Tiểu luận Đề tài tìm hiểu về công nghệ phun xăng trực tiếp gdi

PHẦN 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG PHUNG XĂNG TRỰCTIẾP GDI 1.1: KHÁI NIỆM - Hệ thống phun xăng trực tiếp – GDI là hệ thống phun nhiên liệu xăng trực tiếp vào buồng đốt động cơ thay vì

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Nhận xét:

……….………

………

………

………

Điểm đánh giá: ………

………

………

………

………

……… TP.Hồ Chí Minh, Ngày 14 tháng 11 năm 2024

Giảng Viên

THÀNH VIÊN NHÓM

1 Nguyễn Thế Vinh 23705241

2 Trần Lê Đình Nam 23644981

3 Đinh Tiến Thành 23631421

Mục Lục

PHẦN 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG PHUNG XĂNG TRỰC TIẾP

GDI 6

1.1: KHÁI NIỆM 6

1.2: LỊCH SỬ HÌNH THÀNH 7

1.3: TỔNG QUANG VỀ HỆ THỐNG GDI 8

PHẦN 2: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG GDI 10

2.1: CẤU TẠO 10

2.2: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 14

PHẦN 3: ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG PHUN XĂNG TRỰC TIẾP GDI 16

3.1: ƯU ĐIỂM: 16

3.2: NHƯỢC ĐIỂM 16

PHẦN 4: SO SÁNH THỰC TIỄN GIỮA HỆ THỐNG GDI VÀ HỆ THỐNG KHÁC 17

4.1. SO SÁNH GIỮA GDI VÀ EFI 17

PHẦN 5: NHỮNG VẤN ĐỀ VÀ CÁC NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN HIỆU SUẤT CÔNG NGHỆ GDI 19

5.1 NHỮNG VẤN ĐỀ 19

5.2 NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN HIỆU SUẤT CÔNG NGHỆ 20

LỜI MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, ngành công nghiệp ô tô trên thế giới đang có xu hướng chuyển dịch mạnh mẽ sang nghiên cứu và phát triển xe ô tô điện Cácnhà sản xuất ô tô đang nỗ lực tạo ra những chiếc xe điện có khả năng thay thế các phương tiện truyền thống sử dụng nhiên liệu hóa thạch Xe ô tô điện được trang bị nhiều tính năng hiện đại, mang lại trải nghiệm tiện nghi và an toàn hơn cho người sử dụng Bên cạnh đó, xe điện được đánh giá cao về khả năng giảm thiểu phát thải khí nhà kính, thân thiện với môi trường, góp phần vào nỗ lực chống biến đổi khí hậu và cải thiện chất lượng không khí Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của xe điện vẫn là giới hạn về tuổi thọ của pin

và thời gian sạc Quá trình sạc pin thường kéo dài, trong khi tuổi thọ pin lại giảm dần sau mỗi lần sử dụng, làm ảnh hưởng đến hiệu quả và trải nghiệm

sử dụng lâu dài của người dùng.Vì vậy, xe ô tô sử dụng động cơ đốt trong truyền thống vẫn đóng vai trò quan trọng và đáp ứng tốt hơn các nhu cầu đa dạng của con người trong mọi hoạt động kinh tế và xã hội Đặc biệt, với

những khu vực có điều kiện hạ tầng còn hạn chế hoặc các tuyến đường dài,

xe động cơ đốt trong vẫn là sự lựa chọn ưu tiên do khả năng tiếp nhiên liệu nhanh chóng và mức độ sẵn có cao Tuy nhiên, số lượng ô tô ngày càng tăngcũng đặt ra vấn đề lớn về ô nhiễm môi trường Khí thải từ động cơ đốt trong chứa nhiều chất độc hại như CO2, NOx, và bụi mịn, có khả năng gây hại đếnsức khỏe con người và làm giảm chất lượng không khí Tình trạng ô nhiễm ngày càng nghiêm trọng đã trở thành mối lo ngại lớn của các quốc gia, buộc ngành công nghiệp ô tô phải cải tiến công nghệ để giảm thiểu lượng khí thải trong quá trình vận hành của động cơ Bởi những lý do trên nhóm 10 chúng

em đã lựa chọn đề tài tiểu luận “NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG PHUN XĂNGTRỰC TIẾP GDI”

