Tiểu luận hệ thống phun xăng trực tiếp GDI trên ô tô

Tiểu luận hệ thống phun xăng trực tiếp GDI trên ô tô trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, có đầy đủ dữ liệu cho các bạn tham khảo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

TIỂU LUẬN HỆ THỐNG PHUN XĂNG TRỰC TIẾP GDI

SVTH : TRẦN THANH BÌNH MSSV: 20145215

Lớp: Nhóm 02CLC chiều thứ 6

GVHD: PGS.TS LÝ VĨNH ĐẠT

TP.Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2022

MỤC LỤC

I Giới thiệu 3

1 Lý do sử dụng công nghệ phun xăng GDI 3

2 Ưu và nhược điểm của hệ thống GDI 3

*Ưu điểm của hệ thống GDI: 3

*Nhược điểm của hệ thống GDI: 4

II Khái quát hệ thống GDI 4

III Hệ thống phun xăng trực tiếp GDI của Toyota 8

1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 8

2 Ưu và nhược điểm của hệ thống phun xăng kết hợp D4-S Toyota so với các hãng khác 11

IV Sử dụng công nghệ phun xăng trực tiếp GDI tại Việt Nam hiện nay 12

V Nhận xét của bản thân 12

VI Tài liệu tham khảo 14

I Giới thiệu1 Lý do sử dụng công nghệ phun xăng GDI

Hệ thống phun xăng GDI (Gasoline Direct Injection) là một công nghệ phunnhiên liệu trực tiếp vào động cơ của xe ô tô Trong hệ thống này, nhiên liệuđược phun trực tiếp vào buồng đốt của động cơ, thay vì được phun vào ốnghút như trong các hệ thống phun xăng truyền thống

Sử dụng hệ thống GDI, động cơ có thể hoạt động hiệu quả hơn và tiết kiệmnhiên liệu hơn, vì nó có thể cung cấp lượng nhiên liệu chính xác và phù hợphơn với nhu cầu của động cơ Ngoài ra, hệ thống GDI còn giúp giảm khí thảivà tăng hiệu suất động cơ, làm cho xe chạy êm hơn và đáp ứng được các yêucầu khắt khe về khí thải của các tiêu chuẩn khí thải hiện đại

2 Ưu và nhược điểm của hệ thống GDI

*Ưu điểm của hệ thống GDI:

-Tiết kiệm nhiên liệu: Hai chế độ nạp cơ bản của hệ thống phun xăng trực tiếpGDI là nạp phân tầng và nạp đồng nhất, giúp cải thiện khả năng tiết kiệm nhiênliệu của động cơ Tỷ lệ hòa khí A/F ở chế độ nạp đồng nhất có thể đạt tớingưỡng lý tưởng là 14,7:1 và loãng hơn ở chế độ nạp phân tầng khoảng 65:1.Điều này đảm bảo động cơ cháy sạch, giúp tiết kiệm nhiên liệu lên đến 15% sovới các hệ thống phun xăng khác

-Tăng hiệu suất động cơ: Hệ thống GDI giúp động cơ hoạt động hiệu quả hơn,tăng công suất và giảm tiêu thụ nhiên liệu so với các hệ thống phun nhiên liệutruyền thống

-Giảm khí thải: Với việc phân phối nhiên liệu trực tiếp vào buồng đốt, hệ thốngGDI giảm lượng khí thải ra môi trường

-Tăng độ bền của động cơ: Hệ thống GDI giúp giảm ma sát và giữ sạch các bềmặt bên trong động cơ, kéo dài tuổi thọ của động cơ

-Tăng hiệu quả đốt cháy: Hệ thống GDI cung cấp nhiên liệu chính xác và phùhợp hơn với nhu cầu của động cơ, giúp tăng hiệu quả đốt cháy và giảm sự tiêuhao nhiên liệu

-Tăng độ bền và tuổi thọ của bộ lọc đường cong bước: Do hệ thống GDI có khảnăng điều chỉnh lượng nhiên liệu được phun trực tiếp vào động cơ, do đó bộ lọcđường cong bước bền hơn và tuổi thọ kéo dài hơn.

