Tìm hiểu hệ thống phun xăng trực tiếp

Trong đề tài này, phần trình bày chúng em chủ yếu trình bày về tìm hiểu kết cấu, hệ thống cung cấp nhiên liệu, hệ thống điều khiển động cơ các cảm tín hiệu đầu vào ra, cảm biến, cơ cấu c

Trang 1

SVTH: Nguyễn Anh Tài-Lê Nhật Hoàng i

LỜI CẢM ƠN

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh là niềm vinh dự và tự hào mỗi sinh viên Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh là một trong những trường đào tạo ngành Công Nghệ Kỹ Thuật Ô tô - Cơ khí Động Lực hàng đầu Việt Nam hiện nay Theo học ngành Công Nghệ Kỹ Thuật và học tập trong môi trường khoa Cơ Khí Động Lực của trường, em đã được tạo điều kiện tốt nhất về cơ sở vật chất cũng như nhận được sự giảng dạy nhiệt từ những thầy giàu kinh nghiệm như GVC.Ths Đỗ Quốc Ấm, GVC.Ths Nguyễn Kim, và cũng như các thầy khác trong khoa Những điều

đó đã giúp em rất nhiều trong quá trình học tập ở trường Và giờ đây, khi hoàn thành xong

đồ án tốt nghiệp, chúng em cảm thấy mình rút ra nhiều kinh nghiệm thực tế quý giá và tổng kết lại những kiến thức đã học

Hoàn thành đồ án tốt nghiệp này, chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn GVC.Ths Đỗ Quốc Ấm đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ chúng em rất nhiều trong suốt quá trình thực hiện Dưới sự hướng dẫn của tận tình của thầy, em đã làm quen

và hiểu thêm về hoạt động học tập và nghiên cứu khoa học, từ đó có cái nhìn tổng quát và sâu sắc hơn về những vấn đề em học tập trên lớp

Xin chân thành cảm ơn thầy cô phản biện đã dành thời gian và công sức để đọc và đóng góp những ý kiến quý báu giúp chúng em hoàn thiện nội dung của đồ án tốt nghiệp Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô khoa Cơ Khí Động Lực- Trường Đại Học

Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh và các bạn sinh viên lớp 131452 cùng gia đình bạn bè đã động viên, góp ý và giúp đỡ để thực hiện đồ án

Nhóm sinh viên thực hiện Nguyễn Anh Tài

Lê Nhật Hoàng

Trang 2

SVTH: Nguyễn Anh Tài-Lê Nhật Hoàng ii

TÓM TẮT

Ngành công nghiệp ô tô là một trong những ngành mũi nhọn ở các nước phát triển, ảnh hưởng lớn đến nền kinh tế toàn cầu Ngành công nghiệp ô tô ở nước ta phát triển còn khá non trẻ so với các nước phát triển, vì thế để đưa ngành công nghiệp ô tô đi lên, chúng

ta phải thực hiện các chính sách đi tắc đón đầu, học hỏi từ những nước phát triển Chúng

ta phải tìm con đường tiếp thu nhanh và hiệu quả nhất trong công tác đào tạo, giúp cho người học dễ dàng tiếp thu các kiến thức, kĩ thuật tiên tiến mà không tốn nhiều thời gian

Hệ thống điều khiển động cơ trong nhưng năm qua đã có những phát triển vượt bậc nhằm giải quyết những vấn đề về môi trường, về tăng công suất động cơ, giảm tiêu thụ nhiên liệu, tăng tính an toàn và tiện nghi trên ô tô

Trong đề tài này, phần trình bày chúng em chủ yếu trình bày về tìm hiểu kết cấu, hệ thống cung cấp nhiên liệu, hệ thống điều khiển động cơ các cảm tín hiệu đầu vào ra, cảm biến, cơ cấu chấp hành hệ thống điều khiển động cơ, các chế độ hoạt động chính, giúp cho người đọc có cái nhìn khái quát và hiểu rõ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ phun xăng trực tiếp

Trong quá trình thực hiện đề tài này, mặc dù có nhiều cố gắng nhưng không tránh khỏi những thiếu sót nên chúng em rất mong nhận được đóng góp và chỉ dẫn của quý thầy

cô

Trang 3

SVTH: Nguyễn Anh Tài-Lê Nhật Hoàng iii

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT ii

MỤC LỤC iii

BẢNG VIẾT TẮT v

DANH MỤC HÌNH ẢNH vii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Lý do chon đề tài 1

1.2 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1

1.3 Mục tiêu và nhiêm vụ nghiên cứu 1

1.4 Phương pháp nghiên cứu 2

1.5 Kế hoạch thực hiện 2

CHƯƠNG 2 ĐỘNG CƠ GDI 3

2.1 Giới thiệu động cơ GDI 3

2.1.1 Động cơ GDI là gì ? 3

2.1.2 Lịch sử hình thành động cơ GDI 4

2.1.3 Cơ sở khoa học của động cơ GDI 9

2.1.4 So sánh động cơ GDI với động cơ PFI 12

2.2 Cấu tạo hệ thống GDI 15

2.2.1 Hệ thống nhiên liệu 16

2.2.2 Cấu trúc buồng đốt và phương pháp hình thành hỗn hợp 25

2.2.3 Hệ thống điều khiển điện tử 38

2.2.4 Hệ thống đánh lửa 61

2.3 Đặc tính phun nhiên liệu 64

2.3.1 Đặc điểm phun 64

2.3.2 Yêu cầu về phun tơi nhiên liệu 65

Trang 4

SVTH: Nguyễn Anh Tài-Lê Nhật Hoàng iv

2.3.3 Phun một dòng xoáy lốc áp suất cao 67

2.4 Chế độ hoạt động của động cơ GDI 72

2.4.1 Phân tầng 73

2.4.2 Phun đồng nhất (phun sớm) 75

2.4.3 Quá trình chuyển đổi chế độ phun 77

2.4.4 Phun hai giai đoạn 79

2.4.5 Hệ thống GDI Bosch 84

2.5 Đặc tính cháy 86

2.5.1 Đặc tính cháy phân tầng 86

2.5.2 Đặc tính cháy đồng nhất 88

2.5.3 Ảnh hưởng của EGR đến đặc tính cháy 89

2.5.4 Góc phun hình nón 90

2.5.5 Giới hạn kích nổ 92

2.6 Vấn đề khí thải và tính kinh tế nhiên liệu 93

2.6.1 Tính kinh tế nhiên liệu 93

2.6.2 Vấn đề khí thải 98

CHƯƠNG 3 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 104

3.1 Kết luận 104

3.2 Kiến nghị 104

Trang 5

SVTH: Nguyễn Anh Tài-Lê Nhật Hoàng v

BẢNG VIẾT TẮT

ATDC (After top dead center): Sau điểm chết trên

BDC (Bottom dead center): Điểm chết dưới

BMEP (Brake mean effective pressure): Áp suất có ích trung bình

BSFC (Brake specific fuel consumption): Suất tiêu hao nhiên liệu có ích

BTDC (Before top dead center): Trước điểm chết trên

COV(Coefficient of variation): Hệ số biến đối

CVT(Continuously variable transmission) Hộp số vô cấp

DISC (Direct-injection stratified-charge): Phun nhiên liệu trực tiếp & phân lớp

DISI (Direct-injection spark-ignited) : Tên hệ thống GDI của Mazda

DV10 (Spray droplet size for which 10% of the fuel volume is in smaller droplets):

10% thể tích trong tia phun là hạt kích thước nhỏ

DV90 (Spray droplet size for which 90% of the fuel volume is in smaller droplets): 90%

thể tích trong tia phun là hạt kích thước nhỏ

ECU (Electric control unit): Bộ điều khiển điện tử

EFI (Electronic fuel ịnection): Phun xăng điện tử

EGR (Exhaust gas recirculation) : Hệ thống tuần hoàn khí xả

EOI (End of injection): Kết thúc phun

GDI (gasoline direct injection): Phun xăng trực tiếp

IMEP (Indicated mean effective pressure): Áp suất chỉ thị trung bình

ISFC (Indicated specific fuel consumption): Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị

