Đang tải... (xem toàn văn)
GDI là từ viết tắt của cụm từ Gasonline direct injection chỉ các loại động cơ phun xăng trực tiếp. Trong loại động cơ này, xăng được phun thẳng vào buồng cháy của các xi-lanh, khác hẳn nguyên lý phun xăng vào đường nạp của các động cơ phun xăng điện tử thông dụng. Động cơ GDI không dùng bướm ga để điều chỉnh lượng khí nạp như động cơ xăng dùng chế hoà khí nên đường nạp thông thoáng như đường nạp của động cơ Diezel. Động cơ GDI thay đổi lượng
Nguyễn Thanh Trọng LỚP C14A.ÔTÔ3 GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ GDI I MỤC ĐÍCH: Tìm hiểu lịch sử hình thành phát triền thành tựu từ lúc động đời dến nay, biết cấu tạo nguyên lý hoạt động , công suất hiệu hệ thống hoạt động động II NỘI DUNG: 1) Động GDI GDI từ viết tắt cụm từ Gasonline direct injection loại động phun xăng trực tiếp Trong loại động này, xăng phun thẳng vào buồng cháy xilanh, khác hẳn nguyên lý phun xăng vào đường nạp động phun xăng điện tử thông dụng Hình 1: động phun xăng trực tiếp GDI 2) Lịch sử đời động phun xăng trực tiếp: Vào năm 1955, Mercedes – Benz ứng dụng phun xăng trực tiếp vào buồng cháy động cylinder (Mercedes – Benz 300SL) với thiết bị bơm tạo áp suất phun Bosch Tuy nhiên, việc ứng dụng bị quên lãng vào thời điểm thiết bị điện tử chưa phát triển ứng dụng nhiều cho động ôtô, nên việc điều khiển phun nhiên liệu động tuý khí, việc tạo hỗn hợp phân lớp cho động chưa nghiên cứu ngày Vì vậy, so với trình tạo hỗn hợp động trình tạo hỗn hợp buồng đốt không khả quan kết cấu giá thành cao nhiều Mãi đến năm 1996, với tiếng khoa kĩ thuật điện tử động xăng ứng dụng phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng đốt Mitsubishi Moto dưa vào hị trường nhật với tên GDI, xuất thị trường châu âu năm 1998, Mitsubishi áp dụng kĩ thuật vào sản xuất 400.000 động cho dòng xe chỗ đến trước năm 1999 Tiếp theo sau hàng loại hang tiếng PSA( với cho phép Mitsubishi) áp dụng kĩ thuật vào cho động vào khoảng năm 2000-2001.Wolkswagen /Audi cho mắt động GDI vào năm 2001 tên gọi FSI (Fuel Stratified Injention ) BMW không chịu thua cho đời động GDI V12 Các nhà sản xuất xe hàng đầu Genegal Motors áp dụng kĩ thuật GDI cho động để đời dòng xe vào năm 2002 Và sau Toyota phải từ bỏ việc tạo hỗn hợp động để chuyển sang hỗn hợp buồng đốt mắt thi trường với động 2GR-FSE V6 vào đầu năm 2006 3) Cơ sở khoa học động phun xăng trực tiếp: Sự tăng giá đột biến xăng dầu, tiêu chuẩn khí thải động ngày khắc khe buộc nhà khoa học giới không ngừng nghiên cứu tìm biện pháp tiết kiệm nhiên liệu kèm theo giảm khí thải động đốt Nhìu giải pháp đưa ra, giải pháp coi thành công cho đời động GDI So sánh động sử dụng nhiên liệu xăng (tạo hỗn hợp bên ngoài) động sử dung nhiên liệu diesel( tạo hỗn hợp bên buồng đốt) ta thấy : công suất thoái mức tiêu hao nhiên liệu động diesel thấp động xăng Một phần đặt tính nhiên liệu khác chinh trình tạo hỗn hợp đốt cháy hỗn hợp