Nghiên cứu, tìm hiểu động cơ phun xăng trực tiếp GDI.

dòng xe phun xăng trực tiếp GDI

BÀI TIỂU LUẬN

BỘ MÔN: Thiết Bị Xưởng & Nhiên Liệu Dầu Mỡ

ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU,NGHIÊN CỨU ĐỘNG CƠ

GDI

Giảng viên hướng dẫn : Trần Anh Tuấn Sinh viên thực hiện: Dung Trần Tín

Trần Quang Nghị Nguyễn Trung Kiên Ngô Hoàng Huynh

Lê Chí Vịnh

Tp Hồ Chí Minh, tháng 09, năm 2016

BỘ QUỐC PHÒNG

Trường Đại Học Trần Đại Nghĩa

Khoa ô tô

- -BÀI TIỂU LUẬN

BỘ MÔN: Thiết Bị Xưởng & Nhiên Liệu Dầu Mỡ

ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU,NGHIÊN CỨU ĐỘNG CƠ

GDI

1 Trần Quang Nghị P1.giới thiệu chung

1.1.lịch sử hình thành1.2.so sánh động cơ GDI &MPI, phun dầu

cơ khí và CRi1.3.đặc tính kỹ thuật động cơ GDI và CRi1.4.đặc điểm hình thành hòa khí trong động cơ

1.5.các dạng buồng cháy trong động cơ GDI

và CRi

2 Nguyễn Trung

Kiên

P2.Đặc điểm cấu tạo và nguyên lý làm việc

2.1.Đặc điểm cấu tạo các bộ phận và các cum chi tiết

2.2 sơ đồ khối và nguyên lý làm việc

3 Ngô Hoàng Huynh 2.3 Đánh giá hiệu suất và tính kinh tế kỹ

thuật2.3.1.công suất và mô men2.3.2.suất tiêu hao nhiên liệu2.3.3.nồng độ phát thải khí xả

4 Lê Chí Vịnh Phần power point thuyết trình

5 Dung Trần Tín Phần power point thuyết trình

Phần I.Giới thiệu chung về động cơ

Mãi đến 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 cháylàm 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

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

thông 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 ôxit nitơ trong khí xả khá lớn, do đó phải sử dụng bộ xử lý khí xả (Catalyser) nhiều thành phần để tách NO2 thành khí nitơ và ôxi

để giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường

1.2.

1.2.1 So sánh động cơ GDI VÀ MPI

Điểm giống:

-Sử dụng nhiên liệu xăng.

-Cả 2 đều có sử dụng hệ vòi phun nhiên liệu áp suất cao cùng cáo hệ thống bơm

và van phân phối Nguyên tắc cơ bản vẫn sử dụng các tín hiệu từ động cơ (qua cáccảm biến) rồi xử lý tại bộ xử lý trung tâm ECU để điều chỉnh vòi phun (thời điểm, lưu lương, áp suất )

Điểm khác

Hệ thống GDI sử dụng vòi phun nhiên

liệu trực tiếp vào trong buồng cháy với

áp suất lớn,

-Hệ thống GDI, hỗn hợp (nhiên liệu,

không khí) sẽ hình thành bên trong

buồng cháy,

-Phải tới tận năm 1996, hãng Mitsubishi

mới chính thức sử dụng trên mẫu xe

Galant Legnum Đây là một bước đột

phá trong lịch sử phát triển hệ thống

nhiên liệu cho động cơ đốt trong

-Hệ thống nhiên liệu GDI có nhiều ưu

điểm hơn MPI

-MPI (MultiPoint Injection) là hệ thốngphun xăng đa điểm

- Hệ thống EFI phun nhiên liệu bên

ngoài buồng cháy - phun gián tiếp.