Trang 6

SVTH: Nguyễn Anh Tài-Lê Nhật Hoàng vi

MBT (maximum brake torque): Công suất tối đa

MPI (Multi-point port injection ): Phun xăng đa điểm

PFI (Port fuel injection): Phun xăng trên đường ống nạp

SMD (Sauter mean diameter of a fuel spray): Đường kính hạt nhiên liệu

UBHC (Unburrn hydrocacbons): Hydrocacbon không cháy

VVT (Variable valve timing): Hệ thống điều khiển xu-pap

với góc mở biến thiên WOT (Wide of throttle): Bướm ga mở hết

Trang 7

SVTH: Nguyễn Anh Tài-Lê Nhật Hoàng vii

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1: Động cơ GDI 3

Hình 2 2: Mẫu xe Peugoet 404 và độn cơ của xe 5

Hình 2 3: Động cơ 6 xi lanh của Mercesdes-Benz 300SL 6

Hình 2 4: Dòng xe Galant Legnum của Mitsubishi 8

Hình 2 5: Động cơ Lupo 1.4L FSI 16 valve I4 105 HP và 2.0L FSI 16 valve turbo 8

Hình 2 6: Hệ thống buồng đốt MAN-FM 11

Hình 2 7: So sánh lượng nhiên liệu khí khởi động lạnh của GDI và PFI 12

Hình 2 8: Sự khác nhau giữa động cơ GDI và PFI 13

Hình 2 9: Sơ đồ hệ thống GDI 15

Hình 2 10: Hệ thống nhiên liệu động cơ GDI 17

Hình 2 11: Bơm tiếp vận 18

Hình 2 12: Bơm cao áp 19

Hình 2 13: Cấu trúc bơm cao áp 19

Hình 2 14: Hệ thống phân phối nhiên liệu 21

Hình 2 15: Kim phun 21

Hình 2 16: Kim phun một lỗ 23

Hình 2 17: Kim phun nhiều lỗ 23

Hình 2 18: Sơ đồ đầu vòi phun đa lỗ 24

Hình 2 19: Kim phun có sự hỗ trợ của dòng không khí 24

Hình 2 20: Hình dạng đầu piston 26

Hình 2 21: Mô hình vị trí xu-pap nạp thải bu-gi và kim phun của Ford 29

Hình 2 22: Giới hạn kích thước của xu-pap cho các lựa chọn vị trí kim phun bu-gi 30

Hình 2 23: Thiết kế buồng đốt khoảng hẹp với cuộn xoáy thích hợp để tạo quá trình nạp phân tầng 30

Hình 2 24: Cách hình thành hỗn hợp trong động cơ đốt trong 31

Hình 2 25: Nạp phân tầng và đồng nhất 32

Hình 2 26: Buồng đốt dạng Spray-guide 33

Hình 2 27: Sơ đồ bố trí buồng cháy động cơ GDI kim phun, bu-gi, 3 xu-pap 34

Hình 2 28: Sơ đồ bố trí buồng cháy động cơ GDI kim phun, bu-gi, 4 xu-pap 34

Trang 8

SVTH: Nguyễn Anh Tài-Lê Nhật Hoàng viii

Hình 2 29: Buồng đốt dạng wall-guide 35

Hình 2 30: Kết cấu buồng đốt wall-guide 36

Hình 2 31: Sơ đồ bố trí kim phun và bu-gi của buồng đốt Wall – Guide 36

Hình 2 32: Buồng đốt dạng Air-guide 37

Hình 2 33: Kết cấu buồng đốt kiểu Air – Guide 38

Hình 2 34: Cấu tạo cảm biến MAP 39

Hình 2 35: Sơ đồ nguyên lý cảm biến áp suất đường ống nạp 40

Hình 2 36: Mạch điện cảm biến áp suất đường ống 40

Hình 2 37: Đặc tính điện áp của cảm biến MAP 41

Hình 2 38: Cấu tạo cảm biến ống rail Hình 2 39: Dạng cảm biến ống rail 41

Hình 2 40: Màng áp trở trong cảm biến ống rail 42

Hình 2 41: Mối quan hệ P-V trong cảm biến áp suất ống rail 43

Hình 2 42: Vị trí đặt cảm biến G 43

Hình 2 43: Hình dáng và vị trí cảm biến vị trí trục cam 44

Hình 2 44: Cấu tạo cảm biến vị trí trục cam 44

Hình 2 45: Dạng sóng tín hiệu 45

Hình 2 46: Sơ đồ mạch cảm biến vị trí trục cam 45

Hình 2 47: Cấu tạo cảm biến vị trí trục khuỷu 46

Hình 2 48: Dạng sóng tín hiệu NE 46

Hình 2 49: Sơ đồ mạch cảm biến vị trí trục khuỷu 46

Hình 2 50: Sơ đồ mạch điện và dạng sóng tín hiệu G, NE 47

Hình 2 51: Hình dáng cảm biến vị trí bướm ga 47

Hình 2 52: Mạch điện của TPS trong hệ thống ETCS-i 48

Hình 2 53: Hình dáng và vị trí cảm biếm bàn đạp ga 49

Hình 2 54: Sơ đồ nguyên lý hoạt động bàn đạp ga 50

Hình 2 55: Đường đặc tuyến bàn đạp ga 50

Hình 2 56: Hình dáng cảm biến nhiệt độ nước làm mát 51

Hình 2 57: Sơ đồ mạch điện cảm biến nhiệt nước làm mát 51

Hình 2 58: Cảm biến nhiệt độ nước làm mát 52

Hình 2 59: Mạch điện và đặc tính cảm biến nhiệt độ nước làm mát 52

Hình 2 60: Hình dáng cảm biến nhiệt độ khí nạp 53

Trang 9

SVTH: Nguyễn Anh Tài-Lê Nhật Hoàng ix

Hình 2 61: Cấu tạo cảm biến nhiệt độ khí nạp 53

Hình 2 62: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa nhiệt độ không khí và điện trở của cảm biến nhiệt độ khí nạp 54

Hình 2 63: Sơ đồ mạch điện cảm biến nhiệt nước làm mát 54

Hình 2 64: Cấu tạo cảm biến ôxy 55

Hình 2 65: Đặc tính của cảm biến ôxy 56

Hình 2 66: Bộ sấy của cảm biến oxy 57

Hình 2 67: Hình dáng và vị trí cảm biến kích nổ 57

Hình 2 68: Cách bố trí của cảm biến kích nổ 58

Hình 2 69: Cấu tạo cảm biến kích nổ 58

Hình 2 70: Đồ thị biểu diễn tần số kích nổ 59

Hình 2 71: Sơ đồ điều khiển hoạt động của ECU 60

Hình 2 72: Sơ đồ mạch hệ thống đánh lửa 62

Hình 2 73: Dạng xung tín hiệu của IGT và IGF 63

Hình 2 74: Xung điều khiển đánh lửa 63

Hình 2 75: Mạch xác nhận tín hiệu đánh lửa IGF 64

Hình 2 76: So sánh đặc tính phun của 2 loại kim phun lỗ và xoáy lốc 66

Hình 2 77: Sơ đồ kim phun xoáy lốc 67

Hình 2 78: Sơ đồ đặc tính phun của kim phun xoáy lốc 69

Hình 2 79: Sơ đồ và đặc tính kim phun của động cơ GDI Toyota 70

Hình 2 80: Hiệu quả của áp suất ống phân phối đến sự cải thiện tính kinh tế nhiên liệu của động cơ GDI Toyota 71

Hình 2 81: Chuyển động của dòng không khí trong tia nhiên liệu với áp suất xung quanh là 0.1atm 72

Hình 2 82: Bản đồ hoạt động cơ bản của động cơ GDI 72

Hình 2 83: So sánh hiệu suất động cơ GDI ở ba chế độ hoạt động 74

Hình 2 84: Bản đồ hoạt động của động cơ Toyota GDI 77

Hình 2 85: Kiểm soát không khí và nhiên liệu trong quá trình chuyển đổi chế độ của động cơ Mitsubishi GDI 78