*Nhược điểm của hệ thống GDI:

-Đòi hỏi nhiên liệu chất lượng cao: Hệ thống GDI yêu cầu sử dụng nhiên liệu cóđộ tinh khiết cao để đảm bảo hoạt động tốt nhất

-Dễ bị tắc nghẽn: Hệ thống GDI dễ bị tắc nghẽn do tích tụ của carbon trên cácbề mặt bên trong động cơ, đòi hỏi bảo dưỡng thường xuyên

-Chi phí sửa chữa, bảo dưỡng cao: Kết cấu hệ thống GDI khá phức tạp, cầnnhiều bơm cao áp hơn các hệ thống phun xăng truyền thống nên quy trình bảodưỡng cũng phức tạp hơn Việc thay thế các linh kiện lắp ráp cũng tốn kém vàđòi hỏi chuyên viên kỹ thuật có trình độ cao

-Tăng tiếng ồn: Hệ thống GDI tạo ra tiếng ồn lớn hơn so với các hệ thống phunnhiên liệu truyền thống trong quá trình hoạt động

II Khái quát hệ thống GDI

1 Lịch sử hình thành và phát triển

Công nghệ phun xăng GDI (Gasoline Direct Injection) được phát triển vào cuốinhững năm 1990 và đầu những năm 2000 Đầu tiên, nó được sử dụng trên cácđộng cơ đua xe tốc độ cao và sau đó được ứng dụng trên các xe hơi tiêu dùng.Các công nghệ phun nhiên liệu trước đó, như hệ thống phun xăng trực tiếp vàphun dầu trực tiếp, đã có mặt từ những năm 1950 và đã được sử dụng phổ biếntrên các động cơ diesel Tuy nhiên, khi áp dụng trên động cơ xăng, các hệ thốngnày gặp phải nhiều thách thức, bao gồm khó khăn trong việc kiểm soát quá trìnhđốt cháy và tối ưu hóa hiệu suất động cơ

Công nghệ phun xăng GDI được thiết kế để giải quyết những thách thức nàybằng cách cho phép nhiên liệu được phun trực tiếp vào buồng đốt của động cơxăng, tăng cường hiệu quả đốt cháy và tăng cường hiệu suất động cơ Với GDI,nhiên liệu được phun với áp suất cao trực tiếp vào buồng đốt của động cơ, cungcấp một lượng nhiên liệu chính xác và đồng đều hơn so với các hệ thống phuntrước đây

Trong thập kỷ qua, công nghệ phun xăng GDI đã trở thành tiêu chuẩn cho nhiềuloại động cơ xăng trên thế giới, giúp cải thiện hiệu quả nhiên liệu và giảm khíthải.

Hệ thống phun xăng GDI đã xuất hiện từ những năm 1990, tuy nhiên chỉ mớiphổ biến trong thập kỷ gần đây Trước đây, hệ thống GDI có giá thành cao hơnvà khó vận hành hơn so với hệ thống phun xăng truyền thống Tuy nhiên, với sựtiến bộ của công nghệ, hệ thống GDI đã được phát triển và cải tiến để trở nênphổ biến và dễ dàng sử dụng hơn

Hiện nay, hầu hết các nhà sản xuất ô tô đều sử dụng công nghệ GDI trên cácmẫu xe của họ Các hệ thống GDI hiện đại được thiết kế để cải thiện tính năngvà độ tin cậy, đồng thời giảm thiểu tiêu thụ nhiên liệu và khí thải

Các công nghệ tiên tiến mới như hệ thống phun xăng trực tiếp kép (DualInjection) và hệ thống phun xăng được điều khiển bằng điện tử (Electronic FuelInjection) đang được phát triển để nâng cao hiệu quả và tiết kiệm nhiên liệu củahệ thống GDI Tuy nhiên, hệ thống GDI vẫn cần được bảo trì định kỳ để đảmbảo hoạt động tối ưu và tránh sự cố hư hỏng

2 Các hãng xe sử dụng công nghệ phun xăng GDI:

Ngày nay, công nghệ phun xăng trực tiếp được sử dụng cho rất nhiều các hãng xe như:

2.1.Toyota

D-4S hay Dynamic Force Engine (chữ “S” là viết tắt của superior), là hệ thốngphun nhiên liệu trên xe Toyota bao gồm cả phun nhiên liệu trực tiếp và phunnhiên liệu cổng Bạn sẽ thấy các kim phun nhiên liệu cổng trong ống nạp vàbơm nhiên liệu phun trực tiếp

Toyota sử dụng phương pháp kết hợp này mang lại hiệu suất, lượng khí thải vàtính kinh tế tốt nhất có thể Rất khó để nói khi nào thì kim phun một chiều, trựctiếp hay cả hai đều hoạt động vì nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố như vị trí bướmga, tải trọng, tốc độ động cơ và thậm chí cả nhiệt độ động cơ

-Cách hoạt động của công nghệ phun xăng trực tiếp kết hợp D-4S như sau: khi động cơ hoạt động ở vòng tua thấp và trung bình (dưới 3000 vòng/phút), các cảm biến thu thập thông tin về nhiệt độ, lưu lượng khí nạp, tốc độ vòng quay, góc mở bàn đạp ga và gửi đến bộ xử lý trung tâm (ECU) ECU sẽ xử lý thông tin để điều chỉnh hệ thống phun xăng.