PHẦN 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG PHUNG XĂNG TRỰC

TIẾP GDI

1.1: KHÁI NIỆM

- Hệ thống phun xăng trực tiếp – GDI là hệ thống phun nhiên liệu (xăng) trực tiếp vào buồng đốt động cơ thay vì phun xăng ở cửa nạp như các kiểu phun nhiên liệu khác. Hệ thống này tận dụng áp suất cao để phun nhiên liệu vào buồng

đốt – piston giúp động cơ đạt hiệu suất hoạt động tốt mà vẫn tiết kiệm nhiên liệu Đó

là lý do hệ thống phun xăng GDI ngày càng phổ biến và được trang bị trên hầu hếtnhững dòng xe ô tô hiện đại

HÌnh 1.1 Công nghệ GDI

- Một hệ thống có các kim phun đưa nhiên liệu vào thẳng trực tiếp buồng đốt thay vìcửa nạp như trước đây Vì thế nó hạn chế được tình trạng cặn bám trên đường ốngnạp phía trước xupap, giúp tăng công suất hoạt động, giảm khí thải, tiết kiệm nhiênliệu

- Phun xăng GDI áp dụng lần đầu trên ô tô vào năm 1953 và không ngừng được cải tiến, hoàn thiện Ngày này chúng được áp dụng trên rất nhiều dòng xe khác nhau nhằm đạt hiệu quả cao nhất khi vận hành

1.2: LỊCH SỬ HÌNH THÀNH

- Động cơ phun xăng trực tiếp GDI (Gasoline Direct Injection) hiện nay được coi là một trong những công nghệ tối ưu cho động cơ xăng, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu và giảm thiểu khí thải Công nghệ này đã không còn xa lạ với ngành công nghiệp ô tô hiện đại, nhưng ít ai biết rằng nó đã ra đời

từ những năm 1920 Vào năm 1925, động cơ Hesselman dành cho máy bay là chiếc đầu tiên ứng dụng công nghệ phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng đốt

Hình 1.2 Công nghệ GDI lần đầu được áp dụng.

Sau đó, vào những năm 1950, Mercedes-Benz đã áp dụng công nghệ này trên chiếc xe thể thao Mercedes-Benz Gullwing 300SL (1953), đánh dấu bước tiến mới trong việc ứng dụng GDI vào các phương tiện mặt đất Mục tiêu của các nhà sản xuất ô tô ngày nay không chỉ là cải thiện hiệu quả nhiên liệu mà còn hướng tới giảm phát thải khí độc hại, bảo vệ môi trường Để đạt được điều này,công nghệ GDI giúp quá trình hình thành hỗn hợp cháy trong động cơ được tối

ưu hóa, đảm bảo sự cháy kiệt (lean-burn), từ đó nâng cao tính linh hoạt và tiết kiệm nhiên liệu Chính vì lý do đó, GDI đã trở thành một trong những giải

pháp hàng đầu để đạt được cả hai yếu tố: hiệu suất và thân thiện với môi

trường

Hình 1.3.1Mercedes-Benz Gullwing 300SL

- Một trong những cột mốc quan trọng của công nghệ GDI trong ngành công nghiệp ô tô là vào năm 1996, khi Mitsubishi lần đầu tiên ứng dụng hệ thống phun xăng trực tiếp vào buồng cháy trên dòng xe Galant Legnum Động cơ

GDI này đã mang đến bước đột phá về hiệu suất, giúp cải thiện đáng kể khả năng tiết kiệm nhiên liệu của xe, đồng thời giảm lượng khí thải so với các hệ thống phun xăng truyền thống

- Không chỉ Mitsubishi, nhiều hãng xe khác cũng đã phát triển và áp dụng GDItheo cách riêng Volkswagen, một thương hiệu hàng đầu châu Âu, đã phát triểnphiên bản của GDI và đặt tên là FSI (Fuel Stratified Injection) Các dòng xe của Volkswagen như Lupo 1.4L FSI 16 soupape I4 với 105 mã lực và động cơ 2.0L FSI tăng áp đều sử dụng công nghệ này FSI đã trở thành xu hướng chính trong sản xuất động cơ của Volkswagen, góp phần tạo nên hiệu suất cao và sự bền bỉ cho các dòng xe của hãng

- Mercedes-Benz cũng đã phát triển động cơ GDI dưới tên gọi CGI (Charged Gasoline Injection) và ứng dụng trên nhiều dòng xe cao cấp như CLS 350