Hình 2 86: Ảnh hưởng của quá trình phun hai giai đoạn đến BSFC và phát thải khói trong động cơ GDI của Toyota trong quá trình chuyển đổi chế độ phun 80

Trang 10

SVTH: Nguyễn Anh Tài-Lê Nhật Hoàng x

Hình 2 87: Sơ đồ của quá trình hình thành bồ hóng và cơ chế oxy hóa trong hỗn

hợp phân tầng 82

Hình 2 88: Bướm ga phụ trong động cơ GDI 83

Hình 2 89: Các vị trí của bướm ga phụ trong động cơ 2.0 lit FSI của Audi 84

Hình 2 90: Bướm ga phụ ở vị trí khép kín 85

Hình 2 91: So sánh đặc tính cháy của động cơ GDI và PFI 87

Hình 2 92: Ảnh quá trình cháy phân tầng 88

Hình 2 93: Ảnh hưởng của góc phun hình nón 90

Hình 2 94: Ảnh hưởng của góc hình nón đến hiệu suất và khí thải 91

Hình 2 95: Xu hướng kích nổ của động cơ khi tăng tốc 92

Hình 2 96: So sánh công suất và moment của GDI và MPI 93

Hình 2 97: So sánh hiệu suất nạp của GDI và MPI 94

Hình 2 98: Ảnh hưởng của tỉ số nén đến yêu cầu chỉ số octane của động cơ GDI và PFI 95

Hình 2 99: So sánh khả năng tăng tốc của GDI và MPI 95

Hình 2 100: So sánh suất tiêu hao nhiên liệu của GDI và PFI 96

Hình 2 101: Quan hệ giữa momen và mức tiêu hao nhiên liệu giữa 97

Hình 2 102: So sánh tính kinh tế nhiên liệu của các lại động cơ 97

Hình 2 103: So sánh về mức phát thải NOx trong khí thải 99

Hình 2 104: Cấu tạo của hệ thống EGR 100

Hình 2 105: Motor bước điều khiển van EGR 101

Hình 2 106: Hệ thống khí thải của GDI 102

Trang 11

Động cơ phun xăng trực tiếp được cho là một giải pháp tốt nhất trên động cơ sử dụng xăng hiện nay Nó đã được các nhà sản xuất ô tô hàng đầu trên thế giới nghiên cứu phát triển và đã được ứng dụng tương đối rộng rãi trong thời gian gần đây

Cùng với sự phát triển của ngành ô tô trong nước, việc tìm hiểu các công nghệ mới là điều cần thiết Nó giúp chúng ta tiếp cận được những kiến thức chuyên môn mới cho sinh viên Vì thế chúng em sin thực hiện đề tài “TÌM HIỂU HỆ THỐNG PHUN XĂNG TRỰC TIẾP” để góp phần nhỏ vào nền tảng kiến thức chuyên ngành ô tô Việt Nam

1.2 Đối tượng phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là giới thiệu động cơ phun xăng trực tiếp điều khiển bằng điện tử Tuy nhiên do những hạn chế về kiến thức cũng như thời gian nên đề tài chỉ dừng lại ở mức tìm hiểu kết cấu hệ thống nhiên liệu, hệ thống điều khiển điện tử của động cơ và tìm hiểu cơ bản về cách thức hoạt động của động cơ này Trên cơ sở này giúp người đọc phát triển chuyên sâu thêm về chuyên đề này trong tương lai

1.3 Mục tiêu và nhiêm vụ nghiên cứu

Mục tiêu:

•Tìm hiểu và xây dựng kiến thức về kết cấu và đặc điểm của động cơ phun xăng trực tiếp

Nhiệm vụ:

•Làm tài liệu tham khảo

•Góp phần vào nền tảng kiến thức chuyên môn về động cơ phun xăng trực tiếp

Trang 12

SVTH: Nguyễn Anh Tài-Lê Nhật Hoàng 2

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Để hoàn thành đề tài chúng em đã kết hợp nhiều phương pháp nghiên cứu nhất là phương pháp tham khảo tài liệu, thu thập thông tin từ internet Tham khảo kiến thức từ thầy cô và những người có kinh nghiệm chuyên môn Trên cơ sở đó để chúng em hình thành đề cương và hoàn thành đề tài

1.5 Kế hoạch thực hiện

• Thu thập tài liệu từ internet, sách tham khảo, thư viện

• Phân tích nghiên cứu tài liệu dựa trên yêu cầu của đề tài

• Tham khảo ý kiến giáo viên hướng dẫn

• Chọn lọc sắp xếp kiến thức

• Viết thuyết minh và soạn bài trình chiếu

• Hướng dẫn, chỉnh sửa của giáo viên hướng dẫn

• Hoàn thiện đề tài

• Báo cáo

Trang 13

CHƯƠNG 2 ĐỘNG CƠ GDI

2.1 Giới thiệu động cơ GDI

2.1.1 Động cơ GDI là gì ?

Động cơ GDI là động cơ đốt trong phun nhiên liệu vào trong buồng đốt có tên gọi

là động cơ phun xăng trực tiếp Gasoline direct injection (GDI) hay đánh lửa phun xăng trực tiếp spark-ignited direct injection (SIDI) và phun nhiên liệu phân tầng fuel stratified injection (FSI)

Hình 2.1: Động cơ GDI

Trang 14

2.1.2 Lịch sử hình thành động cơ GDI

Vào cuối thế kỷ 19 một kỹ sư người Pháp ông Stévaan đã nghĩ ra cách phân phối nhiên liệu khi dùng một máy nén khí Sau đó một thời gian người Đức đã cho phun nhiên liệu vào buồng đốt, nhưng việc này không đạt được hiệu quả cao nên không được thực hiện

Đến năm 1887 người Mỹ đã có đóng góp to lớn trong việc khai triển hệ thống phun xăng vào sản xuất, áp dụng trên động cơ tĩnh tại

Đầu thế kỷ 20, người Đức áp dụng hệ thống phun xăng trên động cơ 4 thì tỉnh tại (nhiên liệu dùng trên động cơ máy là dầu hoả nên hay bị kích nổ và hiệu suất rất thấp), với

sự đóng góp này đã đưa ra một công nghệ chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu máy bay ở Đức

Từ đó trở đi, hệ thống phun xăng được áp dụng trên các ô tô ở Đức và nó đã thay dần động cơ sử dụng chế hoà khí Hãng BOSCH đã áp dụng hệ thống phun xăng trên ô tô hai thì bằng cách cung cấp nhiên liệu với áp lực cao và sử dụng phương pháp phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng đốt nên giá thành chế tạo cao và hiệu quả lại thấp với kỹ thuật này

đã được ứng dụng trong thế chiến thứ II

Việc nghiên cứu ứng dụng hệ thống phun xăng bị gián đoạn trong một khoảng thời gian dài do chiến tranh, đến 1962 người Pháp phát triển nó trên ô tô Peugeot 404 Họ điều khiển sự phân phối nhiên liệu bằng cơ khí nên hiệu quả không cao và công nghệ vẫn chưa đáp ứng tốt Đến năm 1966 hãng BOSCH đã thành công trong việc chế tạo hệ thống phun xăng cơ khí Trong hệ thống này nhiên liệu được phun liên tục vào trước xu-pap nạp nên

có tên là K-Jetronic (K- konstant-liên tục, Jetronic-phun) K-jetronic được đưa vào sản xuất

và ứng dụng trên các xe của Hãng Mercedes và một số xe khác, là nền tảng cho việc phát triển hệ thống phun xăng thế hệ sau này

Trang 15

Hình 2 2: Mẫu xe Peugoet 404 và động cơ của xe

Vào năm 1981 hệ thống K-jetronic được cải tiến thành hệ thống KE-Jetronic và nó được sản xuất hàng loạt vào năm 1984 và được trang bị trên các xe của hãng Mescedes

Dù đã được thành công lớn trong ứng dụng hệ thống K-Jetronic và KE-Jetronic trên

ô tô, nhưng các kiểu này có khuyết điểm là bão dưỡng sữa chữa khó và giá thành chế tạo rất cao Vì vậy các kỹ sư đã không ngừng nghiên cứu và đưa ra các loại khác như Mono-jetronic, L-Jetronic, Motronic

