Động cơ phun xăng trực tiếp

Tuy nhiên, trong thập kỷ này các nhà khoahọc đã cho ra đời thế hệ động cơ xăng mới là động cơ phun xăng trực tiếp vàobuồng đốt GDI hình 3.1c có khả năng cháy hoàn hảo hơn, có thể làm việ

ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG TRỰC TIẾP GDI

1.1 LỊCH SỬ RA ĐỜI CỦA ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG TRỰC TIẾP:

1.1.1 Quá trình phát triển của động cơ xăng 4 kỳ:

Theo lịch sử, động cơ xăng 4 kỳ được ra đời vào những năm 1876, hỗn hợpcủa động cơ này được tạo ra bởi bộ chế hòa khí (hình 3.1a) Mãi đến những năm

1980, cùng với sự thành tựu to lớn của kỹ thuật điện tử – công nghệ thông tin,động cơ phun xăng xuất hiện với phương pháp hình thành hỗn hợp mới, chuyểnquá trình tạo hỗn hợp bằng phương pháp hiệu ứng Ventury trước đây sang phươngpháp phun xăng trên đường ống nạp được điều khiển và định lượng chính xác bởicụm thiết bị điều khiển bằng điện tử Sự cải tiến từ việc phun đơn điểm sang phun

đa điểm trên đường ống nạp (MPI) đã tạo được một hỗn hợp đồng nhất hơn với tỷ

lệ A/F chính xác như mong muốn (hình 3.1b)

Hình 1.1 – Sơ đồ minh họa sự phát triển của động cơ SI

Với động cơ MPI, đã góp phần giải quyết giảm tình trạng ô nhiễm môitrường và giảm suất tiêu hao nhiên liệu Tuy nhiên, trong thập kỷ này các nhà khoahọc đã cho ra đời thế hệ động cơ xăng mới là động cơ phun xăng trực tiếp vàobuồng đốt (GDI) (hình 3.1c) có khả năng cháy hoàn hảo hơn, có thể làm việc với

tỷ lệ hòa khí cực loãng giới hạn tỷ lệ khối lượng không khí : nhiên liệu đến 1:40,

vì vậy lượng nhiên liệu tiêu thụ cũng giảm dẫn đến việc khí thải ra cũng ít ô nhiễmhơn

Tuy mới có mặt trên thị trường chưa hơn 10 năm, nhưng hiện nay dòng động

cơ này đã chiếm lĩnh thị trường, nhất là ở Châu Âu Với tiêu chuẩn ngày càngkhắc khe buộc các nhà đầu tư dần dần phải ứng dụng dòng động cơ này vào ô tôcủa mình

Theo lịch sử nghiên cứu và phát minh thì Mercedes – Benz, lần đầu tiên vào

năm 1955 đã ứng dụng phun xăng trực tiếp vào buồng cháy của động cơ 6 cylinder (Mercedes – Benz 300SL) với thiết bị bơm tạo áp suất phun của Bosch Tuy

nhiên, ứng dụng này bị quên lãng do vào thời điểm đó thiết bị điện tử chưa đượcphát triển và ứng dụng nhiều cho động cơ ô tô nên việc điều khiển phun nhiên liệucủa động cơ thuần tuý bằng cơ khí, và việc tạo hỗn hợp phân lớp, cũng như nhữngnghiên cứu lý thuyết sâu về quá trình cháy bên trong động cơ chưa được nghiêncứu như ngày nay Do đó, so với quá trình tạo hỗn hợp ngoài động cơ thì quá trìnhtạo hỗn hợp trong buồng đốt cũng không khả quan hơn nhưng kết cấu và giá thànhthì cao hơn nhiều

