Động cơ phun xăng trực tiếp GDI

Lời Nói Đầu Mục đích việc cải tiến kết cấu động đốt nhằm nâng cao hiệu suất, tiết kiệm nhiên liệu, giảm nồng độ khí thải ô nhiễm, … Để cải tiến động đốt ngày tốt hơn, người ta nghiên cứu nhiều khía cạnh: ma sát, vật liệu, chất bôi trơn, nhiên liệu, giải nhiệt, xử lý khí thải, xử lý vi điều khiển,… Phương pháp tạo hỗn hợp động đốt nhà khoa học quan tâm nhiều nhất, đặc biệt động xăng thập kỷ gần đạt thành tựu đáng kể Việc chuyển từ carburattor sang phun xăng đường ống nạp hoàn thiện trình tạo hỗn hợp bên động Với phương pháp tạo hỗn hợp (PFI), thực tế động chưa thể hoạt động hỗn hợp cực nghèo, vấn đề đặt cần phải có cải tiến để đưa động xăng đạt đến gần động Diesel Và xuất phương pháp tạo hỗn hợp đáp ứng yêu cầu phương pháp tạo hỗn hợp bên buồng đốt GDI (gasoline direct injection) Những thành tựu đạt động GDI đáng kể, động trình cháy hoàn thiện hơn, động hoạt động với hỗn hợp cực nghèo, vấn đề tiết kiệm nhiên liệu, ô nhiễm môi trường giải phần Đối với người có tâm huyết nghiên cứu, tìm hiểu kết cấu đặc tính dòng động cần thiết Trong chuyên đề này, trình cháy động GDI trình bày thành chương: Chương 1: Quá trình cháy động đốt trong; chương 5: Kết luận - học viên Đặng Vũ Duy Tân thực Chương 2: Động phun xăng trực tiếp GDI - học Chương 3: Quá trình cháy động GDI - học viên Phan Tuấn Kiệt thực viên Đinh Vũ Thắng thực Chương 4: Tính toán mô trình cháy động GDI - học viên Thông Quốc Hữu Khánh Phúc thực Chúng xin bày tỏ lòng biết ơn tri thức truyền đạt từ giảng viên hướng dẫn PGS.TS Phạm Xuân Mai, giảng dạy tận tâm, khoa học đầy nhiệt tình Thầy giúp tiếp cận hiểu biết phần lớn chuyên đề Chương 2: ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG TRỰC TIẾP (GDI) 2.1 Lòch sử đời động phun xăng trực tiếp 2.2 Cơ sở khoa học động phun xăng trực tiếp 2.3 Kết cấu chung động phun xăng trực tiếp 2.4 Các dạng buồng cháy động phun xăng trực tiếp 2.4.1 Các yêu cầu buồng cháy GDI 2.4.2 Vò trí đặt kim phun bugi 2.4.3 Các phương pháp tạo hỗn hợp phân lớp buồng đốt động GDI 2.4.3.1 Hệ thống buồng đốt kiểu Spray – Guide 2.4.3.2 Hệ thống buồng đốt kiểu Wall – Guide 2.4.3.3 Hệ thống buồng đốt kiểu Air – Guide 2.4.4 Các kiểu buồng đốt động GDI 2.5 Hệ thống cung cấp nhiên liệu động phun xăng trực tiếp 2.5.1 Yêu cầu hệ thống nhiên liệu 2.5.2 Yêu cầu áp suất phun 2.5.3 Yêu cầu kim phun 2.5.4 Các loại kim phun 2.5.4.1 Kim phun lỗ phun 2.5.4.2 Kim phun nhiều lỗ phun 2.5.4.3 Kim phun có trợ giúp dòng không khí 2.6 Kết cấu động GDI số hãng giới 2.6.1 Kết cấu động GDI Mitsubishi 2.6.2 Kết cấu động GDI Toyota 2.6.3 Kết cấu động GDI Audi 2.6.4 Kết cấu động GDI Nissan 2.6.5 Kết cấu động GDI Ford 2.6.6 Kết cấu động GDI Mercedes – Benz 2.7 Kết luận Tài liệu tham khảo: Lê Viết Lượng _ Lý thuyết động Diesel Cornel Stan _ Direct Injection Systems for Internal Combustion Engines SAE International, SP-1891 _ Direct Fuel