hai loại động khác biệt Tuy nhiên chưa thể ứng dụng động diesel cho xe du lịch động có số nhược điểm: tiếng ồn động cao so vối động xăng, khả tăng tốc động thấp động xăng, đặt biệt khí thải động ô nhiễm động xăng Hình 2: phương pháp hình thành hỗn hợp phân lớp Ford proco Gần thập kỉ nay, người ta nghiên cứu kết hợp ưu điểm động xăng diesel đời loại động để đáp ứng nhu cầu khí thải, suất tiêu hao nhiên kiệu,khả tăng tốc tiếng ồn… nêu Khi xem xét trình tạo hỗn hợp đốt cháy hỗn hợp động diesel ta nhận thấy ưu điểm như: hỗn hợp tạo bên buồng đốt, nhờ tạo hỗn hợp mà động diesel hoạt đông hệ thống dư lượng không khí từ 1.4 -1.8 Do đặt tính hai nhiên liệu khác nên trình hình thành tâm cháy uungj khác nhau,, vây động PFI chạy với tỉ lệ Cần phải có phương pháp tạo hỗn hợp khác phương pháp PFI,đó vấn đẻ đặt Hình 3:Mặt cắt động 3.5L V6 Lexus sử dụng hệ thống nhiên liệu GDI Dựa sở kiểu buồng cháy MAN-FM(Maschinenfabrik Auguburg- Nunrberg).POROCO tìm hệ thống điều khiển TCCS nhà nghiên cứu cho đời kiểu buồng cháy twujc tiếp phân lớp Với kiểu buồng cháy động hoạt động tỉ lệ air/fuel vào khoảng 20:1 Đây bước tiến hảy vột cho động xăng tiền đề cho hệ sau động GDI Hình 4: vòi phun hệ thống phun GDI Nhờ vào phát triển điện tử, tin học cách hai thập kỷ hệ động xăng PFI đời thay động xăng sử dụng carburattor, ưu điểm vượt trội loại động xăng PFI mà biết Cũng gần đây, xuất động GDI thay động PFI Về ưu nhược điểm động GDI so với động PFI Nhờ vào khả tạo hỗn hợp bên buồng đốt nên động GDI kiểm soát xác lượng nhiên liệu đưa vào buồng đốt chu trình hoạt động động cơ, khắc phục nhược điểm phun ống nạp nhiên liệu bị bám vào thành ống Cũng nhờ vào việc phun nhiên liệu trực tiếp kết cấu buồng đốt nên động GDI hoạt động với tỷ lệ air/fuel loãng đảm bảo cho động cháy sạch, tiết kiệm nhiên liệu tối đa, giảm nồng độ khí thải ô nhiễm (nhờ phát huy tác dụng xúc tác dual – catalyst) Tỷ số nén động GDI nâng cao so với động PFI nên công suất động GDI lớn 10% so với động PFI dung tích cylindre Kết cấu hệ thống tăng áp cho động GDI thiết kế hoàn thiện động hoạt động với hỗn hợp cực nghèo Hình : hệ thống phun xăng trực tiếp GDI,nhiên liệu phun trực tiếp vào buồng đốt Tuy nhiên, nhiên liệu phun vào buồng đốt nên đòi áp suất phun phải lớn nhiều so với kiểu phun PFI, kết cấu kim phun phải đáp ứng điều kiện khắc nghiệt buồng cháy, hệ thống điều khiển phun nhiên liệu phức tạp nhiều hỗn hợp tạo phức tạp động PFI, kết cấu buồng đốt phức tạp phải bảo đảm điều kiện hỗn hợp cháy điều kiện cực nghèo… Hình Kết cấu buồng đốt PFI GDI 4) Kết cấu chung động phun xăng trực tiếp: Tăng công suất, tiết kiệm nhiên liệu giảm thiểu khí xả độc hại vào môi trường vấn đề hãng xe vươn tới Bởi hệ thống nhiên liệu ngày phát triển Với động 3.6L V6 Cadillac CTS, sử dụng hệ thống phun xăng điện tử EFI công suất cực đại đạt 263 mã lực, mô-men xoắn cực đại đạt 253 lb/ft Nhưng với hệ thống phun xăng trực