Mãi đến năm 1996, tình trạng giá xăng dầu leo thang và quy định ngày càng khắt khe về tiêu chuẩn khí thải Misubishi Motors đã thương mại hóa động cơ GDI (Gasoline Direct-Injection) đưa vào thị trường Nhật, hơn 400.000 động cơ động cơ cho dòng xe 4 chỗ đến trước năm 1999 Sự thành công của hãng này là động lực thúc đẩy các nhà sản xuất ô tô khác cũng phải chuyển từ động cơ MPI sang GDI: các hãng như PSA Peugeot Citron, Daimler Chrysler (duới bản quyền

sáng chế cho phép của Mitsubishi) cũng đã áp dụng kỹ thuật này cho dòng động

cơ của mình vào khoảng năm 2000 – 2001, Volkswagen/Audi cho ra mắt kiểuđộng cơ GDI vào năm 2001 nhưng dưới tên gọi FSI (Fuel Stratified Injection),BMW đã cho ra đời động cơ GDI V12

Các nhà sản xuất xe hàng đầu như General Motors cũng đã áp dụng kỹ thuậtGDI cho động cơ của mình để cho ra đời dòng xe mới vào những năm 2002, vàsau cùng đó là Toyota cũng phải từ bỏ việc tạo hỗn hợp ngoài động cơ để chuyểnsang tạo hỗn hợp trong buồng đốt và đã ra mắt thị trường với động cơ 2GR – FSEV6 vào đầu năm 2006

1.2 CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG TRỰC TIẾP.

- Sự tăng giá đột biến của xăng dầu, và tiêu chuẩn về khí thải của động cơ ôtôngày càng khắc khe buộc các nhà khoa học trên thế giới không ngừng nghiên cứutìm ra biện pháp nhằm tiết kiệm nhiên liệu kèm theo giảm khí thải ở động cơ đốttrong Nhiều giảm pháp được đưa ra, một trong những giải pháp được xem làthành công nhất hiện nay (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 sựnạp và cháy phân lớp)

- Nhờ vào sự phát triển của điện tử, tin học cách đây hơn hai thập kỷ thế hệđộng cơ xăng PFI ra đời đã thay thế động cơ xăng sử dụng carburattor, và ưu điểmvượt trội của loại động cơ xăng PFI mà chúng ta đã biết Cũng gần đây, sự xuấthiện của động cơ GDI cũng đã dần dần thay thế động cơ PFI

Mitsubishi đã nổ lực thiết kế và chế tạo ra động cơ có hiệu suất cao nhưđộng cơ phun xăng trực tiếp (GDI) Nhiều năm nay các kỹ sư ô tô vẫn tin rằng

kiểu động cơ này đã tối ưu hóa nhiên liệu cung cấp và quá trình cháy Động cơ này

có công suất phát ra cao và suất tiêu hao nhiên liệu thấp

Cho tới nay, đã có rất nhiều hãng đã chế tạo thành công động cơ GDI như:Toyota, Renualt, Nissan, Mercedes – Benz,… Kết quả của khả năng phát triểnđộng cơ phun xăng trực tiếp GDI là một kỹ thuật đang được các nhà kỹ thuật trênthế giới vươn đến

- Nhờ vào khả năng tạo hỗn hợp bên trong buồng đốt nên ở động cơGDI có thể kiểm soát được chính xác lượng nhiên liệu đưa vào buồng đốt trongmỗi chu trình hoạt động của động cơ, khắc phục được nhược điểm phun trên ốngnạp nhiên liệu bị bám vào thành ống (hình 3.2)

Hình 3.1 – Quá trình tạo hỗn hợp nghèo của động cơ GDI

Hình 1.2 – Quá trình tạo hỗn hợp nghèo của động cơ GDI

- Cũng nhờ vào việc phun nhiên liệu trực tiếp và kết cấu của buồng đốtnên động cơ GDI có thể hoạt động với tỷ lệ air/fuel rất loãng đảm bảo cho động cơcháy sạch, tiết kiệm nhiên liệu tối đa, giảm nồng độ khí thải ô nhiễm (nhờ pháthuy được tác dụng bộ xúc tác dual – catalyst) (hình 3.3)

Hình 1.3 – Nồng độ NOx trong khí xả sau khi qua bộ xúc tác

- Tỷ số nén của động cơ GDI được nâng cao hơn so với động cơ PFInên công suất của động cơ GDI lớn hơn 10% so với động cơ PFI cùng dung tíchcylinder.