- Hỗn hợp sẽ hình thành bên ngoài rồi

mới qua xupap nạp vào bên trong buồngcháy

-Xuất hiện từ những năm 1950, nhưng phải đến những năm 1980, hệ thống này mới thực sự phát triển rộng rãi tại Châu Âu

-It ưu điểm hơn

-Để có thể trang bị hệ thống GDI, vật

liệu sử dụng làm piston và xilanh phải

có độ bền cao, do nhiệt sinh ra trong quá

trình cháy cao hơn rất nhiều, ngoài ra

việc chế tạo vòi phun cũng phức tạp

hơn Do vậy chi phí cho hệ thống nhiên

liệu GDI cao hơn

=) ĐỘNG CƠ GDI ÍT PHỔ BIẾN HƠN

Chế tạo không quá phức tạp,chi phí thấp

=) ĐỘNG CƠ MPI PHỔ BIẾN HƠN

1.2.2 So sánh động cơ PHUNG DẦU CƠ KHÍ & COMMON RAIL

Điểm giống:

Sử dụng trên động cơ dầu diesel

Chúng đều hoạt động chung một nguyên lý

Lượng phun ra được quyết định bởi điều khiển bàn đạp ga

Nhiên liệu thừa của vòi phun đi qua bơm cao áp, van điều khiển áp suất tại bơm

mở để nó trở về thùng nhiên liệu Trên ắcquy thủy lực có gắn cảm biến áp suất

và đầu cuối có bố trí van an toàn, nếu áp suất tích trữ trong ắc quy thủy lực lớn quá giới hạn van an toàn sẽ mở để nhiên liệu tháo về thùng chứa

Điểm khác

PHUN DẦU CƠ KHÍ COMMON RAIL

- Điều khiển phun dầu bằng cơ khí

-Điều khiển phun dầu áp suất cao vào

xy lanh động cơ bằng bơm cao áp sử

dụng mô men ,tốc độ và thời gian phun

được điều khiển bằng mô men quay từ

cốt máy

- Tiêu hao nhiều nhiên liệu hơn do ko

điều chỉnh được lưu lượng dầu tối ưu

phù hợp với từng chế độ hoạt động của

động cơ dẫn đến ô nhiễm môi trường

do dầu đốt cháy không hoàn toàn sản

sinh nhiều HC, NOx

V òi phun của bơm cao áp cơ khí gây

ra tiếng ồn lớn

-Điều khiển phun dầu bằng bằng ECU

-Lượng phun ra được quyết định bởi

điều khiển bàn đạp ga, thời điểm phun cũng như áp suất phun được tính toán bằng ECU dựa trên các biểu đồ dữ liệu

đã lưu trên nó Sau đó ECU sẽ điều khiển các kim phun của các vòi phun tại mỗi xy lanh động cơ

Áp suất phun được tạo ra độc lập với

tốc độ và lượng nhiên liệu phun ra

-Vòi phun Common có kết cấu phức

tạp với nhiều chi tiết làm giảm mức

độ tiếng ồn, nhiên liệu được phun ra ở

áp suất rất cao lên đến 1500 barnhờ kếthợp điều khiển điện tử, kiểm soát

lượng phun, thời điểm phun Do đó làm hiệu suất động cơ và tính kinh tế nhiên liệu cao hơn, quá trình cháy trở nên sạch hơn

Động cơ common rail ra đời nhằm khắc phục những nhược điểm của động cơ phun dầu cơ khí

1.3 Đặc tính kỹ thuật động cơ GDI,CRi

1.3.1 Động cơ GDI

Động cơ GDI có những đặc tính nổi bật sau đây:

• 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 khảnăng làm việc được với hổn hợp cực loãng( Air/Fuel) = 55) (khi xe đạt được vận tốc trên 120 Km/h)

• Hệ số nạp rất cao, tỉ số nén e cao (e =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

• Kim phun nhiên liệu có áp suất phun cao (50 KG/cm2), chuyển động xoáy lốckết 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 đầy tải nhiên liệu được phun ở quá trình nạp

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

• 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 lượng nhiên liệu tiêu thụ Ở chế độ này, nhiên liệu được phun ra cuối kỳ nén và kỳ nổ: 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, toàntải, 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

1.3.2 Đặc tính kỹ thuật động cơ CRi (COMMON RAIL)