Đến năm 1984 người Nhật mua bản quyền của hãng BOSCH đã ứng dụng hệ thống phun xăng L-Jetronic và D-jetronic trên các xe của hãng Toyota gọi là EFI (Electronic Fuel Injection) Đến năm 1987 hãng Nissan dùng L-Jetronic thay cho bộ chế hoà khí của xe Nissan sunny Song song với việc phát triển của hệ thống phun xăng, hệ thống điều khiển đánh lửa theo chương trình ESA (Electronic Spane Advance) cũng đã được sử dụng vào những năm đầu thập kỹ 80 và loại tích hợp, tức điều khiển cả phun xăng và đánh lửa của Hãng BOSCH đặt tên là Motronic

Trang 16

Vào năm 1955, Mercedes – Benz đầu tiên ứng dụng phun xăng trực tiếp vào buồng cháy của động cơ 6 xi lanh (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

Hình 2 3: Động cơ 6 xi lanh của Mercesdes-Benz 300SL

Mãi đến năm 1996, với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật điện tử, động cơ xăng ứng dụng phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng đốt được Mitsubishi Motors đưa trở lại thị trường tại Nhật với tên mới đó là GDI (Gasoline direct injection), và tiếp theo đó nó xuất hiện tại châu Âu vào năm 1998 Mitsubishi đã áp dụng kỹ thuật này sản xuất hơn 400.000 động cơ cho dòng xe 4 chỗ đến trước năm 1999

Tiếp theo sau, là hàng loạt các hãng nổi tiếng như PSA Peugeot Citron, Daimler Chrysler (với sự cho phép của Mitsubishi) cũng đã áp dụng kỹ thuật này cho dòng động cơ của mình vào khoảng năm 2000 – 2001 Volkswagen/Audi cũng cho ra mắt động cơ GDI

Trang 17

vào năm 2001 nhưng dưới tên gọi FSI (Fuel Stratified Injection) BMW không chịu thua kém đã cho ra đời động cơ GDI V12

Các nhà sản xuất 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 phải từ bỏ việc tạo hỗn hợp ngoài động cơ để chuyển sang tạo hỗn hợp trong buồng đốt và đã ra mắt thị trường với động cơ 2GR – FSE V6 vào đầu năm 2006

Xu hướng phát triển của các nhà sản xuất ô tô hiện nay là nghiên cứu hoàn thiện quá trình hình thành hỗn hợp cháy để đạt được sự cháy kiệt, tăng tính kinh tế nhiên liệu và giảm được hàm lượng độc hại của khí xả thải ra môi trường Công nghệ phun nhiên liệu trực tiếp GDI (Gasoline Direct Injection) là một giải pháp Bộ chế hòa khí giờ đã trở nên lạc hậu Vào những năm 70 của thế kỷ trước, việc hình thành hỗn hợp khí trong động cơ xăng vẫn được thực hiện nhờ bộ chế hoà khí, còn đối với động cơ Diesel được thực hiện nhờ bộ bơm cao áp kim phun kiểu Bosch Đến nay, thời của chế hoà khí ngự trị đã qua từ lâu, và ngay cả hệ phun xăng điện tử kiểu cũ (phun xăng đơn điểm) cũng lùi vào dĩ vãng Kiểu phun xăng điện tử đa điểm với mỗi xi lanh một vòi phun và phun vào ngay phía trước họng xu-pap nạp đã lên ngôi và đang dần trở nên phổ thông, kể cả ở các xe trung bình chứ không chỉ có trên các xe cao cấp như trước kia

Tuy nhiên, vào năm 1996 hãng Mitsubishi lần đầu tiên giới thiệu kiểu phun xăng trực tiếp vào buồng cháy GDI trên dòng xe Galant Legnum, và là một bước tiến kỳ diệu trong việc nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu Với công nghệ GDI, khi động cơ hoạt động ở chế độ tải trọng nhỏ hỗn hợp xăng và không khí được hòa trộn ở trạng thái loãng tới mức khó tưởng tượng, còn khi ở chế độ tải trọng trung bình và lớn thì xăng được phun vào buồng cháy làm hai lần: Lần phun đầu tiên gọi là lần phun mồi được phun ở đầu quá trình nạp, còn lần phun chính được thực hiện ở cuối quá trình nén

Trang 18

Hình 2 4: Dòng xe Galant Legnum của Mitsubishi

Kể từ 1998, động cơ GDI được sản xuất tương đối rộng rãi với nhiều dòng như: -Toyota: dùng hệ thống GDI D4 với động cơ SZ, NZ, 1AZ-FSE, 3GR-FSE (trên Lexus GS300) Đặc biệt với động cơ 2GR-FSE V6 (trên Lexus IS 350) dùng công nghệ phun nhiên liệu tiên tiến hơn đó là kết hợp giữa phun trực tiếp và phun gián tiếp trên cùng một

xi lanh (một kim phun gián tiếp kiểu cũ với áp suất thấp và một kim phun trực tiếp áp suất cao), hệ thống này được gọi là D-4S

Renault: Động cơ 2.0 IDE (Injection Direct Essence) lắp trên xe Megane, Laguna Volkswagen gọi công nghệ GDI là FSI (Fuel Stratified Injection) với các dòng động

cơ : Lupo 1.4L FSI 16 soupape I4 105 HP, 2.0L FSI 16 soupape turbo tăng áp, Về sau

xu thế của Volkswagen khi sản xuất là dùng công nghệ FSI

Hình 2 5: Động cơ Lupo 1.4L FSI 16 valve I4 105 HP và 2.0L FSI 16 valve turbo

Trang 19

SVTH: Nguyễn Anh Tài-Lê Nhật Hồng 9

PSA Peugeot Citroën (cịn gọi cơng nghệ GDI là HPi), với dịng động cơ : EW10D 2.0L 16 soupape 140 HP mua bản quyền cơng nghệ từ Mitsubishi Motor, lắp trên xe Citroën C5 và Peugeot 406

Alfa Romeo (gọi GDI là JTS –Jet Thrust Stoichiometric) ứng dụng cơng nghệ này cho hầu hết các động cơ của Alfa

BMW ban đầu ứng dụng cơng nghệ GDI cho động cơ N73 V12, tuy nhiên cịn nhiều khiếm khuyết như áp suất phun nhiên liệu thấp, khơng thể đưa động cơ về chế độ nghèo xăng Về sau hãng khắc phục bằng động cơ N52 I6 Động cơ N52 I6 được PSA hợp tác với BMW lắp trên xe Mini Cooper S

GM với động cơ : Ecotec 2.2L 155 HP lắp trên xe Opel, Vauxhall Vectra, Signum 2.0L Ecotec kết hợp với cơng nghệ VVTi cho New Opel GT, Pontiac Solstice GXP, Saturn Sky Red Line, xe thể thao Chevrolet Cobalt, Chevrolet HHR Động cơ 3.6L LLT lắp trên Cadillac STS, Cadillac CTS

Mercedes – Benz (gọi GDI là CGI), phát triển động cơ dùng cơng nghệ GDI và lắp trên CLS 350

Mazda (gọi là DISI – Direct Injection Spark Ignition), với các động cơ lắp trên Mazda

6, Mazda 3, xe thể thao Mazda CX-7

Theo các chuyên gia đánh giá, loại động cơ GDI giúp tiết kiệm được 15% nhiên liệu

so với động cơ phun xăng điện tử EFI thơng thường Tuy vậy, động cơ GDI cũng phải giải quyết một số vấn đề nan giải: Do nhiệt độ quá trình cháy tăng nhanh nên hàm lượng ơxit nitơ trong khí xả khá lớn, do đĩ phải sử dụng bộ xử lý khí xả (Catalyser) nhiều thành phần

để tách NO2 thành khí nitơ và ơxi để giải quyết vấn đề ơ nhiễm mơi trường Động cơ phun xăng trực tiếp cịn thường sử dụng đồng thời với các kỹ thuật khác như VVT, VVT-i, luân hồi khí xả EGR… để đạt hiệu quả kinh tế và mơi trường cao