Hình 1.4 – Đồ thị so sánh công suất, momen của động cơ MPI & GDI

- Kết cấu của hệ thống tăng áp cho động cơ GDI thiết kế được hoànthiện hơn do động cơ có thể hoạt động với hỗn hợp cực nghèo

- Tuy nhiên, do nhiên liệu được phun vào buồng đốt nên đòi áp suấtphun phải lớn hơn rất nhiều so với kiểu phun PFI, kết cấu kim phun phải đáp ứngđược điều kiện khắc nghiệt của buồng cháy, hệ thống điều khiển phun nhiên liệuphức tạp hơn nhiều do hỗn hợp tạo ra phức tạp hơn ở động cơ PFI, kết cấu buồngđốt cũng phức tạp hơn do phải bảo đảm được điều kiện hỗn hợp có thể cháy đượctrong điều kiện cực nghèo…

1.3 KẾT CẤU CHUNG CỦA ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG TRỰC TIẾP.

- Thực ra về kết cấu chung của động cơ GDI cũng tương tự như động cơ PFI, MPI, điểm khác nhau cơ bản là hệ thống buồng cháy, hệ thống nhiên liệu, và

hệ thống điều khiển nhiên liệu và đánh lửa (ECU) Ơ bộ xử lý khí thải, động cơ GDI có bố trí thêm một bộ xúc tác nữa (bộ xúc tác kép) để có thể xử lý khí thải khiđộng cơ hoạt động chế độ hỗn hợp nghèo

1.3.1 Sự Khác Nhau Giữa GDI Và MPI Hiện Nay:

- Đối với hệ thống nhiên liệu, động cơ sử dụng bộ chế hoà khí được thay thế bằng hệ thống phun nhiên liệu, phun đa điểm MIP Đối với loại này nhiên liệu được phun vào từng lổ nạp của từng xylanh, hiện nay hệ thống này được sử dụng rộng rải nhất Tuy nhiên, động cơ MPI cũng có một số giới hạn về sự đáp ứng cung cấp nhiên liệu điều khiển sự cháy Bởi vì hỗn hợp nhiên liệu và không khí được nạp và trước trong xy lanh

Mitsubishi đã đẩy lùi giới hạn đó bằng việc phát triển động cơ phun xăngtrực tiếp vào xu lanh động cơ tương tự như động cơ diesel.Và hơn thế nửa, ở đầuthời điểm phun được điề u khiển chính xác theo điều kiện tải

Hình1.5 - Sơ đồ kết cấu động cơ GDI Mitsubishi với kiểu hệ thống buồng đốt Wall – Guide

Hình 1.6 : Kết Cấu Chung Của Động Cơ Xăng GDI Mitsubishi

Hình 1.7 Sơ đồ kết cấu của một loại động cơ GDI

1.3.2 Những đặc tính kỹ thuật của động cơ GDI :

 Đường ống nạp thẳng góc với piston, tạo được sự lưu thông của lưu lượnggió tối ưu nhất

 Hình dạng đỉnh piston lồi, lõm như hình vẽ tạo thành buồng cháy tốt nhất,tạo được sự hòa trộn nhiên liệu + không khí tối ưu nhất (hơn cả loại phun xăng MPI )

 Bơm xăng cao áp cung cấp xăng có áp suất cao đến kim phun và phun trựctiếp vào xi lanh động cơ

 Kim phun nhiên liệu có áp suất phun cao (50 KG/cm2), chuyển động xoáylốc kết hợp với không khí tạo thành hổn hợp hòa khí ( xăng + gió) tốt nhất

 Ở chế độ tải nhỏ nhiên liệu được phun ở cuối quá trình nén Ở chế độ đầytải nhiên liệu được phun ở quá trình nạp

 Tiêu hao nhiên liệu ít hơn 35% so với động cơ phun xăng “ MPI ” hiện nay

Hình 1.8 : Cách Bố Trí Hệ Thống Nhiên Liệu của Mitsubishi.