• Động cơ Common Rail DI-D( Direct Injector Diesel) với kết cấu bơm cao áp cung cấp nhiên liệu với áp suất cao tập trung tại ống common rail và phân phối đến từng kim phun Các kim phun được điều khiển bởi ECU, sau khi nhận các tín hiệu đầu vào từ các cảm biến, giúp cho động cơ Common Rail đạt được hiệusuất hoạt động cao nhất đồng thời hạn chế tối đa tiếng ồn và lượng khí thải ra môi trường

• So với đặc điểm của hệ thống nhiên liệu cũ ,thì các yêu cầu sau đã được thực hiện dựa vào đường đặc tính phun lý tưởng

• Lượng nhiên liệu và áp suất nhiên liệu phun độc lập với nhau trong từng điều kiện hoạt động của động cơ (cho phép dễ đạt được tỉ lệ hỗn hợp A/F lí tưởng)

• Lúc bắt đầu phun, lượng nhiên liệu phun ra chỉ cần một lượng nhỏ

Các yêu cầu trên đã được thỏa mãn bởi hệ thống Common Rail Với đặc điểm phun hai lần : phun mồi và phun chính

Đường đặc tính phun của hệ thống Common Rail Hệ thống Common Rail là hệthống thiết kế theo module

- Kim phun điều khiển bằng van điện từ (solenoid) được gắn vào nắp máy.

- Ống tích trữ nhiên liệu (ống phân phối áp lực cao)

- Bơm cao áp (bơm tạo áp lực cao)

Các thiết bị sau được sự hoạt động điều khiển của hệ thống :

Khi van solenoid không được cấp điện thì kim ngừng phun Nhờ áp suất phun không đổi, lượng nhiên liệu phun ra sẽ tỉ lệ với độ dài của xung điều khiển solenoid

Yêu cầu mở nhanh solenoid được đáp ứng bằng việc sử dụng điện áp cao và dòng lớn.Thời điểm phun được điều khiển bằng hệ thống điều khiển góc phun sớm

Hệ thống này dùng một cảm biến trên trục khuỷu để nhận biết tốc độ động cơ,

và một cảm biến trên trục cam để nhận biết kỳ hoạt động

+ Phun mồi ( pilot injection ).

Phun mồi diễn ra sớm đến 90o trước điểm chết trên (ĐCT)

Nếu thời điểm phun mồi xuất hiện nhỏ hơn 400, nhiên liệu có thể bám vào bề mặt của piston và thành xi lanh và làm loãng dầu bôi trơn

Trong giai đoan phun mồi, một lượng nhỏ nhiên liệu (1- 4 mm3) được phun vào

xy lanh để ‘’mồi’’ Kết quả là quá trình cháy được cải thiện và đạt được một số hiệu quả sau :

Áp suất cuối quá trình nén tăng một ít nhờ vào giai đoạn phun mồi và nhiên liệucháy một phần.Điều này giúp giảm thời gian trễ cháy, sự tăng đột ngột của áp suất khí cháy và áp suất cực đại (quá trình cháy êm dịu hơn)

Kết quả là giảm tiếng ồn của động cơ, giảm tiêu hao nhiên liệu và trong nhiều trường hợp giảm được độ độc hại của khí thải

Quá trình phun mồi góp phần gián tiếp vào việc tăng công suất động cơ

+ Giai đoạn phun chính ( main injection )

Công suất đầu ra của động cơ phụ thuộc vào giai đoạn phun chính tiếp theo giaiđoạn phun mồi Điều này có nghĩa là giai đoạn phun chính giúp tăng lực kéo của động cơ Với hệ thống Common Rail, áp suất phun vẫn giữ không đổi trongsuốt quá trình phun

+ Giai đoạn phun thứ cấp ( secondary injection )

Theo quan điểm xử lý khí thải, phun thứ cấp có thể được áp dụng để đốt cháy NOx

Nó diễn ra sau ngay giai đoạn phun chính và được xác định để xảy ra trong quá trình giãn nở hay kỳ thải khoảng 200o sau ĐCT

Ngược lại so với quá trình phun mồi và phun chính, nhiên liệu phun vào không được đốt cháy mà để bốc hơi nhờ vào sức nóng của khí thải ở ống thải