tiếp GDI, công suất cực đại tăng lên 304 mã lực mô-men xoắn cực đại 274 lb/ft Ngoài mức tiêu thụ nhiên liệu giảm xuống khoảng 0,5 lít cho quãng đường 100km Hình 6: hệ thống YMJET FI Trong động đại, thường nghe tới hệ thống phun xăng trực tiếp GDI (Gasonline Direct Injection) hệ thống phun xăng điện tử EFI (Electronic Fuel Injection) Vậy hệ thống nhiên liệu có khác biệt? Điểm khác biệt GDI EFI vị trí vòi phun nhiên liệu Hệ thống GDI sử dụng vòi phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng cháy với áp suất lớn, hệ thống EFI phun nhiên liệu bên buồng cháy - phun gián tiếp Như hệ thống GDI, hỗn hợp (nhiên liệu, không khí) hình thành bên buồng cháy, EFI, hỗn hợp hình thành bên qua xupap nạp vào bên buồng cháy 5) Hệ thống EFI chia làm loại chính: - Hệ thống phun xăng đơn điểm (Single Point Injection - SPI): Hệ thống dùng vòi phun trung tâm thay cho chế hoà khí Vòi phun nhiên liệu đặt trước bướm ga tạo thành khí hỗn hợp đường nạp Hệ thống có cấu tạo đơn giản, chi phí chế tạo rẻ, thường xuất xe nhỏ - Hệ thống phun xăng hai điểm (BiPoint Injection - BPI) nâng cấp từ hệ phun nhiên liệu đơn điểm Hệ thống sử dụng thêm vòi phun đặt sau bướm ga nhằm tăng cường nhiên liệu cho hỗn hợp Thông thường hệ thống BPI sử dụng không cải thiện nhiều so với SPI - Hệ thống phun xăng đa điểm (MultiPoint Injection - MPI): Mỗi xi-lanh trang bị vòi phun riêng biệt đặt trước xupap Hệ thống vòi phun lấy tín hiệu từ góc quay trục khuỷu để xác định thời điểm phun xác Hình 7: Hệ thống phun xăng điện tử EFI Trên thực tế, hệ thống phun xăng điện tử EFI xuất từ năm 1950, phải đến năm 1980, hệ thống thực phát triển rộng rãi Châu Âu Trên mẫu xe sử dụng hệ thống nhiên liệu EFI, nguyên lý không thay đổi nhờ có công nghệ điện tử điều khiển phát triển giúp cho hệ thống ngày hoàn thiện đạt hiệu cao nhiều Còn với hệ thống GDI phải tới tận năm 1996, hãng Mitsubishi thức sử dụng mẫu xe Galant Legnum Đây bước đột phá lịch sử phát triển hệ thống nhiên liệu cho động đốt Cho dù ý tưởng sử dụng vòi phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng cháy cho động xăng có từ lâu nhiều yếu tố chủ quan - khách quan khiến cho nhiều hãng tên tuổi phải “lùi bước” Với việc lắp vòi phun nhiên liệu bên xilanh (giống động diesel) với áp suất phun cao, nhà sản xuất hoàn toàn đẩy tỉ số nén động lên cao, giúp hỗn hợp không khí-nhiên liệu “tơi” Quá trình cháy diễn “hoàn hảo”, hiệu suất động cao hơn, công suất lớn hơn, tiết kiệm nhiên liệu đặc biệt giảm thiểu khí xả vào môi trường Về cấu tạo hệ thống nhiên liệu EFI hay GDI phức tạp, nguyên tắc sử dụng tín hiệu từ động (qua cảm biến) xử lý xử lý trung tâm ECU để điều chỉnh vòi phun (thời điểm, lưu lương, áp suất) Dưới số cảm biến quan trọng: - Cảm biến lượng khí nạp: đo lượng không khí xy lanh hút vào - Cảm biến ôxy: đo lượng ôxy khí thải nhằm xác định nhiên liệu hòa trộn thừa hay thiếu xăng để ECU hiệu chỉnh cần thiết - Cảm biến