2.1.3 Cơ sở khoa học của động cơ GDI

Hiện nay sự tăng giá đột biến của xăng dầu, và tiêu chuẩn về khí thải của động cơ ơtơ ngày càng khắt khe buộc các nhà khoa học trên thế giới khơng ngừng nghiên cứu tìm

ra biện pháp nhằm tiết kiệm nhiên liệu kèm theo giảm khí thải ở động cơ đốt trong Nhiều giải pháp được đưa ra, một trong những giải pháp được xem là thành cơng nhất hiện nay

Trang 20

(áp dụng cho động cơ sử dụng nhiên liệu xăng) đó là cho ra đời động cơ GDI (hỗn hợp được tạo bên trong buồng đốt của động cơ, với sự nạp và cháy phân lớp)

So sánh giữa động cơ sử dụng nhiên liệu xăng (tạo hỗn hợp bên ngoài) và động cơ

sử dụng nhiên liệu Diesel (tạo hỗn hợp bên trong buồng đốt) ta thấy rằng: cùng một công suất phát ra nhưng suất tiêu hao nhiên liệu ở động cơ Diesel thấp hơn đối với động cơ xăng Một phần là do đặc tính của nhiên liệu khác nhau, nhưng cái chính ở đây là quá trình tạo hỗn hợp và đốt cháy hỗn hợp của 2 loại động cơ này rất khác biệt nhau Tuy nhiên, chúng

ta chưa thể ứng dụng động cơ Diesel cho xe du lịch được là vì động cơ này có một số nhược điểm: tiếng ồn ở động cơ này cao so với động cơ xăng, khả năng tăng tốc của động cơ này thấp hơn động cơ xăng, và đặc biệt là khí thải ở động cơ này cao hơn đối với động cơ xăng

Gần ba thập kỷ nay, người ta luôn tìm cách kết hợp những ưu điểm của động cơ xăng và Diesel để có thể cho ra đời một loại động cơ mới có thể đáp ứng được các nhu cầu

về khí thải, suất tiêu hao nhiên liệu, 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 có các

ưu điểm: hỗn hợp được tạo bên trong buồng đốt, cũng nhờ vào sự tạo hỗn hợp này mà động

cơ Diesel có thể hoạt động khi hệ số dư lượng không khí (λ) từ 1.4 – 1.8 (cũng là nguyên nhân nồng độ NOx ở khí thải của động cơ Diesel cao hơn của động cơ xăng) Do đặc tính của hai nhiên liệu khác nhau nên quá trình hình thành tâm cháy cũng khác nhau, vì vậy động cơ xăng PFI (Port Fuel Injection) không thể hoạt động với tỷ lệ (λ) như trên Vấn đề đặt ra cần phải có một phương pháp tạo hỗn hợp khác với phương pháp PFI

Trang 21

Hình 2 6: Hệ thống buồng đốt MAN-FM

Hình 2.6 Hệ thống buồng đốt MAN – FM Dựa trên cơ sở của các kiểu buồng cháy MAN – FM (Maschinenfabrik Auguburg – Nurnberg), PROCO (Ford programmed combustion control), hệ thống điều khiển TCCS (Texaco Controlled Combustion System) các nhà nghiên cứu cho ra đời kiểu buồng cháy phun nhiên liệu trực tiếp & phân lớp đầu tiên (DISC: direct – injection, stratified – charge) Với kiểu buồng cháy này, động cơ có thể hoạt động được khi tỷ lệ A/F vào khoảng 20:1 Đây quả là một bước tiến nhảy vọt cho động cơ xăng, và là tiền đề cho các thế hệ sau của động cơ 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 bộ chế hòa khí, và ưu điểm vượt trội của loại động cơ xăng PFI mà chúng

ta đã biết Cũng gần đây, sự xuất hiện của động cơ GDI cũng đã dần dần thay thế động cơ PFI

Đỉnh piston xoáy

Trang 22

2.1.4 So sánh động cơ GDI với động cơ PFI

Động cơ PFI nhiên liệu được phun vào cổng nạp của mỗi xi lanh Vì phun trên đường ống nạp nên có thời gian trễ giữa thời điểm phun và hình thành hòa khí Do có thời gian trễ nên khi khởi động lạnh có hơi nhiên liệu bám trên đường ống nạp gây cản trở quá trình nạp nhiên liệu và lỗi đo lưu lượng khí nạp làm cho lượng nhiên liệu nạp vào nhiều hơn mức cần thiết Đối với động cơ GDI hiện tượng này được khắc phục vì nhiên liệu được phun trực tiếp vào buồng đốt tránh được nhiên liệu đọng trên đường ống nạp, đồng thời lượng nhiên liệu phun vào được kiểm soát một cách chính xác hơn và thời gian phun chính xác hơn

Hình 2 7: So sánh lượng nhiên liệu khí khởi động lạnh của GDI và PFI

Do nhiên liệu được phun trực tiếp và kết cấu của buồng đốt, động cơ GDI có thể hoạt động với tỉ lệ A/F rất loãng Lượng UBHC (unburned hydrocacbons) trong khởi động lạnh cũng thấp hơn so với động cơ PFI và khả năng hoạt động tức thời của động cơ được tăng cường

Nhiên liệu được phun trực tiếp và được điều khiển bằng máy tính nên nhiên liệu có thể phun vào bất kì thời điểm nào

Trang 23

Trong động cơ GDI áp suất nhiên liệu phun cao nên nhiên liệu được phun tơi hơn

so với PFI Kích thước hạt nhiên liệu chỉ là 16 microns so với 120 microns của PFI tức là nhiên liệu được phun tơi hơn Tuy nhiên, việc phun vào xi lanh không đảm bảo rằng sẽ không có màng nhiên liệu được hình thành

Hình 2 8: Sự khác nhau giữa động cơ GDI và PFI

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 xi lanh và 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

Trang 24

Tuy nhiên động cơ GDI cũng có những hạn chế cần khắc phục để được sử dụng rộng rãi:

• Những thay đổi đáng kể trong hệ thống phân phối và kiểm soát nhiên liệu;

• Thời gian phun nhiên liệu ngắn hơn (đôi khi trong micro giây);

• Cháy nghèo nên khó kiểm soát được lượng khí thải NOx;

• Hình thành nhiều bồ hóng do nhiệt độ khí nạp thấp;

• Năng lượng sử dụng cho kim phun tăng;

• Yêu cầu bảo dưỡng động cơ phức tạp hơn;

• Giá thành chi tiết cao;

• Các công nghệ mới đòi hỏi phải đào tạo kỹ thuật viên;

• Ống phân phối phải làm bằng vật liệu chịu được áp suất cao

Ưu điểm của động cơ GDI so với động cơ PFI là

• Tiết kiệm nhiên liệu nhiều hơn 8-22%;

• Động cơ nhỏ hơn nhưng moment xoắn và công suất cao hơn;

• Có thể phun nhiên liệu bất cứ lúc nào trong suốt 4 chu kỳ hoạt động;

• Xả sạch hơn;

• Tỉ số nén cao hơn;

• Hỗn hợp nhiên liệu nghèo trong khởi động lạnh;

• Chế độ nhiên liệu có thể điều chỉnh để đạt mục tiêu giảm phát thải;

Trang 25

• Giảm nhiệt độ thành xi lanh (lý thuyết A/C - chất lỏng áp suất cao chuyển thành khí áp suất thấp);

•Kích nổ được kiểm soát tốt hơn;

Từ đó ta nhận thấy rằng động cơ GDI đã khắc phục được những hạn chế trên động

cơ PFI hiện tại vừa tiết kiệm nhiên liệu vừa giảm ô nhiễm môi trường vì thế có thể nói động cơ GDI sẽ là loại động cơ được sử dụng phổ biến trong tương lai gần