Động cơ CGI giúp tăng cường hiệu suất và giảm thiểu lượng khí thải độc hại, mang lại trải nghiệm vận hành mượt mà, mạnh mẽ và thân thiện hơn với môi trường

- Tương tự, Mazda đã ứng dụng công nghệ GDI dưới tên gọi DISI (Direct

Injection Spark Ignition), trang bị trên các mẫu xe như Mazda 3, Mazda 6 và Mazda CX-7 Mazda đã đạt được sự cân bằng giữa hiệu suất và tiết kiệm nhiênliệu, đảm bảo rằng các mẫu xe thể thao của hãng có thể đáp ứng nhu cầu của người dùng về sức mạnh và tính linh hoạt trong khi vẫn thân thiện với môi

trường

1.3: TỔNG QUANG VỀ HỆ THỐNG GDI

- Hệ thống phun xăng trực tiếp GDI (Gasoline Direct Injection) lần đầu tiên được Mitsubishi ứng dụng vào năm 1996 trên mẫu xe Galant Legnum, đánh dấu một bước ngoặt quan trọng trong công nghệ nhiên liệu động cơ xăng Ý tưởng về phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng đốt đã có từ lâu, nhưng nhiều

hãng xe gặp khó khăn trong việc triển khai do các thách thức về công nghệ và chi phí Mitsubishi đã tiên phong đưa GDI vào thực tế, vượt qua các rào cản vàtạo ra đột phá lớn

- Hệ thống GDI hoạt động bằng cách phun nhiên liệu trực tiếp vào bên trong xi-lanh với áp suất cao, tương tự như động cơ diesel Nhờ vậy, tỷ số nén của động cơ có thể tăng lên mà không gây kích nổ, giúp hỗn hợp nhiên liệu và

không khí được trộn đều hơn Kết quả là quá trình cháy diễn ra triệt để, mang lại hiệu suất cao hơn, công suất lớn hơn, và tiết kiệm nhiên liệu đáng kể

- Hệ thống này được chính thức đưa vào sử dụng lần đầu tiên bởi hãng misubishi tr

ên mẫu xe Galant Legnum, vào năm 1996

- Sự ra đời của hệ thống phun xăng trực tiếp GDI được coi là một bước đột phátrong lịch sử phát triển hệ thống nhiên liệu cho động cơ đốt trong Mặc dù ý tưởng sử dụng vòi phun nhiên liệu trực tiếp vào trong buồng cháy cho động cơ xăng đã có từ rất lâu, nhưng do quá nhiều yếu tố chủ quan - khách quan khiến cho nhiều hãng tên tuổi phải “lùi bước” Với việc lắp một vòi phun nhiên liệu bên trong xylanh (giống động cơ diesel) có áp suất phun lớn, nhà sản xuất hoàntoàn có thể đẩy tỉ số nén của động cơ lên cao, giúp hỗn hợp không khí-nhiên liệu “tơi” hơn

1.Hộp thu hồi xăng 7.Bướm ga điều

21.Cảm biến vị trí bàn đạp ga

3.Bơm cao áp 9.Cảm biến áp

suất ống rail

16.Cảm biến nhiệt độ động cơ

22.Bơm chuyển tiếp nhiên liệu

4.Cảm biến và bộ ổn

định thời gian

10.Dàn phân phốinhiên liệu cao áp

17.Bộ xử lý khí thải

23.Cảm biến nhiệt độ khí xả

5.Cuộn đánh lửa và

bugi

11.Cảm biến vị trí trục cam

19.Cảm biến tốc

độ động cơ

25.Cảm biến Lamda đường xả

26.Thùng nhiên liệu 12.Cảm biến ôxi

Phần hệ thống thấp áp của GDI tương tự như hệ thống phun xăng đa điểm (MPI) truyền thống Nó bao gồm các thành phần như bơm xăng, lọc xăng và van điều

áp, tất cả được lắp đặt trong thùng xăng Quá trình hoạt động bắt đầu khi bơm xăng hút nhiên liệu qua các bộ lọc thô và lọc tinh, sau đó dẫn nhiên liệu qua đường ống đến bơm cao áp

 Áp suất nhiên liệu thấp áp trong hệ thống này thường dao động từ 4.5

đến 6 kg/cm², tùy thuộc vào loại xe Áp suất này cao hơn so với hệ thống MPI thông thường, nhằm đảm bảo rằng bơm cao áp hoạt động một cách mạnh mẽ và ổn định

B Phần cao áp

Trong khi phần thấp áp có cấu trúc tương tự như hệ thống MPI, phần cao áp lại có

sự khác biệt rõ rệt Phần này bao gồm bơm cao áp, ống rail, cảm biến áp suất ống rail và kim phun

C Bơm cao áp

Hình 2.2 Bơm cao áp.