1.3.3 Một Số Ưu Điểm Của GDI So Với Các Động Cơ MPI.

 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 hổn hợp cực loãng( Air/Fuel) =

(35¸-55) (khi xe đạt được vận tốc trên 120 Km/h)

 Hệ số nạp rất cao, tỉ số nén cao ( =12) Động cơ GDI vừa có khả năng tải rất cao, sự vận hành hoàn hảo, vừa có các chỉ tiêu khác hơn hẳn động cơ MPI

Hình 1.9 Đồ thị minh họa

1.3.3.1 Kiểm soát khí thải:

Những nhà chế tạo ô tô trước đây luôn luôn tìm mọi cách để đốt cháy mộthổn hợp nhiên liệu loãng nhằm giảm thiểu cũng như kiểm soát lượng khí NOX Ngày nay, động cơ GDI đã giảm được 97% lượng khí NOX phát ra, điều này đạtđược do có sự tham gia của khí thải hoàn lưu qua EGR cao và nhờ vào sự đốt cháy

ổn định hoàn hảo

Hình 1.10 Đồ thị minh họa

1.3.3.2 Nâng cao hiệu suất động cơ:

Để đạt được hiệu suất cao hơn so với những loại động cơ MPI trước đây,động cơ GDI có tỉ số nén rất cao và bộ lọc không khí hữu hiệu Hiệu suất buồngđốt tốt hơn nhiều Với ống hút thẳng góc xi lanh, gió đi vào xi lanh êm dịu hơn.Điều này làm cho quá trình cháy xảy ra nhanh hơn, hoàn hảo hơn, nâng cao đượchiệu suất buồng đốt

Hình 1.11 Đồ thị minh họa

1.3.3.3 Tỉ số nén cao :

HììHình 1.12 Đồ thị minh họa

So với những loại động cơ MPI, động cơ GDI tăng thêm được 10% côngsuất và moment xoắn động cơ ở số vòng quay công suất max và số vòng quaymoment max

Hình 1.13 Đồ thị minh họa

1.3.3.4 Sự tiêu hao nhiên liệu tối ưu nhất:

Thời điểm phun được tính toán rất chính xác nhằm đáp ứng được sự thay đổitải trọng của động cơ Ở chế độ tải trọng trung bình và xe chạy trong thành phố thìnhiên liệu phun ra ở cuối thì nén, giống như động cơ diesel và như vậy hổn hợploãng đi rất nhiều.Ở chế độ đầy tải, nhiên liệu được phun ra cuối thì nạp, điều này

có khả năng cung cấp 1 hổn hợp đồng nhất giống như động cơ MPI nhằm mụcđích đạt được hiệu suất cao

 Quá trình cháy với hổn hợp cực loãng : Ở tốc độ cao (trên 120 Km/h),

động cơ “GDI” sẽ đốt 1 hổn hợp nhiên liệu cực loãng, tiết kiệm được lượngnhiên liệu tiêu thụ Ở chế độ này, nhiên liệu được phun ra cuối kỳ nén và kỳnổ: tỉ lệ hổn hợp là cực loãng , (Air/Fuel) = 30¸-40 (35¸-55 bao gồm EGR)

 Ở chế độ công suất cực đại : Khi động cơ GDI hoạt động ở chế độ tải lớn,

toàn tải, tốc độ cao thì nhiên liệu được phun vào xi lanh động cơ trong suốt

kỳ nạp, sự cháy hoàn hảo hơn, nhiên liệu được cháy sạch, cháy kiệt, động

cơ làm việc êm dịu, không có tiếng gõ

Hình 1.13a Đồ thị minh họa1.4 HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU CỦA ĐỘNG CƠ GDI.

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

Hình 1.14 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu của một loại động cơ GDI.