2.2 Cấu tạo hệ thống GDI

Đông cơ GDI về cơ bản vẫn là động cơ bốn kì nhưng kết cấu buồng đốt, hệ thống cung cấp nhiên liệu, hệ thống điều khiển động cơ (phun xăng đánh lửa) phức tạp hơn, quá trình kiểm soát khí thải cũng nghiêm ngặt hơn với bộ xúc tác ba thành phần để xử lý khí thải khi động cơ hoạt động ở chế độ cực nghèo

Hình 2 9: Sơ đồ hệ thống GDI

1: Bộ thu hồi hơi nhiên liệu 16: Cảm biến nhiệt độ khí xả

2: Van cấp hơi nhiên liệu 17: Cảm biến áp suất

4: Khoang chân không 19: Bướm ga điện tử

Trang 26

5: Van solinoid 20: Cảm biến áp suất môi trường

7: Cảm biến lưu lượng khí nạp 22: Bơm nhiên liệu

11: Cảm biến nhiệt độ khí nạp từ turbo 26: ECU

12: Hệ thống giải nhiệt 27: Mạng CAN

Sự ra đời của động cơ GDI là một bước tiến qua trọng trong quá trình phát triển của động cơ xăng Động cơ GDI có kích thước nhỏ hơn, công suất động cơ lớn hơn, hạn chế khí thải gây ô nhiễm môi trường, và giảm thiểu tối đa tiêu hao nhiên liệu Tuy nhiên để có được những bước tiến trên thì động cơ phải đạt được những yêu cầu cao hơn về điều kiện làm việc như chịu được tải, áp suất cao hơn và nhiệt động học lớn hơn Cấu trúc buồng đốt cũng phải thay đổi để có thể đáp ứng được các yêu cầu hình thành nhiên liệu trong buồng đốt

2.2.1 Hệ thống nhiên liệu

Hệ thống nhiên liệu của động cơ GDI về cơ bản bao gồm: Bơm tiếp vận nhiên liệu, bơm cao áp, hệ thống phân phối và ổn định áp suất (common rail), kim phun, hệ thống điều khiển phun, và các thiết bị phụ khác như: thùng nhiên liệu, lọc, van an toàn

Ở động cơ GDI, nhiên liệu được phun trực tiếp vào buồng đốt ở kỳ nạp hoặc kỳ nén

Để đưa được nhiên liệu vào buồng đốt động cơ trong kỳ nén, hệ thống nhiên liệu phải đáp ứng được yêu cầu là áp suất phun nhiên liệu của kim phun phải lớn hơn áp suất trong buồng đốt ở kỳ nén, đồng thời để nhiên liệu được phun tơi hòa trộn tốt với không khí

Trang 27

Hình 2 10: Hệ thống nhiên liệu động cơ GDI

2.2.1.1 Yêu cầu hệ thống nhiên liệu

Trong những năm gần đây, những tiến bộ đáng kể trong điều khiển phun nhiên bằng máy tính giúp cho hoạt động của động cơ GDI ngày càng hoàn thiện Hệ thống phun nhiên liệu trong một động cơ GDI là một thành phần quan trọng kết hợp với dòng khí trong xi lanh để tạo hỗn hợp mong muốn trong toàn bộ phạm vi hoạt động của động cơ Hệ thống nhiên liệu phải cung cấp được một lượng nhiên liệu chính xác, khi phun vào buồng đốt, nhiên liệu bốc hơi nhanh và hòa trộn khắp buồng đốt Phun tơi nhiên liệu tốt phải được tạo

ra cho mọi điều kiện hoạt động Hệ thống GDI cần cung cấp nhiên liệu cho ít nhất hai và

có thể ba hoặc nhiều chế độ hoạt động riêng biệt Khi không có bướm ga, vận hành một phần tải, hệ thống phải có khả năng phun nhanh vào cuối kì nén một áp lực lên đến 1,0 MPa, một áp suất phun nhiên liệu tương đối cao Áp suất phun nhiên liệu được xác định là rất quan trọng để có được cả lượng phun hiệu quả và yêu cầu mức phun tơi Hệ thống phun nhiên liệu cho động cơ GDI phải có khả năng phun trễ để hình thành quá trình nạp phân tầng (late injection for stratified-charge combustion) tại một phần tải, cũng như phun trong

biến

áp suất nhiên liệu Kim

phun Bơm cao áp

Cảm biến áp suất nhiên liệu

Bơm tiếp vận

Bộ điều

áp Lọc

Module nhiên liệu

Trang 28

suốt kì nạp để tạo sự nạp đồng nhất (injection during the intake stroke for charge combustion) khi đầy tải Tại một phần tải phun tơi kết hợp hoặc hòa khí được hình thành nhanh và kiểm soát sự phân tầng Từ đó ta có những yêu cầu của hệ thống nhiên liệu GDI:

• Áp suất nhiên liệu phải đạt 4,0-13,0 MPa;

• Áp suất phải được duy trì ổn định trong suốt quá trình hoạt động;

• Cung cấp một lượng nhiên liệu chính xác;

• Nhiên liệu phải được phun tơi;

• Phải đáp ứng được điều kiện tạo hỗn hợp khác nhau ở các chế độ hoạt động khác nhau

2.2.1.2 Bơm tiếp vận

Hình 2 11: Bơm tiếp vận

Bơm được dùng trong hệ thống GDI là bơm điện, đặt trong bình chứa nhiên liệu, cung cấp nhiên liệu khoảng 3-6 bar qua các lọc đến bơm cao áp Mạch điện điều khiển cho bơm tương tự như đối với hệ thống EFI

Trang 29

2.2.1.3 Bơm cao áp

Hình 2 12: Bơm cao áp

Thường dùng là một bơm thể tích, dẫn động bằng cơ khí Nó được dùng để tăng áp suất của xăng từ khoảng 6 bar đến khoảng 50-200 bar phụ thuộc vào tải trọng và tốc độ của động cơ

Piston của bơm kết nối cơ khí vào trục cam của động cơ, piston vận hành bằng một cam lắp chung trên trục cam tác động lên đòn bẩy Ở một số kiểu GDI, hệ thống điều khiển

áp suất và van điều khiển được chế tạo chung với bơm Các thành phần của bơm gồm: piston, van điều khiển áp suất và van một chiều

Hình 2 13: Cấu trúc bơm cao áp

Bộ ổn định áp suất

Van dự phòng

Đầu ra

Van đầu ra Piston

Van điều khiển Van đầu vào Xéc-măng

Trang 30

Khi van điều khiển mở, xăng từ phía đầu ra của bơm cao áp hồi về phía áp thấp Van có hai trạng thái mở hoặc đóng, được điều khiển từ ECU Van một chiều ngăn không cho xăng đi ngược về phía áp thấp

Chu trình hoạt động của bơm gồm hai hành trình của piston:

• Trong hành trình hút: piston dịch chuyển xuống trong khi van điều khiển mở, xăng

từ phía áp thấp nạp vào trong không gian bơm cho đến khi piston dịch chuyển hết xuống dưới

• Trong hành trình nén: ban đầu van điều khiển mở, cho xăng chảy về phía áp thấp Trong suốt thời gian thực hiện hành trình này, ECU sẽ điều khiển đóng van bất cứ lúc nào Khi van đóng, xăng có áp suất cao sẽ làm mở van một chiều để đi vào ống góp Chú ý rằng khi có tín hiệu điện từ ECU, van sẽ đóng/mở hoàn toàn và tức thời ECU sẽ điều khiển van đóng hay mở dưới tín hiệu từ cảm biến áp suất (lắp trên ống phân phối) sau khi so sánh với giá trị tham chiếu mà ECU lưu trữ

2.2.1.4 Ống phân phối

Kim phun nhiên liệu được nối từ ống này Theo yêu cầu của việc phun nhiên liệu,

áp suất trong ống phải được điều tiết chính xác theo giá trị tham chiếu lưu trữ trong ECU, hạn chế tối đa dao động áp suất

Dung tích dự trữ của ống phân phối càng lớn thì độ ổn định càng cao Tuy nhiên, việc tăng quá nhanh dung tích dự trữ làm giảm độ nhạy của bộ điều khiển áp suất Để tăng khả năng dự trữ của ống phân phối các bộ phận như van phun, cảm biến áp suất và van điều khiển đều được kết nối trực tiếp với ống phân phối