Để tiết kiệm nhiên liệu, ECU sẽ ngắt kim phun đa điểm ngoài đường ống nạp và chỉ kích hoạt kim phun trực tiếp (GDI) hoạt động với tỷ lệ hòa khí được hòa trộn cuối kì nén (alpha >1 tỷ lệ hòa khí nghèo) nhưng vẫn đảm bảo động cơ hoạt động tốt

Khi người lái tác động vào bàn đạp chân ga để tăng tốc, tín hiệu từ các cảm biến được gửi đến ECU để kích hoạt cả 2 kim phun, tăng tốc độ vòng quay và moment xoắn lớn ở mức cần thiết Lượng hỗn hợp khí được hòa trộn trước khi xupap nạp với lượng vừa đủ (MPI), và khi hòa khí được nén đến cuối kì nén, kim phun thứ 2 GDI sẽ phun nhiên liệu với lượng đậm hơn (alpha <1 tỷ lệ hòa khí giàu) Điều này giúp tăng công suất động cơ và moment xoắn, giúp xe đạt được tốc độ mong muốn

Công nghệ phun xăng trực tiếp kết hợp D-4S của Toyota

Hệ thống D-4S đã được sử dụng trên nhiều mẫu xe Toyota như Toyota Camry,Toyota Corolla và Toyota RAV4

+KIA Sorento: Sorento là mẫu xe SUV 7 chỗ của KIA cũng sử dụng công nghệGDI Động cơ GDI trên Sorento có dung tích 2.4L hoặc 3.3L, cho công suất tốiđa lần lượt là 185 mã lực và 290 mã lực

+KIA Sportage: Sportage là mẫu xe crossover SUV của KIA cũng được trang bịđộng cơ GDI Động cơ GDI trên Sportage có dung tích 2.4L hoặc 1.6L, chocông suất tối đa lần lượt là 181 mã lực và 174 mã lực

-Ngoài ra, KIA còn nâng cấp, cho ra mắt công nghệ mới T-GDI Kappa 1.0Lhoàn toàn mới, được đánh giá "ngang hàng" với EcoBoost 1.0L của Ford Độngcơ này đã được sử dụng trên chiếc KIA cee'd GT Line

T-GDI là viết tắt của Turbocharged Gasoline Direct Injection, là một công nghệđộng cơ đang được sử dụng trong các xe hơi hiện đại Công nghệ này kết hợpgiữa hai công nghệ khác là động cơ tăng áp (turbocharged) và phun nhiên liệutrực tiếp vào động cơ (direct injection)

Động cơ T-GDI 1.0L

2.3.MAZDA

Trên các mẫu xe Mazda, hệ thống phun xăng trực tiếp GDI được gọi làSkyactiv-G Hệ thống này được sử dụng trên các động cơ xăng 4 xy-lanh, đượctrang bị trên nhiều mẫu xe của Mazda, bao gồm Mazda3, Mazda6, CX-3, CX-5và CX-9

Skyactiv-G sử dụng các béc phun xăng được thiết kế đặc biệt để phun xăng trựctiếp vào buồng đốt, giúp tối ưu hóa hiệu suất đốt cháy và giảm thiểu khí thải độchại Điều này giúp động cơ đạt được mức tiêu thụ nhiên liệu và khí thải thấp hơnso với các động cơ truyền thống, đồng thời vẫn đảm bảo được sức mạnh và hiệusuất cao

Ngoài ra, các động cơ Skyactiv-G còn được trang bị các công nghệ tiên tiếnkhác như động cơ tăng áp (turbocharged) và hệ thống giảm xóc kết hợp cùng bộtruyền động Skyactiv-Drive để đảm bảo hiệu suất và khả năng vận hành tốt nhất

Động cơ sử dụng công nghệ GDI (Skyactive) của MAZDA

III Hệ thống phun xăng trực tiếp GDI của Toyota

1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động.