C1 Cấu tạo bơm cao áp

Bơm cao áp đóng vai trò quan trọng trong việc phun xăng với áp lực cao, giúp tạo

ra sương nhiên liệu và đẩy nhanh quá trình chuẩn bị hỗn hợp không khí-nhiên liệu Bơm cao áp thường sử dụng bơm piston, với cấu tạo đơn giản nhưng hiệu quả

 Các thành phần chính của bơm bao gồm: piston bơm, trục cam với ba cực trôi nhau, và van áp suất được điều khiển bởi ECU (Electronic Control Unit)

 Khi piston di chuyển lên, van điều khiển vẫn mở, cho phép nhiên liệu trong

xy lanh được nén Khi piston tiếp tục di chuyển, ECU sẽ gửi tín hiệu để đóng van, dẫn đến sự gia tăng áp suất trong xy lanh

C2 Điều khiển phun nhiên liệu

 Trong điều kiện hoạt động bình thường hoặc tải nhẹ, nhiên liệu được phun một cách tối ưu để hòa trộn tốt với không khí, đảm bảo quá trình đốt cháy diễn ra sạch sẽ và tiết kiệm nhiên liệu.

 Khi xe hoạt động với tải lớn hoặc tăng tốc, nhiên liệu sẽ được phun liên tục

để đảm bảo quá trình đốt cháy diễn ra hiệu quả, với sự trộn lẫn đồng nhất giữa nhiên liệu và không khí

D Ống phân phối nhiên liệu

Ống phân phối nhiên liệu là phần cốt lõi của hệ thống, kết nối với ống góp thông qua màng tiết lưu Tất cả các kim phun áp cao đều được nối từ ống này Áp suất trong ống cần được điều chỉnh chính xác theo giá trị tham chiếu từ ECU để hạn chế tối đa sự dao động áp suất

E Kim phun

E1 Cấu tạo

Kim phun bao gồm bộ lọc để đảm bảo nhiên liệu sạch khi đi vào, giắc cắm kết nối với mạch điều khiển, và cuộn dây tạo ra từ trường khi có dòng điện, giúp điềukhiển sự đóng mở của van kim

Hình 2.3 Kim phun.

E2 Yêu cầu của kim phun

Kim phun nhiên liệu của động cơ GDI được lắp đặt trực tiếp trong buồng đốt Nó quyết định thời gian và vị trí phun nhiên liệu, cũng như lượng nhiên liệu cần thiết

để tạo ra tỷ lệ hỗn hợp chính xác, tạo ra vùng hỗn hợp đậm dễ cháy xung quanh bugi tại thời điểm đánh lửa So với kim phun ở động cơ PFI, yêu cầu đối với kim phun GDI cao hơn nhiều, với khả năng phun từ 5 đến 60 mg nhiên liệu trong khoảng thời gian từ 0.9 đến 6.0 ms

E3 Nguyên lý làm việc của kim phun

Khi không có dòng điện chạy qua cuộn dây, lò xo ép kim phun xuống đế, giữ vòi phun ở trạng thái đóng Khi ECU gửi tín hiệu, lõi solenoid sẽ kéo kim lên, tách khỏi đế khoảng 0.1 mm, cho phép nhiên liệu được phun ra.

F Cảm biến áp suất ống rail (FPS)

Cảm biến áp suất ống rail FPS (Fuel Pressure Sensor) thường được gắn ở đầuống rail dùng để đo áp suất nhiên liệu thực tế ở bên trong ống rail gửi tín hiệu về ECMdưới dạng điện áp Cảm biến áp suất ống rail có 3 dây: 1 dây dương 5V lấy

từ hộp, 1dây mass hộp và 1 dây tín hiêu đưa về hộp  Do đó ECM dựa vào tín hiệu này để điều khiển lượng phun nhiên liệu vàotrong buồng đốt động cơ Điều khiển van điều áp tùy thuộc vào từng chế độ hoạt độngcủa động cơ Giám sát van

có hoạt động tốt hay không

Hình 2.4 Cảm biến áp suất ống rails.