Do áp suất bơm cao áp cấp không liên tục và kim phun liên tục xả áp đã dẫn đến sự biến động áp suất trong ống phân phối điều đó buộc ống phân phối phải làm bằng thép không gỉ để đảm bảo độ bền

Trang 31

Hình 2 14: Hệ thống phân phối nhiên liệu

Trang 32

Yêu cầu của kim phun

Kim phun là bộ phận quan trọng nhất trong hệ thống nhiên liệu của động cơ GDI vì vậy kim phun phải đạt được những yêu cầu nhất định Một số yêu cầu giống với động cơ PFI:

• Sự định lượng nhiên liệu chính xác;

• Phân bố lượng nhiên liệu thích hợp cho sự vận hành;

• Không có sự rò rỉ nhiên liệu, nhất là đối với quá trình vận hành lạnh;

• Thể tích bọng nhiên liệu nhỏ

Những yêu cầu cao hơn của kim phun GDI với kim phun PFI:

• Mức độ tơi sương nhiên liệu cao hơn, đường kính hạt nhiên liệu nhỏ hơn;

• Tránh sự nhấc lên không mong muốn của kim phun trong quá trình phun thứ cấp;

• Tăng tính năng điều khiển sự xuyên thấu của kim phun;

• Ngăn chặn nhỏ giọt nhiên liệu khi áp suất nhiên liệu và áp suất trong xi lanh tăng lên;

• Có khả năng hoạt động ở nhiệt độ cao;

• Không bị rỉ nhiên liệu ở nhiệt độ thấp;

• Linh động trong việc tạo ra những tia phun có độ nghiêng khác nhau phù hợp với những yêu cầu trong hệ thống buồng đốt

2.2.1.5.1 Kim phun một lỗ

Với áp suất phun từ 7.0 đến 10MPa, đường kính lỗ phun từ 14 m đến 23 m, tia phun được phun ra dạng hình nón (góc đỉnh từ 250 đến 1500), dòng nhiên liệu phun vào buồng đốt cuộn xoáy Trong quá trình ty kim nhấc lên mở lỗ phun nhưng không mở hoàn toàn mà chỉ từ 10 – 90 % đường kính của lỗ phun

Trang 33

Hình 2 16: Kim phun một lỗ

2.2.1.5.2 Kim phun nhiều lỗ

Hình 2 17: Kim phun nhiều lỗ

Áp suất phun từ 9.5 – 12.0 MPa, số lỗ từ 4 – 10 lỗ, góc phun từ 30o – 90o So với loại kim một lỗ loại này có ưu điểm khi nhiên liệu phun vào được tạo ra từ nhiều lỗ sẽ

Đường đầu vào

Cuộn dây

Lỗ kim phun

Trang 34

thuận lợi cho việc bốc hơi và hoà trộn Tuy nhiên, với số lỗ nhiều thì đường kính các lỗ nhỏ hơn 1 lỗ nên dễ bị nghẹt (do đặt trực tiếp trong buồng cháy)

Hình 2 18: Sơ đồ đầu vòi phun đa lỗ

2.2.1.5.3 Kim phun có sự hỗ trợ của dòng không khí

Hình 2 19: Kim phun có sự hỗ trợ của dòng không khí

6 lỗ và 1 lỗ trung tâm 5 lỗ và 1 lỗ trung tâm 10 lỗ và 1 lỗ trung tâm

Ống dẫn khí

Kim phun định lượng

Kim phun trực tiếp

Trang 35

Dòng nhiên liệu đưa vào buồng đốt được sự trợ giúp của dòng không khí áp suất cao, đối với loại kim này áp suất nhiên liệu trên đường ống phân phối từ 0.07 – 0.35 MPa có thể tạo ra bằng bơm nhiên liệu thông thường như ở động cơ PFI, dòng không khí áp suất cao được tạo ra từ một bơm nén không khí khác Ty kim được điều khiển bằng cuộn solenoid (có thể 1 hoặc 2 cuộn)

2.2.2 Cấu trúc buồng đốt và phương pháp hình thành hỗn hợp

2.2.2.1 Các yêu cầu của buồng đốt

Buồng đốt của động cơ GDI phải đáp ứng được yêu cầu riêng biệt của loại động cơ này:

•Buồng đốt phải tạo được hỗn hợp nhiên liệu đồng nhất và phân tầng, giữa các tầng nhiên liệu phải liên tục không có đường chuyển tiếp

•Buồng đốt phải tạo được hỗn hợp nhiên liệu giàu ở vị trí gần bu-gi vào thời điểm đánh lửa của động cơ

2.2.2.2 Cấu tạo của piston

2.2.2.2.1 Yêu cầu của piston

Piston là bộ phận quan trọng của buồng đốt, piston sẽ nhận lực khí thể truyền qua thanh truyền làm quay trục khuỷu và nhận lại lực quán tính từ trục khuỷu giúp cho động

cơ hoạt động liên tục

Đối với động cơ GDI thì kích thước động cơ nhỏ lại, công suất động cơ tăng, áp suất tăng và tốc độ cao Ngoài ra tùy thuộc vào việc hình thành hòa khí như thế nào mà cấu trúc đầu piston phải được thiết kế phù hợp Các yêu cầu của piston là kết quả từ yêu cầu làm việc:

• Chịu được nhiệt độ cao của buồng đốt;

• Có khả năng chịu độ bền mỏi;

• Độ bền biến dạng;

• Chịu mài mòn;

• Tối ưu hóa trọng lượng;

• Tối ưu hóa cấu trúc hình học;

• Giảm ma sát

Trang 36

2.2.2.2.2 Vật liệu làm piston

Hiện nay piston động cơ xăng được làm bằng hợp kim nhôm với các chất phụ gia

để gia tăng chịu nhiệt, bào mòn, tăng sức bền của piston

2.2.2.2.3 Cấu trúc đầu piston

Để tạo buồng đốt đáp ứng được những yêu cầu đã đặt ra thì hình dạng đầu piston giữ vai trò quan trọng vì hình dạng đầu piston sẽ quyết định sự di chuyển của dòng khí ở trong buồng đốt ảnh hưởng đến quá trình cháy Mỗi kiểu hình dạng đầu piston khác nhau

sẽ ảnh hưởng khác nhau có loại sẽ tốt cho quá trình cháy đồng nhất có loại sẽ tốt cho cháy phân tầng Hình 2.20 là một số dạng đầu piston

Hình 2 20: Hình dạng đầu piston

Các kiểu hình dạng đầu piston trong hình 2.20a sẽ tạo ra dòng khí xoáy giúp hình thành hỗn hợp phân tầng một cách ổn định Đánh lửa được duy trì ổn định bởi vị trí khe hở bu-gi nằm ngoài vùng phun nhiên liệu Sự sắp đặt này buộc bu-gi phải có điện cực được

mở rộng hơn điều này cũng ảnh hưởng đến độ bền của bu-gi khi động cơ hoạt động ở tải lớn

Trang 37

Ở hình 2.20b một số thiết kế đặc biệt khi bu-gi đặt ở trung tâm và kim phun đặt lệch

do đó cấu trúc phải phù hợp với điều này Hình 2.20b-a là một dạng của đỉnh piston lệch trục nhiên liệu được phun vào đỉnh của piston Ở hình 2.20b-b là dạng thích ứng của sự va chạm của các dòng không khí ở động cơ GDI Hình 2.20b-c dạng này thúc đẩy sự va chạm của các dòng chảy ở giữa buồng đốt nơi xảy ra sự đánh lửa Buồng đốt được thiết kế để khi lên đến ĐCT (điểm chết trên) thì buồng đốt bị chia làm hai Việc buồng đốt bị chia làm hai

và kiểm soát lượng phun nhiên liệu sẽ giúp hòa trộn với nhiên liệu phun trễ

Hình 2.20c là các hệ thống sử dụng dòng cuộn xoáy để gia tăng sự vận động của không khí gần thành piston Việc kết hợp thiết kế này với dạng đỉnh piston được thiết kế đặc biệt để tạo ra sự nạp phân tầng ở gần khe hở bu-gi Đỉnh piston đặc biệt sẽ điều khiển dòng nhiên liệu khi va chạm vào nó và ngọn lửa lan truyền nhanh vận động cuộn xoáy tăng trong suốt kì nén