Trong suốt kỳ thải hỗn hợp khí thải và nhiên liệu được đẩy ra ngoài hệ thống thoát khí thải thông qua xupap thải

Tuy nhiên một phần của nhiên liệu được đưa lại buồng đốt thông qua hệ thống luân hồi khí thải EGR và có tác dụng tương tự như chính giai đoạn phun mồi.Khi bộ hóa khử được lắp để làm giảm NOx, chúng tận dụng nhiên liệu trong khíthải như là một nhân tố hóa học để làm giảm nồng độ NOx trong khí thải

1.4.Đặc điểm quá trình hình thành hòa khí trong động cơ

•Vùng nhiên liệu áp suất thấp: Bơm tiếp vận (nằm trong bơm cao áp) hút

nhiên liệu từ thùng chứa à qua lọc nhiên liệu để lọc sạch cặn bẩn và tách nước

và đưa đến van điều khiển hút (SCV) lắp trên bơm cao áp

•Vùng nhiên liệu áp suất cao: nhiên liệu từ van điều khiển hút (SCV) được

đưa vào buồng bơm, tại đây nhiên liệu sẽ được bơm cao áp nén lên áp suất cao

và thoát ra đường ống dẫn cao áp đi đến ống phân phối và từ ống phân phối đi đến các kim phun chờ sẵn Áp suất nhiên liệu sẽ được quyết định bởi tính toán của ECM tùy theo chế độ làm việc của động cơ thông qua các tín hiệu cảm biếngửi về ECM sẽ điều khiển mức độ đóng mở của van SCV để điều khiển áp suất

hệ thống

Điều khiển phun nhiên liệu: ECM tính toán thời điểm và lượng nhiên liệu phun

ra tối ưu cho từng chế độ làm việc cụ thể của động cơ

•Cơ sở dựa vào tín hiệu từ cảm biến gửi về và gửi tín hiệu yêu cầu phun nhiên liệu đến EDU EDU có nhiệm vụ khuyếch đại điện áp từ 12V à 85V cấp đến kim phun để mở kim à nhiên liệu có áp suất cao đang chờ sẵng trong ống phân phối sẽ phun vào buồng đốt khi kim mở và dứt phun khi EDU ngừng cấp điện cho kim phun

Thời điểm bắt đầu phun được quyết định bởi thời điểm ECM phát tín hiệu phun, lượng nhiên liệu phun ra được quyết định bởi độ dài thời gian phát tín hiệu phun của ECM Tín hiệu yêu cầu phun phát ra càng sớm thời điểm phun càng sớm và ngược lại, tín hiệu yêu cầu phun phát ra càng dài lượng nhiên liệu phun ra càng nhiều và ngược lại

Thời điểm phun nhiên liệu vào động cơ thích ứng với các chế độ hoạt động để tạo ra sự cháy hoàn toàn và mô men cần thiết cho từng chế độ hoạt động đó…

1.5 Các dạng buồng cháy động cơ GDI và CRi

1.5.1 dạng buồng cháy động cơ GDI

Dựa vào cơ sở biên dạng buồng cháy MAN-FM

(MÁCHINENFABRIK-AUGUBURG) , PROCO (FORD PROGAMMER COMBUSTION

buồng cháy này ,động cơ có thể hoạt động được với tỉ lệ khí/nhên liệu

Để thỏa mãn 2 yêu cầu trên, người ta đưa ra một số kiểu buồng đốt kết hợp với việc đặt kim phun vàbougie:

Với các dạng buồng đốt như hình trên, nhiên liệu phun ra nhờ sự cuộn xoáy, nhào trộn của dòng không khí và hình dạng của buồng đốt sẽ bốc hơi và hoà trộn nhanh chóng.Đối vớidạng buồng đốt hình kim phun được đặt ngay giữa trung tâm, vị trí của bougie được bố trí như hình

h.1 Các dạng buồng đốt cơ bản trong động cơ GDI

1.5.1.1 Buồng đốt kiểu Spray – Guide:

Sơ đồ chuyển động dòng khí nạp vào của buồng cháy Spray –Guide.