Công nghệ phun xăng trực tiếp của Toyota được phát triển liên tục và ngày nayđã được sử dụng rộng rãi trên các mẫu xe của hãng

Động cơ Dynamic Force 2.0 lít sử dụng hệ thống phun xăng GDI trên Toyota Camry 2022

-Cấu tạo của hệ thống phun xăng trực tiếp GDI gồm hai phần thấp áp và cao áp:

Bộ phận thấp áp bao gồm bơm xăng, lọc xăng, van điều áp được đặt trong thùngxăng Áp suất nhiên liệu từ 4,5 – 6 kg/cm2 tùy vào mẫu xe – cao hơn so với ápsuất của hệ thống phun xăng đa điểm MPI thông thường Hoạt động của phầnthấp áp trong động cơ phun xăng trực tiếp giúp duy trì tính ổn định của lực tácđộng lên bơm cao áp.

+Phần cao áp:Phần cao áp gồm các chi tiết bơm cao áp, ống rail, kim phun và cảm biến áp suấtống rail Bơm cao áp thực hiện nhiệm vụ nén nhiên liệu có áp suất thấp từ bơmxăng lên thành nhiên liệu áp suất cao, tích trữ tại ống rail Cảm biến áp suất ốngrail đảm nhận vai trò cung cấp thông tin cho ECU

Khi vận hành, bộ vi xử lý trong ECU sẽ tính toán và nhận biết áp suất thực tếtrong ống rail và điều chỉnh van FPRV – van điều áp trên bơm cao áp Tới thờiđiểm áp suất cao vào buồng đốt động cơ, kim phun nhiên liệu sẽ được điềukhiển bởi ECU

Cấu tạo của hệ thống phun xăng trực tiếp GDI

-Nguyên lý hoạt động của hệ thống phun xăng trực tiếp kết hợp D4-S trênToyota:

Khi động cơ hoạt động ở vòng tua thấp và trung bình (dưới 3000 vòng/phút) cáccảm biến thu thập thông tin về nhiệt độ, lưu lượng khí nạp, tốc độ vòng quay,góc mở bàn đạp ga,… báo về bộ xử lý trung tâm (ECU) cho biết tình trạng độngcơ đang hoạt động ở mức tiết kiệm nhiên liệu nên ECU ra tín hiệu ngắt kim

hoạt động với tỷ lệ hòa khí được hòa trộn cuối kì nén (alpha >1 tỷ lệ hòa khínghèo) nhưng vẫn đảm bảo động cơ hoạt động tốt.

Khi người lái tác động vào bàn đạp chân ga để tăng tốc thì tín hiệu từ các cảmbiến báo về ECU cho biết xe đang cần tăng tốc độ vòng quay và moment xoắnlớn ở mức cần thiết để kích hoạt cả 2 kim phun Kỳ nạp hòa khí được hòa trộntrước khi xupap nạp với lượng vừa đủ (MPI) Hòa khí được nén đến cuối kì nénthì kim phun thứ 2 GDI phun nhiên liệu với lượng đậm hơn (alpha <1 tỷ lệ hòakhí giàu) Làm tăng công suất động cơ và moment xoắn giúp xe đạt được tốc độmong muốn

Hệ thống phun xăng trực tiếp GDI xác định chế độ nạp dựa trên tỷ lệ hòa khí.Hộp đen của xe lựa chọn chế độ phù hợp nhằm tạo sự ổn định trong vận hànhcủa động cơ

Nguyên lý hoạt động của hệ thống phun xăng trực tiếp

2 Ưu và nhược điểm của hệ thống phun xăng kết hợp D4-S Toyota so với các hãng khác.

Công nghệ phun xăng kết hợp D-4S là một công nghệ tiên tiến trong lĩnh vựcđộng cơ đốt trong, được Toyota áp dụng trên các mẫu xe của họ Dưới đây là

+Hiệu suất động cơ tốt: Công nghệ D-4S kết hợp phun xăng trực tiếp và phunxăng gián tiếp giúp tăng cường hiệu suất đốt cháy, làm cho động cơ hoạt độngmạnh mẽ hơn và tiêu thụ nhiên liệu ít hơn so với các động cơ truyền thống.+Tính linh hoạt: Hệ thống phun xăng D-4S cho phép các bộ phận của động cơhoạt động được tốt ở nhiều mức công suất khác nhau, từ tốc độ thấp đến tốc độcao.