Injection, Engine Diagnostics, and New Developments in Powertrain Tribology, CVT, ATF & Fuel Economy John B Heywood _ Internal Combustion Engine Fundamentals Fuquan (Frank) Zhao, David L.Harrington, Ming-Chia Lai _ Automotive Gasoline Direct-Injection Engines Mitsubishi motor technical website Toyota website Hitachi Direct Gasoline website Chương 2: ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG TRỰC TIẾP (GDI) 2.1 Lòch 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 bò bơm tạo áp suất phun Bosch Tuy nhiên, việc ứng dụng bò quên lãng vào thời điểm thiết bò 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 tiến khoa học kỹ thuật điện tử, động xăng ứng dụng phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng đốt Mitsubishi Motors đưa trở lại thò trường Nhật với tên GDI (Gasoline direct injection), xuất châu Âu vào năm 1998 Mitsubishi áp dụng kỹ thuật sản xuất 400.000 động cho dòng xe chỗ đến trước năm 1999 Tiếp theo sau, hàng loạt hãng tiếng PSA Peugeot Citrn, Daimler Chrysler (với cho phép Mitsubishi) áp dụng kỹ thuật cho dòng động vào khoảng năm 2000 – 2001 Volkswagen/Audi cho mắt động GDI vào năm 2001 tên gọi FSI (Fuel Stratified Injection) BMW không chòu thua cho đời động GDI V12 Các nhà sản xuất xe hàng đầu General Motors áp dụng kỹ thuật GDI cho động đời dòng xe vào năm 2002 Và sau Toyota phải từ bỏ việc tạo hỗn hợp động để chuyển sang tạo hỗn hợp buồng đốt mắt thò trường với động 2GR – FSE V6 vào đầu năm 2006 2.2 Cơ sở khoa học động phun xăng trực tiếp: Sự tăng giá đột biến xăng dầu, tiêu chuẩn khí thải động ôtô ngày khắc khe buộc nhà khoa học giới không ngừng nghiên cứu tìm biện pháp nhằm tiết kiệm nhiên liệu kèm theo giảm khí thải động đốt Nhiều giảm pháp đưa ra, giải pháp xem thành công (áp dụng cho động sử dụng nhiên liệu xăng) cho đời động GDI (hỗn hợp tạo bên buồng đốt động cơ, với nạp cháy phân lớp) So sánh động sử dụng nhiên liệu xăng (tạo hỗn hợp bên ngoài) động sử dụng nhiên liệu Diesel (tạo hỗn hợp bên buồng đốt) ta thấy rằng: công suất phát suất tiêu hao nhiên liệu động Diesel thấp động xăng Một phần đặc tính nhiên liệu khác nhau, trình tạo hỗn hợp đốt cháy hỗn hợp loại động khác biệt Tuy nhiên, chưa thể ứng dụng động Diesel cho xe du lòch động có số nhược điểm: tiếng ồn động cao so với động xăng, khả tăng tốc động thấp động xăng, đặc biệt khí thải động cao động xăng Gần ba thập kỷ nay, người ta tìm cách kết hợp ưu điểm động xăng Diesel đời loại động đáp ứng nhu cầu khí thải, suất tiêu hao nhiên liệu, khả tăng tốc, tiếng ồn, … nêu Khi xem xét trình tạo hỗn hợp đốt cháy hỗn hợp động Diesel ta nhận thấy có ưu điểm: hỗn hợp tạo bên buồng đốt, nhờ vào tạo hỗn hợp mà động Diesel hoạt động hệ số dư lượng không khí λ từ 1.4 – 1.8 (cũng nguyên nhân nồng độ NOx khí thải động Diesel cao động xăng) Do đặc tính hai nhiên liệu khác nên trình hình thành tâm cháy khác nhau, động xăng