệu quả với hỗn hợp cực nghèo.
Hệ thống phun xăng trực tiếp (GDI) yêu cầu áp suất phun cao hơn nhiều so với phun đa điểm (MPI) do nhiên liệu được phun trực tiếp vào buồng đốt Kim phun cần phải chịu được điều kiện khắc nghiệt trong buồng đốt, trong khi hệ thống điều khiển phun nhiên liệu trở nên phức tạp hơn do hỗn hợp nhiên liệu tạo ra Để đạt được sự cháy hiệu quả, xăng và không khí phải được hòa trộn đúng cách và thời điểm phun phải chính xác, giúp nén hỗn hợp nhiên liệu giữa các cực của bougie đúng lúc đánh lửa Công nghệ GDI mang lại khả năng điều khiển chính xác hỗn hợp nhiên liệu, tối ưu hóa hiệu suất động cơ.
Yêu cầu chung
+ Động cơ GDI giúp giảm tiêu hao nhiên liệu và thân thiện với môi trường hơn nhưng phải đảm bảo tăng hiệu suất động cơ và độ bền cao
+ Do đặc điểm phun trực tiếp vào buồng đốt nên hệ thống cung cấp nhiên liệu của động cơ GDI phải tạo ra áp suất nhiên liệu lớn
Hệ thống điều khiển phun nhiên liệu yêu cầu độ chính xác cao để tính toán thời gian phun hợp lý trong từng chế độ hoạt động, nhằm đảm bảo việc hình thành hỗn hợp hòa khí đạt hiệu quả tối ưu.
+ Việc kiểm soát khí xả phải được thực hiện nghiêm ngặt vì lượng NOx sinh ra do hỗn hợp nghèo là khá cao.
Đặc điểm của động cơ GDI
1.5.1 Những đặc tính kỹ thuật của hệ thống GDI
Đường ống nạp thẳng góc với piston giúp tối ưu hóa lưu lượng gió, cho phép không khí di chuyển trực tiếp vào đỉnh piston Điều này tạo ra lốc xoáy mạnh mẽ, tạo điều kiện lý tưởng cho việc phun nhiên liệu vào động cơ.
+ Hình dạng piston lồi, lõm tạo thành buồng cháy tốt nhất, tạo được hỗn hợp hòa khí tối ưu nhất
+ Bơm xăng cao áp cung cấp xăng có áp suất cao đến kim phun và phun trực tiếp vào xy lanh động cơ
+ Kim phun nhiên liệu có áp suất phun cao (khoảng chừng 5 - 10MPa), chuyển động xoáy lốc kết hợp với không khí tạo thành hòa khí hoàn hảo
+ 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 MPI hiện nay)
1.5.2 Những đặc tính riêng biệt của hệ thống GDI
Tiêu thụ nhiên liệu được tối ưu hóa, mang lại hiệu suất cao hơn nhờ vào thời điểm phun được tính toán chính xác, đáp ứng sự thay đổi tải trọng của động cơ Việc định lượng xăng phun vào các xy lanh khi khởi động cũng chính xác hơn, giúp động cơ khởi động dễ dàng hơn trong điều kiện nguội.
Trong chế độ tải trung bình và khi xe hoạt động trong thành phố, nhiên liệu được phun ra vào cuối kỳ nén, tương tự như động cơ diesel, dẫn đến việc hỗn hợp nhiên liệu trở nên loãng hơn rất nhiều.
+ Ở chế độ toàn tải nhiên liệu được phun ra ở cuối kỳ nạp nhằm cung cấp được một hỗn hợp đồng nhất để đạt được hiệu suất cao nhất
1.5.3 Ưu nhược điểm của hệ thống GDI
Động cơ phun xăng trực tiếp GDI có tỉ số nén cao hơn so với động cơ phun xăng đa điểm thông thường, dẫn đến áp suất nén cũng được nâng cao.
Phun nhiên liệu trực tiếp với áp suất cao giúp nhiên liệu trở nên tơi hơn, hạt nhỏ mịn và dễ bốc hơi, từ đó hấp thụ nhiệt lượng và giảm nhiệt độ khí nạp Nhiệt độ khí nạp thấp góp phần tăng lượng không khí nạp vào, nâng cao hiệu suất nạp và cải thiện hiệu suất động cơ từ 6% đến 14% Hơn nữa, việc giảm nhiệt độ khí nạp còn hạn chế hiện tượng kích nổ, điều này rất quan trọng đối với động cơ có tỉ số nén cao.
+ Hiệu quả quét sạch khí cháy được cải thiện nhờ tăng góc trùng điệp xupap
Nhiệt độ khí xả tăng nhanh giúp rút ngắn thời gian nung nóng bầu xúc tác, từ đó giảm đáng kể khí thải độc hại ra môi trường Việc đốt cháy nhiên liệu gần như đạt hiệu suất tối ưu giúp giảm khí thải độc hại lên đến 50%.
+ Tăng công suất động cơ và mô men trong khi kích thước động cơ nhỏ hơn
+ Hiệu suất động cơ cao giúp tính kinh tế nhiên liệu tăng từ 8% đến 22%
+ Số lượng và thành phần hòa khí vào các xy lanh đồng đều hơn nhờ đó trong điều kiện sử dụng có thể dùng hòa khí nhạt hơn
+ Động cơ hoạt động tốt ở mọi điều kiện thời tiết, địa hình
Hệ số nạp của động cơ lớn hơn do việc giảm mức độ sấy nóng trên đường nạp Khi phun nhiên liệu trực tiếp vào xy lanh, khối lượng không khí nạp sẽ tăng lên đáng kể.