H2.Sơ đồ bố trí buồng cháy động cơ GDI kim phun, bougie

H2 Hệ thống buồng đốt kiểu Spray – Guide của Renault

1.5.1.2 Kết cấu buồng đốt kiểu Wall – Guide:

Sơ đồ bố trí kim phun và buồng đốt Wall – Guide.

1.5.1.3 Hệ thống buồng đốt kiểu Air – Guide:

H3 Kết cấu buồng đốt kiểu Air – Guide.

1.5.1.4 Hệ thống buồng đốt MAN – FM

Biên dạng hình thành khối hòa khí :

● Biên dạng kết cấu buồng cháy trên một số động cơ thực tiễn

-Kết cấu buồng đốt Benz 300SL

.Kết cấu buồng đốt Honda CVCC

Kết cấu buồngđốt PROCO (a) & TCCS(b).

.Kết cấu buồng đốt MCP (a) và IH – White (b).

Phần II.Đặc điểm cấu tạo và nguyên lý làm việc

2.1 Đặc điểm cấu tạo các bộ phận và các cụm chi tiết

-Kết cấu động GDI cũng tương tự như động cơ EFI, điểm khác nhau cơ bản là

hệ thống buồn cháy, hệ thống nhiên liệu và hệ thống điều khiển nhiên liệu và Đánh lửa ECU bộ xử lí khí thải động cơ GDI còn bố trí them bộ xúc tác ( bộ xúc tác kép) để có thể xử lý khi động cơ hoạt động ở chế độ hỗn hợp nghèo

●Vị trí đặt kim phun và bougie:

H3.Mối quan hệ giữa vị trí kim phun và bougie trong buồng đốt động cơ GDI.

● Các phương pháp tạo hỗn hợp phân lớp trong buồn đốt động cơGDI:

Về cơ bản, động cơ GDI tạo hỗn hợp phânlớp nghèo không hoạt động ở mức tảinhỏ Để tạo một hỗn hợp phân lớp nghèo nhưng khu vực xung quanh bougie hỗnhợp đậm đặc để có thể cháy được trong thời điểm đánh lửa, hệ thống buồng đốtđộng GDI có thể thực thiện theo 3 phương ánsau:

.Bố trí kim phun để hướng dòng nhiên liệu vào đỉnh bougie (Spray – Guide) Hướng dòng nhiên liệu vào đỉnh bougie bằng hình dạn ỉnh piston (Wall –

Guide)

.Hướng dòng nhiên liệu vào đỉnh bougie bằng chuyểnđộng của dòng không khí

nạp vào (Air – Guide)

●

H4 Sơ đồ bố trí buồng cháy của động cơ kim phun, bougi

Và xuppap

Hệ thống cung cấp nhiên liệu của động cơ phun xăng trực tiếp GDI

Hệ thống nhiên liệu của động cơ GDI về cơ bản bao gồm: bơm tạo áp suất

phun, 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, bơm chuyển tiếp, van an toàn, …

H6 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 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 trong buồng đốt thì áp suất phun đòi hỏi phải lớn hơn áp suất không khí trong buồng đốt ở kỳ nén rất nhiều (tỷ lệ này sẽđược xét phần sau)

Việc tạo hỗn hợp trong buồng đốt động cơ GDI liên quan trực tiếp đến quá trình cung cấp nhiên liệu Nếu việc cung cấp nhiên liệu không đạt yêu cầu sẽ dẫn tới quá trình tạo hỗn hợp không tốt và quá trình cháy sẽ không phát huy hết công suất của động cơ, nhiên liệu không được đốt cháy hoàn toàn sẽ gây ra tiêu hao nhiên liệu và ô nhiễm môi trường Dựa trên cở sở điều khiển cung cấp nhiên liệu ở động cơ PFI, hệ thống cung cấp nhiên liệu DISC (direct –

injection stratified – charge) của động cơ Diesel, hệ thống TCCS (Texeco controlled combustion system) dùng cho động cơ Diesel, hệ thống PROCO (Ford programmed combustion control system), … các nhà 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 thống cungcấp 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

cơGDI