PFI hoạt động với tỷ lệ λ Cần phải có phương pháp tạo hỗn hợp khác với phương pháp PFI, vấn đề đặt Dựa sở kiểu buồng cháy MAN – FM (Maschinenfabrik Auguburg – Nurnberg), PROCO (Ford programmed combustion control), hệ thống điều khiển TCCS (Texaco Controlled Combustion System) nhà nghiên cứu cho đời kiểu buồng cháy phun nhiên liệu trực tiếp & phân lớp (DISC: direct – injection, stratified – charge) Với kiểu buồng cháy này, động hoạt động tỷ lệ air/fuel vào khoảng 20:1 Đây bước tiến nhảy vọt cho động xăng, tiền đề cho hệ sau động GDI Hình 2.2 – Hệ thống buồng đốt MAN – FM 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 (hình 2.2 – 2) khái quát sau: - 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 bò 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 - 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 2.2 – Kết cấu buồng đốt PFI GDI 2.3 Kết cấu chung động phun xăng trực tiếp: Kết cấu động GDI tương tự động PFI, điểm khác hệ thống buồng cháy, hệ thống nhiên liệu, hệ thống điều khiển nhiên liệu đánh lửa (ECU) xử lý khí thải, động GDI có bố trí thêm xúc tác (bộ xúc tác kép) để xử lý khí thải động hoạt động chế độ hỗn hợp nghèo Hình 2.3 – Sơ đồ kết cấu loại động GDI 2.4 Các dạng buồng cháy động phun xăng trực tiếp: 2.4.1 Các yêu cầu buồng cháy GDI: Hệ thống buồng cháy động GDI hoàn thiện phải đảm bảo yếu tố: - Tạo hỗn hợp đồng phân lớp, lớp đường chuyển tiếp - Tạo vùng hỗn hợp đậm (dễ cháy) xung quanh bougie phải thời điểm đánh lửa động Để thỏa mãn yêu cầu trên, người ta đưa số kiểu buồng đốt kết hợp với việc đặt kim phun bougie: Hình 2.4 – Các dạng buồng đốt GDI Với dạng buồng đốt hình 2.4 – 1, nhiên liệu phun nhờ cuộn xoáy, nhào trộn dòng không khí hình dạng buồng đốt bốc hoà trộn nhanh chóng Đối với dạng buồng đốt hình 2.4 -1a, kim phun đặt trung tâm, vò trí bougie bố trí hình Với cách bố trí này, nhiên liệu phun vào đảm bảo tỷ lệ A/F xung quanh bugi cháy Cách bố trí thứ 2, bougie đặt trung tâm kim phun bố trí cho dòng nhiên liệu phun vào giai đoạn đầu bốc tạo hỗn hợp đồng nhất, giai đoạn sau piston lên gần điểm chết cuộn xoáy theo biên dạng buồng cháy tạo hỗn hợp đậm xung quanh đỉnh bougie hình 2.4 – 1b Tương tự, kiểu buồng đốt hình 2.4 – 1c,d tạo hỗn hợp kim phun bougie bố trí phạm vi chỏm buồng đốt (piston culasse) dựa vào biên dạng để tạo hỗn hợp đậm xung quanh đầu bougie 2.4.2 Vò trí đặt kim phun bougie: Mối quan hệ vò trí kim phun bougie buồng đốt động GDI quan trọng để tạo nên tâm cháy kỳ cháy động Đặt trưng trình nạp động GDI tải nhỏ tạo hỗn hợp nghèo phân lớp, cần phải bố trí kim phun bougie cho hướng dòng nhiên liệu vào đỉnh đầu bougie để tạo nên hỗn hợp đậm khu vực xung quanh đỉnh bougie thời điểm đánh lửa Nếu đặt kim phun xa bougie, khu vực xung quanh bougie thời điểm đánh lửa mà hỗn hợp nghèo khó hình thành tâm cháy mở rộng vùng cháy (hình 2.4 – 2a) Tuy nhiên, bố trí kim phun gần