Ở động cơ GDI, nhiên liệu được đưa 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 áp suất phun nhiên liệu của kim phunphải lớn hơn áp suất trong buồng đốt ở kỳ nén, đồng thời để nhiên liệu được phuntơi hòa trộn tốt với không khí trong buồng đốt thì áp suất phun đòi hỏi phải lớnhơn áp suất không khí trong buồng đốt ở kỳ nén rất nhiều (tỷ lệ này sẽ được xétphần sau)

Việc tạo hỗn hợp trong buồng đốt động cơ GDI liên quan trực tiếp đến quátrình cung cấp nhiên liệu Nếu việc cung cấp nhiên liệu không đạt yêu cầu sẽ dẫntới quá trình tạo hỗn hợp không tốt và quá trình cháy sẽ không phát huy hết côngsuất của động cơ, nhiên liệu không được đốt cháy hoàn toàn sẽ gây ra tiêu haonhiên liệu và ô nhiễm môi trường.

Dựa trên cở sở điều khiển cung cấp nhiên liệu ở động cơ PFI, hệ thốngcung cấp nhiên liệu DISC (direct – injection stratified – charge) của động cơDiesel, hệ thống TCCS (Texeco controlled combustion system) dùng cho động cơDiesel, hệ thống PROCO (Ford programmed combustion control system), … cácnhà nghiên cứu đã cho ra đời hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ GDI

Những năm gần đây, nhờ sự phát triển của điện tử, máy tính, … hệ thốngcung cấp nhiên liệu của động cơ GDI ngày càng hoàn thiện hơn Sau đây chúng ta

sẽ xét những yêu cầu, cấu tạo, hoạt động của hệ thống nhiên liệu động cơ GDI

1.4.1 Yêu cầu của hệ thống nhiên liệu :

Yêu cầu của hệ thống nhiên liệu là phải cung cấp nhiên liệu với lượngchính xác, khi nhiên liệu phun vào buồng đốt phải được bốc hơi nhanh chống, vàhoà trộn đều khắp buồng đốt Hệ thống buồng đốt của động cơ GDI được thiết kế

có các vách dẫn hướng để nhiên liệu khi phun vào sẽ được dẫn hướng va chạm vàolớp không khí và được bốc ra từng lớp tạo điều kiện thuận lợi cho việc bốc hơi vàhoà trộn tạo hỗn hợp đồng nhất

Hệ thống nhiên liệu còn phải đáp ứng được điều kiện tạo hỗn hợp phân lớpkhi động cơ hoạt động chế độ tải nhỏ

Hình1.15 Ống phân phối và các kim phun

1.4.2 Yêu cầu của áp suất phun:

Để kim phun có thể phun vào buồng đốt vào kỳ nén thì áp suất nhiên liệuphải từ 4.0 MPa – 13.0 MPa (tuỳ từng loại động cơ) Các kim phun được bố tríchung hệ thống common rail (hình 3.15), hệ thống này phải đảm bảo được việc tạo

áp suất như yêu cầu vừa nêu và ổn định trong lúc kim hoạt động (vì trong quá

trình phun có thể làm sụt áp suất trên đường ống sẽ ảnh hưởng đến chất lượng quátrình phun nhiên liệu).

Đối với dòng nhiên liệu được phun vào buồng đốt nếu áp suất thấp nhiênliệu sẽ bốc hơi và hoà trộn không tốt, tuy nhiên nếu phun với áp suất quá cao dòngnhiên nhiêu sẽ xuyên qua khối khí có thể va chạm vào thành của buồng đốt cũngkhông tốt cho việc bốc hơi

Hình 1.16 Sơ đồ hệ thống bơm, bộ phân phối.

1.4.3 Yêu cầu của kim phun:

Kim phun nhiên liệu của động cơ GDI được bố trí trực tiếp trong buồngđốt Kim phun là một nhân tố cấu thành buồng đốt của động cơ GDI : một mặt, nóquyết định khoảng không gian thời gian và vị trí của dòng nhiên liệu cung cấp chobuồng đốt Mặt khác, nó quyết định lượng nhiên liệu cấp vào buồng đốt để tạo ra

tỷ lệ hỗn hợp chính xác và tạo ra vùng hỗn hợp đậm dễ cháy xung quanh bougietại thời điểm đánh lửa