+ Chỉ có lợi khi chạy ở tải vừa và nhỏ, khi chạy toàn tải thì hỗn hợp khá đậm
+ Tăng tải điện cho kim phun
+ 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 và không khí, bảo dưỡng sửa chữa phức tạp
Do nhiên liệu được phun vào buồng đốt, áp suất phun cần phải lớn hơn nhiều so với kiểu phun trên đường ống nạp Kết cấu kim phun phải đáp ứng các điều kiện khắc nghiệt của buồng cháy, và hệ thống điều khiển phun cũng phức tạp hơn Vật liệu sử dụng cho piston và xy lanh cần có độ bền cao do nhiệt độ sinh ra trong quá trình cháy rất lớn.
+ Cần đến nhiều công cụ hỗ trợ, các dụng cụ chuyên dùng trong quá trình sửa chữa bảo dưỡng động cơ
CHƯƠNG 2: CẤU TẠO HỆ THỐNG 2.1 Cấu tạo chung
Động cơ GDI có cấu tạo tương tự như động cơ MPI, nhưng buồng đốt, hệ thống cung cấp nhiên liệu và điều khiển động cơ phức tạp hơn Quá trình kiểm soát khí xả cũng nghiêm ngặt hơn nhờ vào bộ xúc tác kép, giúp xử lý khí thải hiệu quả khi động cơ hoạt động ở chế độ cực nghèo.
Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống phun xăng trực tiếp
1 Bộ điều khiển ECU 2 Bơm áp suất cao
3 Bướm ga điện tử 4 Kim phun trực tiếp
5 Ống phân phối nhiên liệu 6 Cảm biến A / F
7 Bộ xúc tác xử lý khí thải 8 Cảm biến O 2
2.2 Hệ thống cung cấp nhiên liệu của động cơ phun xăng trực tiếp
Hệ thống cung cấp nhiên liệu của phun xăng trực tiếp bao gồm các bộ phận cơ bản như hệ thống phân phối và ổn định áp suất, bơm tiếp vận, bơm cao áp, kim phun, và hệ thống điều khiển phun Ngoài ra, còn có các thiết bị phụ như thùng nhiên liệu, lọc nhiên liệu, bơm nhiên liệu, van an toàn và các đường ống phân phối Trong động cơ GDI, nhiên liệu được đưa trực tiếp vào buồng đốt trong kỳ nạp hoặc kỳ nén, và để đảm bảo nhiên liệu vào buồng đốt trong kỳ nén, hệ thống nhiên liệu cần đạt áp suất phun lớn hơn áp suất không khí.
Trong quá trình nén của động cơ GDI, áp suất trong buồng đốt cần phải lớn hơn nhiều so với áp suất hiện tại để đảm bảo nhiên liệu được phun tơi và hòa trộn tốt với không khí Việc cung cấp nhiên liệu đạt yêu cầu là rất quan trọng, vì nếu không, sẽ dẫn đến hỗn hợp không đạt tiêu chuẩn, ảnh hưởng đến quá trình cháy, gây tiêu hao nhiên liệu và ô nhiễm môi trường.
Xăng được bơm từ thùng chứa qua đường ống áp suất thấp đến bơm cao áp, nơi nhiên liệu được nén với áp suất cao và dẫn đến ống phân phối Tại đây, nhiên liệu được phân phối đến các kim phun và phun vào xy lanh dưới sự điều khiển của ECU Nhiên liệu thừa từ bơm cao áp và ống phân phối sẽ được hồi trở lại thùng chứa.
2.3 Yêu cầu của hệ thống cung cấp nhiên liệu Để đưa được nhiên liệu vào buồng đốt động cơ trong kỳ nén, hệ thống cung cấp nhiên liệu phải đáp ứng được yêu cầu áp suất phun nhiên liệu của kim phun phải lớn hơn áp suất của 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
Hệ thống nhiên liệu của động cơ GDI cần cung cấp nhiên liệu chính xác, đảm bảo nhiên liệu phun vào buồng đốt được bốc hơi nhanh chóng và hòa trộn đều Với thiết kế có các vách dẫn hướng, nhiên liệu sẽ va chạm với không khí, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình bốc hơi và hòa trộn Hệ thống cũng phải đáp ứng yêu cầu tạo hỗn hợp phân lớp khi động cơ hoạt động ở chế độ tải nhỏ Để kim phun hoạt động hiệu quả trong kỳ nén, áp suất nhiên liệu cần đạt từ 4.0 MPa đến 13 MPa, tùy thuộc vào từng loại động cơ Các kim phun được bố trí trong hệ thống phân phối nhiên liệu, cần đảm bảo áp suất ổn định trong suốt quá trình hoạt động.
2.4 Yêu cầu của kim phun
Kim phun nhiên liệu của động cơ GDI được lắp đặt trực tiếp trong buồng đốt, đóng vai trò quan trọng trong việc xác định thời điểm và vị trí phun nhiên liệu Nó không chỉ quyết định lượng nhiên liệu cung cấp vào buồng đốt mà còn tạo ra tỷ lệ hỗn hợp chính xác, giúp hình thành vùng hỗn hợp đậm dễ cháy xung quanh bougie tại thời điểm đánh lửa Do đó, yêu cầu đối với kim phun GDI là rất cao.
+ Định lượng nhiên liệu chính xác (thường sai số là ± 2%)
+ Trong thời gian ngắn từ 0.9 đến 6.0 ms phải đưa được lượng nhiên liệu từ 5 đến 60 mg vào buồng đốt động cơ
+ Phân phối khối lượng phun nhiên liệu cần thiết cho các chế độ hoạt động khác nhau của động cơ
+ Lượng phun tối thiểu cho các lần phun chính và phun mồi
+ Tăng cường đáng kể khả năng phun sương
+ Ngăn rò rỉ nhiên liệu và áp suất trong xy lanh