Chức năng của FPS:

 ECM sử dụng tín hiệu từ cảm biến để điều chỉnh lượng phun nhiên liệu vàobuồng đốt

 Điều khiển van FPRV (Fuel Pressure Regulator Valve) tùy thuộc vào chế

độ hoạt động của động cơ

 Giám sát hoạt động của van FPRV để đảm bảo nó hoạt động hiệu quả

G Các đường ống cao áp và ống rail

Tất cả các đường ống trong hệ thống này được làm từ thép hợp kim không gỉ, có khả năng chống ăn mòn hóa học Ống rail, hay còn gọi là ống sáo, có hình dạng tương tự như hệ thống phun dầu điện tử Common Rail, và nhiệm vụ chính của nó

là tích trữ nhiên liệu áp suất cao từ bơm cao áp Hệ thống này đảm bảo rằng nhiênliệu được cung cấp một cách ổn định và hiệu quả cho quá trình phun vào buồng đốt

Hình 2.5 Các ống rail và đường ống cao áp

2.2.NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

Hệ thống phun xăng trực tiếp GDI hoạt động bằng cách phun xăng trực tiếp vào bên trong xilanh, với áp suất phun được điều chỉnh tùy thuộc vào phương thức phun và chế độ vận hành của động cơ Khi phun vào cuối kỳ nén, áp suất cần phảicao hơn so với phun vào đầu kỳ nạp Áp suất phun ban đầu có thể được điều chỉnh trong một phạm vi giới hạn tùy vào từng kim phun Việc điều khiển kim phun và đánh lửa được thực hiện độc lập Dựa trên chế độ tải của xe, hệ thống GDI có hai phương thức nạp chính: nạp phân tầng và nạp đồng nhất

nhỏ tập trung ngay trước bugi, giúp động cơ hoạt động hiệu quả hơn ở những mức tải nhẹ.

B Phương pháp nạp đồng nhất:

Chế độ này áp dụng khi động cơ hoạt động với tải lớn hoặc toàn tải Nhiên liệu được phun vào buồng đốt trong kỳ nén gần điểm đánh lửa, và hỗn hợp nhiên liệu-nhờ sự phun đồng nhất này- sẽ giúp quá trình đốt cháy diễn ra hiệu quả hơn, tối

ưu hóa công suất động cơ

C Các chế độ phun nhiên liệu của hệ thống GDI:

Hệ thống phun xăng trực tiếp GDI có nhiều chế độ phun khác nhau, tùy thuộc vàotừng công nghệ và yêu cầu của nhà sản xuất Một trong các chế độ phun phổ biến hiện nay là chế độ phun hướng tia, bên cạnh một số chế độ phun khác như phun dẫn hướng tường và phun dẫn dòng khí

1 Phun dẫn hướng tường:

Đây là chế độ phun trong đó vòi phun có khoảng cách khá lớn với bugi Để đưa nhiên liệu đến gần bugi, nhiên liệu được phun vào một hốc xoáy ở đỉnh pít-tông, sau đó được dẫn về phía bugi nhờ vào dòng không khí xoáy Tuy nhiên, chế độ này có nhược điểm là phát thải hydrocarbon khá cao, vì vậy hiện nay ít được sử dụng

2 Phun dẫn dòng khí:

Giống như chế độ phun dẫn hướng tường, phun dẫn dòng khí cũng có khoảng cách giữa bugi và vòi phun khá xa Tuy nhiên, ở chế độ này, nhiên liệu không tiếpxúc với các bộ phận động cơ lạnh như thành xilanh và pít-tông Thay vào đó, việcphun được điều khiển bằng dòng khí, giúp nhiên liệu được dẫn trực tiếp tới bugi Tuy nhiên, chế độ này làm giảm hiệu suất nạp của động cơ, ảnh hưởng đến công suất và không được áp dụng rộng rãi

3 Phun dẫn tia:

Đây là chế độ phun phổ biến và hiệu quả nhất trong hệ thống GDI Với khoảng cách rất nhỏ giữa vòi phun và bugi, nhiên liệu được phun vào trong giai đoạn cuốicủa hành trình nén, tạo ra một hỗn hợp nhiên liệu không khí rất nhanh và giúp quá trình đánh lửa diễn ra gần như ngay lập tức Điều này giúp tăng hiệu suất động cơ và giảm thiểu sự lãng phí nhiên liệu, từ đó nâng cao công suất và tiết kiệm năng lượng