+Tiết kiệm nhiên liệu: Hệ thống D-4S cung cấp phương tiện cho động cơ để tiếtkiệm nhiên liệu thông qua việc tối ưu hóa đốt cháy

+Giảm thiểu khí thải: D-4S giúp giảm thiểu khí thải độc hại từ xe, giúp bảo vệmôi trường

-Nhược điểm:Công nghệ D-4S cũng có những nhược điểm như những xe sử dụng hệ thốngphun xăng trực tiếp khác như:

+Giá thành cao: Công nghệ D-4S cần sử dụng các bộ phận phức tạp hơn so vớicác động cơ truyền thống, vì vậy giá thành sẽ cao hơn

+Bảo trì đắt đỏ: Khi cần bảo trì hoặc sửa chữa, các bộ phận của động cơ D-4Scần được xử lý chính xác, điều này có thể dẫn đến chi phí sửa chữa cao

+Khó sửa chữa: Do tính phức tạp của công nghệ, nếu xe gặp sự cố thì việc sửachữa có thể khó khăn hơn so với các động cơ truyền thống

IV Sử dụng công nghệ phun xăng trực tiếp GDI tại Việt Nam hiện nay.

Công nghệ GDI được sử dụng rộng rãi và phổ biến trên các mẫu xe của các hãngsản xuất ô tô hàng đầu trên thế giới như BMW, Audi, Mercedes-Benz, Porsche,Toyota, Honda, Hyundai, Kia, và Ford

Tại Việt Nam, các hãng xe đang áp dụng công nghệ phun xăng trực tiếp GDItrên các mẫu xe của mình như Hyundai Sonata, Kia Sorento, Mazda CX-5, FordRanger, Toyota Fortuner, Công nghệ này giúp tăng cường hiệu suất động cơvà giảm lượng khí thải độc hại, đáp ứng được các tiêu chuẩn khí thải mới nhấtcủa Việt Nam và thế giới

V Nhận xét của bản thân.

Theo em được biết thông qua sự tìm hiểu của mình, hệ thống phun xăng trựctiếp GDI là một công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực động cơ đốt trong, cho phépphun nhiên liệu trực tiếp vào buồng đốt mà không cần thông qua hệ thống khínạp Điều này giúp tăng cường hiệu suất đốt cháy và giảm tiêu hao nhiên liệu,đồng thời cải thiện khả năng điều khiển động cơ Đa số các hãng xe ngày nayđều sử dụng hệ thống phun xăng trực tiếp bởi ưu điểm của hệ thống này là quánhiều

Tuy nhiên, hệ thống GDI cũng có một số hạn chế Do nhiên liệu được phun trựctiếp vào buồng đốt, các hạt phân tử nhiên liệu có thể không kịp hòa tan hoàntoàn với khí oxy trong buồng đốt, dẫn đến khó khắc phục các vấn đề như mấtcông suất và khói đen Hơn nữa, do áp lực phun cao, hệ thống GDI cần sử dụngbộ điều khiển chính xác để đảm bảo sự hoạt động hiệu quả và độ bền của các bộphận, điều này làm tăng chi phí sản xuất và bảo trì

Trong tương lai, em nghĩ rằng hệ thống phun xăng GDI sẽ ngày càng phát triểnvà hoàn thiện hơn nữa, em có tìm hiểu được một số cải tiến hệ thống như sau:-Tăng cường sự hòa tan nhiên liệu: Các nhà sản xuất động cơ có thể tăng cườngsự hòa tan nhiên liệu bằng cách sử dụng các chất phụ gia để làm tăng khả nănghòa tan và độ bền của nhiên liệu

-Cải thiện độ chính xác của bộ điều khiển: Hệ thống điều khiển động cơ củaGDI cần được cải tiến để đảm bảo việc phun nhiên liệu chính xác vào buồngđốt, giảm thiểu khó khăn về lượng nhiên liệu và giúp tăng hiệu suất đốt cháy.-Sử dụng công nghệ mới để giảm áp lực phun: Hệ thống phun xăng GDI cũng cóthể được cải tiến bằng cách sử dụng công nghệ mới để giảm áp lực phun, giảmtốc độ mài mòn và tăng độ bền của các bộ phận

-Sử dụng các vật liệu mới và độ bền cao hơn: Các bộ phận của hệ thống phunxăng GDI có thể được sản xuất từ các vật liệu mới và độ bền cao hơn, giảmthiểu tác động của nhiệt và hóa chất, tăng độ bền và tuổi thọ của hệ thống

-Tối ưu hóa khí thải: Hệ thống phun xăng GDI có thể được cải tiến bằng cách tốiưu hóa khí thải và giảm thiểu khí thải độc hại, giúp giảm thiểu tác động của xelên môi trường