vị trí xupap: giúp ECU điều chỉnh lượng xăng phun vào phù hợp đạp ga - Cảm biến nhiệt độ chất chất làm mát: đo nhiệt độ làm việc động - Cảm biến hiệu điện để ECU bù ga mở thiết bị điện xe - Cảm biến áp suất ống tiết liệu: hằm giúp ECU đo công suất động - Cảm biến tốc độ động cơ: dùng để tính toán xung độ động Hệ thống nhiên liệu GDI có nhiều ưu điểm hệ thống EFI, để trang bị hệ thống GDI, vật liệu sử dụng làm piston xilanh phải có độ bền cao, nhiệt sinh trình cháy cao nhiều, việc chế tạo vòi phun phức tạp Do chi phí cho hệ thống nhiên liệu GDI cao nhiều so với EFI Có lẽ lý quan trọng khiến hệ thống GDI không phổ biến EFI 6) Động GDI có đặc tính bật sau đây: • Điều khiển lượng xăng cung cấp xác, hệ số nạp cao động diesel chí hẳn động diesel • Động có khảnăng làm việc với hổn hợp cực loãng( Air/Fuel) = (35 ̧-55) (khi xe đạt vận tốc 120 Km/h) • Hệ số nạp cao, tỉ số nén e cao (e =12) Động GDI vừa có khả tải cao, vận hành hoàn hảo, vừa có tiêu khác hẳn động MPI 7) Những đặc điểm chủ yếu động “ GDI”: • Sự tiêu thụ nhiên liệu thấp Tiêu thụ nhiên liệu động diesel • Công suất động siêu cao, cao nhiều so với loại động MPI sửdụng Hình 8:công nghệ phun xăng trực tiếp 8) Những đặc tính kỹ thuật động GDI : • Đường ống nạp thẳng góc với piston, tạo lưu thông lưu lượng gió tối ưu • Hình dạng đỉnh piston lồi, lõm hình vẽ tạo thành buồng cháy tốt nhất, tạo hòa trộn nhiên liệu + không khí tối ưu (hơn loại phun xăng MPI ) • Bơm xăng cao áp cung cấp xăng có áp suất cao đến kim phun phun trực tiếp vào xi lanh động • Kim phun nhiên liệu có áp suất phun cao (50 KG/cm2), chuyển động xoáy lốc kết hợp với không khí tạo thành hổn hợp hòa khí ( xăng + gió) tốt • Ở chế độ tải nhỏ nhiên liệu phun cuối trình nén Ở chế độ đầy tải nhiên liệu phun trình nạp • Tiêu hao nhiên liệu 35% so với động phun xăng “ MPI ” 9) Những đặc tính riêng biệt GDI: Tiêu thụ nhiên liệu , tối ưu hiệu suất cao Thời điểm phun tính toán xác nhằm đáp ứng thay đổi tải trọng động cơ.Ở chếđộ tải trọng trung bình xe chạy thành phố nhiên liệu phun cuối nén, giống động diesel hổn hợp loãng nhiều.Ở chế độ đầy tải, nhiên liệu phun cuối nạp, điều có khả cung cấp hổn hợp đồng giống động MPI nhằm mục đích đạt hiệu suất cao Hình 9: Bố trí hệ thống GDI động Chú giải: Fuel pressure sesnor: cảm biến áp suất nhiên liệu Injector: vòi phun Fuel rail: đường nhiên liệu High pressure pump: máy bơm áp lực cao Electronic control unit MED: Bộ điều khiển điện tử MED • Quá trình cháy với hổn hợp cực loãng : Ở tốc độ cao (trên 120 Km/h), động “GDI” đốt hổn hợp nhiên liệu cực loãng, tiết kiệm lượng nhiên liệu tiêu thụ Ở chế độ này, nhiên liệu phun cuối kỳ nén kỳ nổ: tỉ lệ hổn hợp cực loãng , (Air/Fuel) = 30 ̧-40 (35 - ̧ 55 bao gồm EGR) • Ở chế độ công suất cực đại : Khi động GDI hoạt động chế độ tải lớn, toàn tải, tốc độ cao nhiên liệu phun vào xi lanh động suốt kỳ nạp, sựcháy hoàn hảo hơn, nhiên liệu cháy sạch, cháy