So với kim phun nhiên liệu ở động cơ PFI, thì yêu cầu đối với kim phunđộng cơ GDI đòi hỏi cao hơn nhiều Trong thời gian ngắn từ 0.9 đến 6.0 ms phảiđưa được lượng nhiên liệu từ 5 đến 60 mg vào buồng đốt và phải đạt được nhữngyêu cầu trên Mặt khác, vì kim phun được bố trí trực tiếp trong buồng đốt nên nóphải đáp ứng được các yêu cầu tương tự như kim phun của động cơ Diesel (loạibuồng đốt thống nhất)

* Phun nhiên liệu: Các nhà chế tạo ô tô đã chế tạo ra những kim

phun xăng có áp suất rất cao 50 KG/cm 2, đây là loại kim phun lý tưởng Ở cùng một thời điểm nó tạo được dòng xoáy lốc lớn nên phun ra những tia nhiên liệu rất mịn: đây cũng chính là đặc điểm về kim phun của GDI

Sự phun xăng trực tiếp khác với hệ thống phun xăng trên đường nạp ở sựđiều khiển của kim phun Nó cần một áp suất lớn do áp suất phun lớn để thắngđược áp suất trong lòng xi lanh động cơ (trong buồng cháy) ở cuối kỳ nén Kimphun phải hoạt động nhanh nhạy hơn từ 4 đến 5 lần so với các kim phun cổ điển

do thời gian phun ngắn nhất ở chế độ cháy tầng Vì vậy một điện áp cao

(90-100)V cung cấp cho hệ thống nhiên liệu để giới hạn cường độ dòng điện cao có

thể đạt đến 20A trong mạch điện (vì dòng điện quá lớn sẽ làm tăng kích thước các

thiết bị điện và linh kiện điện tử) Hiệu điện thế cao này chỉ được sử dụng trongthời gian ngắn để nhấc ty kim của kim phun, còn việc giữ ty kim mở thì đượcthực hiện ở hiệu điện thế 12V

Hệ thống HPDI (high pressure direct injection) được sử dụng trong hệthống phun xăng trực tiếp Renault, Mitsubishi, Bosch

Hình 1.17 Hình dạng tia phun ở chế độ nạp phân tầng và nạp đồng nhất

- Trong những loại động cơ trước đây, hổn hợp : nhiên liệu + không khí phântán không hoàn hảo nên sự phóng tia lửa điện ở các bougie là rất khó Tuynhiên , điều này được động cơ GDI khắc phục Hơn nửa sự tiết kiệm nhiênliệu còn được thực hiện bởi sự sắp xếp theo lớp của hổn hợp khi nhiên liệuđược phun ra ở cuối kỳ nén, lúc này hổn hợp nhiên liệu ở mức cực loãng Ởmẫu động cơ này, hổn hợp nhiên liệu có độ đậm đặc tốt nhất khi nó xếpthành từng lớp ngay ở điện cực của bougie Sự cháy cực kỳ ổn định của hổnhợp nhiên liệu cực loãng với tỉ lệ (không khí/xăng) = 1/40, được thể hiệndưới đây:

Hình 1.18 Qu trình chy với hồ khí lỗng

Hình 1.19 Cháy với hoà khí loãng

Với hổn hợp được tạo thành từng lớp của động cơ GDI, đảm bảo cháyđược hổn hợp không khí + xăng cực loãng (sự đốt cháy nhanh chóng và ổn định :không làm giãm hiệu quả đốt cháy động cơ).Tỉ lệ của hổn hợp cực loãng (khôngkhí/xăng) = 40/1 (55/1)