bougie tạo hỗn hợp đậm đặt xung quanh bugi dòng nhiên liệu phun từ kim làm đầu bougie ẩm ướt nhiên liệu lý làm bougie tạo tia lửa thời điểm đánh lửa (hình 2.4 – 2b) Hình 2.4 – Mối quan hệ vò trí kim phun bougie buồng đốt động GDI Vì thiết kế buồng cháy, cần tính toán dòng nhiên liệu kim phun phun vào buồng cháy tia lửa điện bougie phát để tính toán bố trí kim phun bougie hợp lý 2.4.3 Các phương pháp tạo hỗn hợp phân lớp buồng đốt động GDI: Về bản, động GDI tạo hỗn hợp phân lớp nghèo hoạt động mức tải nhỏ Để tạo hỗn hợp phân lớp nghèo khu vực xung quanh bougie hỗn hợp đậm đặc để cháy thời điểm đánh lửa, hệ thống buồng đốt động GDI thực thiện theo phương án sau: - Bố trí kim phun để hướng dòng nhiên liệu vào đỉnh bougie (Spray – Guide) (hình 2.4 – 3a) - Hướng dòng nhiên liệu vào đỉnh bougie hình dạng đỉnh piston (Wall – Guide) (hình 2.4 – 3b) - Hướng dòng nhiên liệu vào đỉnh bougie chuyển động dòng không khí nạp vào (Air – Guide) (hình 2.4 – 3c) (a) (b) (c) Hình 2.4 – Sơ đồ dạng buồng đốt tạo hỗn hợp phân lớp động GDI 2.4.3.1 Hệ thống buồng đốt kiểu Spray – Guide: Buồng đốt loại tìm sớm ứng dụng nạp trực tiếp hỗn hợp phân lớp (DISC) cho động GDI Nó Ford PROCO (Ford programmed combustion control system) kiểm nghiệm kết luận đạt cháy nghèo với hỗn hợp nạp phân lớp bố trí kim phun bougie hợp lý buồng cháy này, việc tạo hỗn hợp phân lớp cần phải có kết hợp hình dạng đỉnh piston (hình 2.4 – 3a), chuyển động piston dòng không khí nạp vào chuyển động rối, thời điểm phun nhiên liệu phun vào bốc nhanh chống hoà trộn với dòng khí hình 2.4 – Với phương pháp tạo hỗn hợp phân lớp nghèo động hoạt động chế độ tải nhỏ, động hoạt động tỷ lệ λ ≈ 8.0 nên tiết kiệm đáng kể lượng nhiên liệu tiêu thụ chế độ Hình 2.4 – Sơ đồ chuyển động dòng khí nạp vào buồng cháy Spray – Guide 10 2.4.3.3 Hệ thống buồng đốt kiểu Air – Guide: Hệ thống buồng đốt Air – Guide lợi dụng chuyển động dòng không khí cylindre nhiên liệu phun vào chuyển động theo bốc Bougie bố trí trung tâm buồng đốt kim phun bố trí soupape nạp, nhờ cuộn xoáy dòng khí nên dòng hỗn hợp tạo trung tâm đậm đặc thuận lợi cho cháy (hình 2.4 – 12) Với kiểu buồng đốt này, kim phun chòu tác động khí cháy không bố trí trực tiếp Hình 2.4 – 12 Kết cấu buồng đốt kiểu Air – Guide 14 2.4.4 Các kiểu buồng đốt động GDI: - Hệ thống buồng đốt MAN – FM hình 2.2 – mẫu nhà nghiên cứu thiết kế - Hệ thống buồng đốt Benz 300SL Mercedes vào năm 1954 (hình 2.4 - 12) Hình 2.4 – 13 Kết cấu buồng đốt Benz 300SL - Honda với kiểu buồng cháy xoáy lốc CVCC (Honda compound vortex combustion chamber) hình 2.4 – 14 Buồng đốt không nạp nhiên liệu trực tiếp vào buồng đốt tiền đề cho việc thiết kế buồng đốt sau Hình 2.4 – 14 Kết cấu buồng đốt Honda CVCC - Vào năm 1970 – 1979, PROCO TCCS có buồng đốt kiểu Spray – Guide hình 2.4 – 15 a&b (b) (a) & TCCS (b) Hình 2.4 – 15 (a) Kết cấu buồng đốt PROCO 15 - Hệ thống buồng