Hình 2.20d hệ thống tận dụng sự xoay tròn vùng rối như là vận động chiếm ưu thế hơn để tạo ra sự phân tầng Nguyên lý của nó là tạo ra sự hỗn loạn để tăng cường sự bay hơi nhiên liệu bám trên thành buồng đốt và cải thiện sự hình thành hỗn hợp Tuy nhiên, khu vực xoay tròn cần được xác định một cách cẩn thận trong những hệ thống này để tránh

sự tự bốc cháy của nhiên liệu có thể xảy ra đối với hỗn hợp đồng nhất ở chế độ tải lớn Điểm quan trọng trong việc thiết kế hệ thống này là phải hạn chế đến mức tối thiểu sự xâm nhập của nhiên liệu vào khu vực xoay tròn vùng rối, một hỗn hợp quá đậm có thể dẫn đến

sự tự cháy mà không cần tia lửa

2.2.2.3 Vị trí đặt bu-gi và kim phun

Vị trí và hướng của kim phun so với góc đánh lửa là thông số hình học quan trọng trong thiết kế và tối ưu hóa của một buồng đốt GDI

Trong quá trình hoạt động ở tải lớn kim phun đặt hướng trục và góc phun hình côn thúc đẩy nhiên liệu hòa trộn tốt với không khí hút vào để tối ưu hóa việc sử dụng không khí Đối với phun trễ, vị trí đặt kim phun và bu-gi phù hợp là phải cung cấp được một hỗn hợp hòa khí dễ cháy ở khe hở bu-gi vào thời điểm đánh lửa điều đó sẽ mang lại khả năng hoạt động tối đa của động cơ trong phạm vi tốc độ Nói chung, không có một vị trí cụ thể nào tối ưu cho tất cả các chế độ tải vì vậy vị trí đặt kim phun và bu-gi phải có sự dung hòa với nhau

Trang 38

Trong quá trình nghiên cứu thiết kế buồng đốt GDI các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng cần phải giảm khoảng cách di chuyển của ngọn lửa, giảm kích nổ ở nhiên liệu có chỉ

số octan nhất định và vị trí bu-gi được đặt ở gần trung tâm thích hợp nhất Cũng như hệ thống PFI vị trí đặt này cung cấp tổn thất nhiệt thấp nhất trong quá trình đốt Bu-gi đặt lệch tâm ít hơn 12% so với đường kính lỗ đạt được các yêu cầu về chỉ số octane Việc sử dụng hai bu-gi là một lựa chọn để tăng khả năng đánh lửa hiệu quả Tuy nhiên việc có hai nguồn đánh lửa có những vẫn đề khó chưa thể giải quyết Lý do chính để đặt bu-gi ở gần trung tâm là có có sự phân bố lửa đối xứng giúp tối đa hóa tốc độ cháy và công suất cũng như giảm tổn thất nhiệt và tự cháy Một khi đặt bu-gi ở gần trung tâm, thì một số yếu tố cần tính đến như vị trí và định hướng cho kim phun Các cân nhắc cơ bản là kim phun phải đặt

ở vị trí có thể cung cấp quá trình nạp phân tầng một cách ổn định ở chế độ tải nhẹ, một hỗn hợp đồng nhất ở chế độ tải lớn và tránh va chạm nhiên liệu lên thành xi lanh và đỉnh piston bên ngoài bên ngoài bát piston Các yếu tố quan trọng khác bao gồm nhiệt độ đầu phun và

xu hướng đóng muội than của bu-gi và kim phun, sự dung hòa giữa kích thước xu-pap nạp,

vị trí của kim phun và những hạn chế của việc tiếp cận và sửa chữa Khu vực thích hợp cho các xu-pap nạp được ghi nhận vì hầu hết các vị trí đặt kim phun đều làm giảm khoảng trống cho các xu-pap

Có bảy thông số quan trọng sẽ ảnh hưởng đến vị trí cuối cùng được lựa chọn của kim phun và bu-gi:

• Các vấn đề về cổng nạp và xu-pap;

• Đặc tính phun;

• Cấu trúc và sức mạnh của trường dòng chảy trong xi lanh;

• Hình học buồng đốt;

• Đầu piston và hình dạng đỉnh piston

• Giới hạn nhiệt độ thân và đầu kim phun;

• Thiết kế bu-gi và mức độ cho phép mở rộng điện cực

Không nên đặt kim phun ở gần phía xu-pap xả vì nhiệt độ đầu kim phun khi trên 175°C thì sẽ đóng muội than và giảm độ bền

Trang 39

Hình 2 21: Mô hình vị trí xu-pap nạp thải bu-gi và kim phun của Ford

Vị trí kim phun đặt gần trung tâm buồng đốt gần bu-gi được thể hiện trên hình 2.21 thích hợp với nhiều thiết kế buồng đốt vì nó hầu như đảm bảo sự xuất hiện của một hỗn hợp giàu gần khe hở bu-gi tại thời điểm đánh lửa Ngoài ra vị trí đặt kim phun dọc ở trung tâm có ưu điểm là phân phối nhiên liệu được đều do tính đối xứng của xi lanh Đối với phun muộn vị trí đặt ở trung tâm định hướng phun bằng piston sinh ra lượng UBHC cao hơn so đặt nghiêng Cũng cần phải chú ý đến sự ổn định của động cơ GDI đặt kim phun thẳng đứng ở trung tâm vì hoạt động phân tầng ở loại động cơ này khá nhạy cảm với sự thay đổi của các đặc tính phun Như sự thay đổi của tính đối xứng, góc nghiêng hoặc góc côn do biến đổi trong quá trình phun hoặc do kim phun bị đóng muội than có thể làm giá trị COV (coefficient of variation) của IMEP (indicated mean effective pressure) ở mức được chấp nhận Khi hình dạng phun cơ bản bị biến đổi đáng kể có thể dẫn đến động cơ không nổ hoặc cháy không hoàn toàn Vì thế khi đặt kim phun thẳng đứng phải chú ý duy trì hình dạng và chất lượng phun

Do yêu cầu khoảng cách gần của kim phun và bu-gi dẫn đến kích thước của xu-pap

bị giảm Điều này cũng đưa ra các vấn đề về mất lửa từ sự va chạm của màng nhiên liệu lên điện cực bu-gi Thêm vào đó việc sử dụng năng lượng đánh lửa cao hơn làm cho những

hệ thống này đòi hỏi độ bền cao hơn của bu-gi Tốc độ hình thành muội than của kim phun

là điều đáng quan tâm và việc đặt kim phun gần nguồn đánh lửa có thể làm tăng tốc độ này

Xả

Kim phun Bu-gi

Xả

Trang 40

Hình 2 22: Giới hạn kích thước của xu-pap cho các lựa chọn vị trí kim phun bu-gi

Hình 2.22a-b cho thấy cách bố trí mà kim phun và bu-gi đặt gần nhau (thiết kế khoảng hẹp) hình 2.22c cho thấy một số vị trí có thể đặt bu-gi và kim phun (thiết kế khoảng rộng) tuy nhiên trong mỗi thiết kế đều có những hạn chế nên cần phải có phương pháp phụ

để nâng cao hiệu quả nạp như tối ưu hóa thiết kế cổng nạp

Hình 2 23: Thiết kế buồng đốt khoảng hẹp với cuộn xoáy thích hợp để tạo quá trình

nạp phân tầng

Theo thực nghiệm thì kim phun nên đặt ở phía ống xả còn bu-gi đặt ở phía ống nạp điều đó cho phép chuyển động rối theo hướng mang hơi nhiên liệu đến bu-gi trong suốt kì nén được thể hiện trên 2.23

c

310o CA ATDC

10o sau SOI

320o CA ATDC EOI

330o CA ATDC

Định dạng
Số trang	115
Dung lượng	3,41 MB