1.4.4 Các loại kim phun:

Về cơ bản, thì kim phun hiện nay của loại động cơ GDI không thay đổinhiều Các nhà sản suất chủ yếu phát triển về việc độ tán nhỏ tia nhiên liệu khiphun Bằng thực nghiệm, người ta chứng minh được góc độ phun tốt nhất của

chùm tia phun từ 30 0 – 90 0

Để điều khiển kim phun, người ta dùng thay đổi điện áp hoặc thay đổicường độ dòng điện cấp cho cuộn solenoid Tuy nhiên, ở kim phun động cơ GDI

sử dụng phương pháp điều khiển điện áp (về ưu nhược điểm của các phương phápđiều khiển này được đánh giá ở động cơ PFI) Để kim phun nhấc lên và nhiên liệuđược phun vào đòi hỏi phải có thời gian từ lúc cấp điện đến khi ty kim nhấc lên vàkhi ty kim đóng cũng cần có thời gian để đóng lại hoàn toàn (thời gian này gọi làthời gian chết) Trong 1 chu trình hoạt động của động cơ thời gian để kim phuncấp nhiên liệu vào động cơ là rất ngắn (từ 0.9 – 6.0 ms nhất là khi động cơ hoạtđộng tốc độ cao) vì vậy, thời gian chết của kim phun cần phải được tính toán chínhxác và cần thiết kế kim phun sao cho dòng điện cảm ứng do cuộn solenoid gây ra

là nhỏ nhất Đồng thời trong quá trình nhấc kim dòng nhiên liệu phun vào động cơ

có thể làm thay đổi áp suất trên đường ống (common rail) và trong quá trình đóngkim đột ngột cũng làm dao động áp suất trong đường ống

1.4.4.1 Kim phun một lỗ phun:

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 nhiênliệu phun vào buồng đốt cuộn xoáy Trong quá trình ty kim nhấc lên mở lỗ phunnhưng không mở hoàn toàn mà chỉ từ 10 – 90 % đường kính của lỗ phun (DV90 –DV10)

* Cấu tạo kim phun: Kim phun gồm các chi tiết như hình sau:

Hình 1.20 Sơ đồ kết cấu kim phun một lỗ.

Chú Thích: Filter = Lọc xăng, Connector = Đầu nối điện, Coil = Cuộn dây

trong solenoid, Spring = Lò xo, Needle = Ty kim.

300 trước điểm chết trên 600 trước điểm chết trên 900 trước điểm chết trên

Hình 1.21 : Sự phun nhiên liệu của kim phun ở các góc độ quay trục khuỷu khác nhau:

1.4.4.2 Kim phun nhiều lỗ phun:

Ap suất phun từ 9.5 – 12.0 MPa, số lỗ từ 4 – 10 lỗ, góc phun từ 300 - 900

So với loại kim một lỗ loại này có ưu điểm khi nhiên liệu phun vào được tạo ra từnhiều lỗ sẽ thuận lợi cho việc bốc hơi và hoà trộn Tuy nhiên, với số lỗ nhiều thìđường kính các lỗ nhỏ hơn 1 lỗ nên dễ bị nghẹt (do đặt trực tiếp trong buồngcháy)

Hình 1.21_a Kim phun nhiều lỗ tia.

1.4.4.3 Kim phun có sự trợ giúp của dòng không khí (PPAA: Pulse – Pressurized, Air – Assisted):

Dòng nhiên liệu đưa vào buồng đốt được sự trợ giúp của dòng không khí ápsuất cao, đối loại kim này áp suất nhiên liệu trên đường ống common rail 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 kimđược điều khiển bằng cuộn solenoid (có thể 1 hoặc 2 cuộn) Hình dạng và sơ đồ

hình 1.22

Hình 3.22 kết cấu kim phun PPAA.

1 5 CÁC DẠNG BUỒNG CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ GDI & PHƯƠNG CÁCH HÌNH THÀNH HỖN HỢP:

1.5.1 Các yêu cầu cơ bản:

- Tạo một vùng hỗn hợp đậm đồng nhất xung quanh điện cực trung tâmbougi, còn vùng xung quanh là hỗn hợp phân bố dạng phân lớp với thành phầnnghèo

- Tạo hỗn hợp đồng nhất và phân lớp, giữa các lớp không có đường chuyểntiếp

- Tạo được một vùng hỗn hợp đậm (dễ cháy) xung quanh bougie và phảiđúng ngay thời điểm đánh lửa của động cơ

- Để thỏa mãn 2 yêu cầu trên, người ta đưa ra một số kiểu buồng đốt

kết hợp với việc đặt kim phun và bougie như những hình sau:

Hình B : Mối quan hệ giữa vị trí kim phun và bougie trong buồng đốt động

cơ GDI.