đốt MCP (Mitsubishi Combustion Process) vaø IH – White (International Harvester and White Motors system) vào năm 1970 (hình 2.4 – 16 a&b) (a) (b) Hình 2.4 – 16 Kết cấu buồng đốt MCP (a) IH – White (b) 2.5 Hệ thống cung cấp nhiên liệu động phun xăng trực tiếp: Hệ thống nhiên liệu động GDI bao gồm: bơm tạo áp suất phun, hệ thống phân phối ổn đònh áp suất (common rail), kim phun, hệ thống điều khiển phun, thiết bò phụ khác như: thùng nhiên liệu, lọc, bơm chuyển tiếp, van an toàn, … Hình 2.5 – Sơ đồ hệ thống nhiên liệu loại động GDI Ở động GDI, nhiên liệu đưa trực tiếp vào buồng đốt kỳ nạp kỳ nén Để đưa nhiên liệu vào buồng đốt động kỳ nén, hệ thống nhiên liệu phải đáp ứng yêu cầu áp suất phun nhiên liệu kim 16 phun phải lớn áp suất buồng đốt kỳ nén, đồng thời để nhiên liệu phun tơi hòa trộn tốt với không khí buồng đốt áp suất phun đòi hỏi phải lớn áp suất không khí buồng đốt kỳ nén nhiều (tỷ lệ xét phần sau) Việc tạo hỗn hợp buồng đốt động GDI liên quan trực tiếp đến trình cung cấp nhiên liệu Nếu việc cung cấp nhiên liệu không đạt yêu cầu dẫn tới trình tạo hỗn hợp không tốt trình cháy không phát huy hết công suất động cơ, nhiên liệu không đốt cháy hoàn toàn gây tiêu hao nhiên liệu ô nhiễm môi trường Dựa cở sở điều khiển cung cấp nhiên liệu động PFI, hệ thống cung cấp nhiên liệu DISC (direct – injection stratified – charge) động Diesel, hệ thống TCCS (Texeco controlled combustion system) dùng cho động Diesel, hệ thống PROCO (Ford programmed combustion control system), … nhà nghiên cứu cho đời hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động GDI Những năm gần đây, nhờ phát triển điện tử, máy tính, … hệ thống cung cấp nhiên liệu động GDI ngày hoàn thiện Sau xét yêu cầu, cấu tạo, hoạt động hệ thống nhiên liệu động GDI 2.5.1 Yêu cầu hệ thống nhiên liệu: Yêu cầu hệ thống nhiên liệu phải cung cấp nhiên liệu với lượng xác, nhiên liệu phun vào buồng đốt phải bốc nhanh chống, hoà trộn khắp buồng đốt Hệ thống buồng đốt động GDI thiết kế có vách dẫn hướng để nhiên liệu phun vào dẫn hướng va chạm vào lớp không khí bốc lớp tạo điều kiện thuận lợi cho việc bốc hoà trộn tạo hỗn hợp đồng Hệ thống nhiên liệu phải đáp ứng điều kiện tạo hỗn hợp phân lớp động hoạt động chế độ tải nhỏ 2.5.2 Yêu cầu áp suất phun: Để kim phun phun vào buồng đốt vào kỳ nén áp suất nhiên liệu phải từ 4.0 MPa – 13.0 MPa (tuỳ loại động cơ) Các kim phun bố trí chung hệ thống common rail (hình 2.5 – 2), hệ thống phải đảm bảo việc tạo áp suất yêu cầu vừa nêu ổn đònh lúc kim hoạt động (vì trình phun làm sụt áp suất đường ống ảnh hưởng đến chất lượng trình phun nhiên liệu) Đối với dòng nhiên liệu phun vào buồng đốt áp suất thấp nhiên liệu bốc hoà trộn không tốt, nhiên phun với áp suất cao dòng nhiên nhiêu 17 xuyên qua khối khí va chạm vào thành buồng đốt không tốt cho việc bốc 18 Hình 2.5 – Sơ đồ hệ thống bơm, phân phối 2.5.3 Yêu cầu kim phun: Kim phun