kiệt, động làm việc êm dịu, tiếng gỏ 10) Những ưu điểm kỹ thuật động cơ” GDI”: • Dòng khí chuyển động lòng xi lanh : Động GDI có đường ống nạp thẳng góc với xi lanh Không khí di chuyển trực tiếp vào đỉnh piston tạo xoáy lốc mạnh, thời điểm tốt cho việc phun nhiên liệu vào động • Phun nhiên liệu: Các nhà chế tạo ô tô chế tạo kim phun xăng có áp suất cao 50 KG/cm2, loại kim phun lý tưởng Ở thời điểm tạo dòng xoáy lốc lớn nên phun tia nhiên liệu mịn: cũngchính đặc điểm kim phun GDI 11) Những dòng xe sử dụng động GDI: Những khía cạnh bật mẫu xe nhỏ với động dung tích hạn chế có hiệu suất cao, kèm với khả vận hành linh hoạt mà tiết kiệm nhiên liệu Sau động tăng áp, dòng xe dần trang bị công nghệ van biến thiên tới phun nhiên liệu trực tiếp Mới nhất, Daimler Porsche tiết lộ cấu truyền đặc biệt giúp thay đổi tỷ số nén Nhờ đó, động có tỷ số nén công tác vượt trội mà đảm bảo hạn chế tượng kích nổ xăng Động nhiêu liệu Diesel hãng xe Đức nâng cao hiệu suất thành tựu vật liệu chế tạo xi-lanh, piston công nghệ phun nhiên liệu trực tiếp với áp suất cao Dường công nghệ phun nhiên liệu trực tiếp (GDi) dần thay hệ thống phun nhiên liệu điện tử trước chỗ chế hòa khí thường mẫu xe Hình 10: Hyundai Accent GDI (Gasoline Direct Injection) công nghệ động xe sử dụng đầu phương áp suất có điều khiển điện tử, phun xăng trực tiếp vào xi-lanh.Sự phổ biến công nghệ ngày rộng nhiều phân khúc, nhiều mẫu xe, đến ca-pô Hyundai Accent đời có thêm dòng chữ GDi dập nắp động Nhờ vòi phun xăng áp suất cao, tỷ số nén công tác dòng động đạt 11:1, kèm theo khả vận hành ‘giàu’ mô-men xoắn tua máy thấp Ưu điểm cấu nạp nhiên liệu giảm tính trễ tăng hiệu suất động thời điểm phun nhiên liệu hệ thống điện tử tính toán, lệnh xác theo dải tua máy định Nhiên liệu “đường vòng” qua đường nạp, mà “tiêm” thẳng vào buồng xi-lanh, hòa tơi không khí, phát nổ sinh công Hơn nữa, nhờ việc điều tiết lưu lượng nhiên liệu phun vào xy-lanh, khả vận hành động điều khiển linh hoạt mà lại tiết kiệm nhiên liệu Hình 11: Trục cam động DVT Ducati Tuy nhiên, tiết kiệm nhiên liệu khả vận hành tốt tua máy thấp yếu tố môtô thể thao thích thú Bởi tua máy làm việc trung bình môtô thể thao cao nhiều so với xe hơi, số vòng tua xe máy đạt tới số (trên 10.000 vòng/phút, vòng tua làm việc trung bình xe khoảng 5.000 vòng/phút) Nhưng Ducati hóa hệ thống van biến thiên VVT (Variable valve timing) xe thành công nghệ riêng mang tên Desmodromic Variable Timing (DVT) III KẾT LUẬN: Động GDI loại động phun xăng trực tiếp sử dụng rộng rãi giới Nó có tính cấu tạo đặc biệt giúp cho động tiết kiệm xăng tăng công suất hoạt động bên cạnh giảm thiểu khí xả độc hại vào môi trường tốt Tuy động GDI có nhiều ưu điểm tốt động EFI để trang bị động GDI, vật liệu sử dụng làm piston xilanh phải có độ bền cao nhiệt sinh trình cháy cao, việc chế tạo vòi phun phức tạp chi phí cho hệ thống nhiên liệu GDI cao EFI nên sử dụng phổ biến EFI