- Trên hình B cho ta thấy dòng khí xoáy lốc, bougie đặt thẳng đứng,

kim phun đặt nghiêng Trên đỉnh piston khoét lõm để dẫn hướngdòng khí và tạo xoáy lốc dòng khí

Hình C : Mối quan hệ giữa vị trí kim phun và bougie trong buồng đốt động

kỳ nén, sau đó được di chuyển tới bougie Với những kỹ thuật quan sát tiến bộ củahãng ô tô Mitsubishi, các phương pháp dùng tia laser để quan sát buồng đốt đã

được ứng dụng để xác định hình dạng của piston cho phù hợp nhất Với các dạngbuồng đốt như hình B-C-D, nhiên liệu phun ra nhờ sự cuộn xoáy, nhào trộn củadòng không khí và hình dạng của buồng đốt sẽ bốc hơi và hoà trộn nhanh chóng.Cách bố trí bougie được đặt ngay trung tâm kim phun được bố trí sao cho dòngnhiên liệu khi phun vào giai đoạn đầu sẽ bốc hơi tạo hỗn hợp đồng nhất, giai đoạnsau khi piston lên gần điểm chết trên sẽ cuộn xoáy theo biên dạng của buồng cháy

và tạo ra hỗn hợp đậm xung quanh đỉnh bougie

Hình 1.23 Kết cấu dạng buồng cháy của một loại động cơ GDI.

Minh họa các kiểu buồng đốt của động cơ GDI & phương pháp hình thành hỗn hợp

Về đặc trưng của nguyên lý cung cấp nhiên liệu cơ bản trong động cơ GDI,động cơ GDI tạo hỗn hợp phân lớp nghèo khi hoạt động ở mức tải nhỏ Còn ở chế

độ từ tải vừa trở lên thì hỗn hợp được tạo ra đồng nhất và có tỷ lệ tương tự nhưđộng cơ MPI Để tạo một hỗn hợp phân lớp nghèo nhưng khu vực xung quanhbougie hỗn hợp đậm đặc có thành phần phù hợp để có thể cháy được trong thờiđiểm đánh lửa, hệ thống buồng đốt động cơ GDI có thể thực thiện theo 3 phương

Hình 3.24– Các kiểu phun nhiên liệu trong động cơ buồng đốt GDI.

Hình E Một số hình dạng đỉnh piston của buồng đốt trong động cơ GDI.

Hình 1.24 Sơ đồ kết cấu của một loại động cơ GDI.

Hệ thống buồng đốt kiểu Spray – Guide & phương pháp hình thành hỗn hợp:

Buồng đốt loại này được tìm ra sớm nhất ứng dụng nạp trực tiếp hỗn hợpphân lớp (DISC) cho động cơ GDI

Hình 1.25 Sơ đồ chuyển động dòng khí nạp vào

của buồng cháy Spray – Guide.

Với cách bố trí bougie và kim phun như trên gây khó khăn cho việc thiết kế

và chế tạo culasse do vậy người ta đưa ra một số cách bố trí soupape, bougie, kimphun như sau:

Hình 1.27 Hệ thống buồng đốt kiểu Spray – Guide của Renault

1.5.2 Hệ thống buồng đốt kiểu Wall – Guide:

Hình 1.28 Kết cấu buồng đốt Wall – Guide.

Với kiểu buồng đốt này bougie được bố trí ngay trung tâm, đối với trườnghợp động cơ sử dụng 2 ống nạp cho 2 soupape nạp kim phun được bố trí như hình3.29a và 1 ống nạp cho 2 soupape nạp như hình 3.29b

Hình 1.29 Sơ đồ bố trí kim phun và bougie của buồng đốt Wall – Guide.

1.5.3 Các kiểu buồng đốt đầu tiên của động cơ GDI:

- Hệ thống buồng đốt MAN – FM là mẫu đầu tiên được các nhà nghiên cứuthiết kế đầu tiên