nhiên liệu động GDI bố trí trực tiếp buồng đốt Kim phun nhân tố cấu thành buồng đốt động GDI: mặt, đònh khoảng không gian thời gian vò trí dòng nhiên liệu cung cấp cho buồng đốt Mặt khác, đònh lượng nhiên liệu cấp vào buồng đốt để tạo tỷ lệ hỗn hợp xác tạo vùng hỗn hợp đậm dễ cháy xung quanh bougie thời điểm đánh lửa So với kim phun nhiên liệu động PFI, yêu cầu kim phun động GDI đòi hỏi cao nhiều Trong thời gian ngắn từ 0.9 đến 6.0 ms phải đưa lượng nhiên liệu từ đến 60 mg vào buồng đốt phải đạt yêu cầu Mặt khác, kim phun bố trí trực tiếp buồng đốt nên phải đáp ứng yêu cầu tương tự kim phun động Diesel (loại buồng đốt thống nhất) 2.5.4 Các loại kim phun: Về bản, kim phun loại động GDI không thay đổi nhiều Các nhà sản suất chủ yếu phát triển việc độ tán nhỏ tia nhiên liệu phun Bằng thực nghiệm, người ta chứng minh góc độ phun tốt chùm tia phun từ 300 – 900 Để điều khiển kim phun, người ta dùng thay đổi điện áp thay đổi cường độ dòng điện cấp cho cuộn solenoid Tuy nhiên, kim phun động GDI sử dụng phương pháp điều khiển điện áp (về ưu nhược điểm phương pháp điều khiển đánh giá động PFI) Để kim phun nhấc lên nhiên liệu phun vào đòi hỏi phải có thời gian từ lúc cấp điện đến ty kim nhấc lên ty kim đóng cần có thời gian để đóng lại hoàn toàn (thời gian gọi thời gian chết) Trong chu trình hoạt động động thời gian để kim phun cấp nhiên liệu vào động ngắn (từ 0.9 – 6.0 ms động hoạt động tốc độ cao) vậy, thời gian chết kim phun cần phải tính 19 toán xác cần thiết kế kim phun cho dòng điện cảm ứng cuộn solenoid gây nhỏ Đồng thời trình nhấc kim dòng nhiên liệu phun vào động làm thay đổi áp suất đường ống (common rail) trình đóng kim đột ngột làm dao động áp suất đường ống 2.5.4.1 Kim phun lỗ phun: Với áp suất phun từ 7.0 đến 10MPa, đường kính lỗ phun từ 14 µm đến 23 µm, tia phun phun dạng hình nón (góc đỉnh từ 250 đến 1500), dòng nhiên liệu phun vào buồng đốt cuộn xoáy Trong trình ty kim nhấc lên mở lỗ phun không mở hoàn toàn mà từ 10 – 90 % đường kính lỗ phun (DV90 – DV10) Hình 2.5 – Sơ đồ kết cấu kim phun lỗ 2.5.4.2 Kim phun nhiều lỗ phun: p suất phun từ 9.5 – 12.0 MPa, số lỗ từ – 10 lỗ, góc phun từ 300 - 900 So với loại kim lỗ loại có ưu điểm nhiên liệu phun vào tạo từ nhiều lỗ thuận lợi cho việc bốc hoà trộn Tuy nhiên, với số lỗ nhiều đường kính lỗ nhỏ lỗ nên dễ bò nghẹt (do đặt trực tiếp buồng cháy) 20 Hình 2.5 – Sơ đồ góc phun kim phun nhiều lỗ 21 2.5.4.3 Kim phun có trợ giúp dòng không khí (PPAA: Pulse – Pressurized, Air – Assisted): Dòng nhiên liệu đưa vào buồng đốt trợ giúp dòng không khí áp suất cao, đối loại kim áp suất nhiên liệu đường ống common rail từ 0.07 – 0.35 MPa tạo bơm nhiên liệu thông thường động PFI, dòng không khí áp suất cao tạo từ bơm nén không khí khác Ty kim điều khiển cuộn solenoid (có thể cuộn) Hình dạng sơ đồ kết cấu kim phun PPAA hình 2.5 – Hình 2.5 – Hình dạng kết cấu kim phun PPAA 22 2.6 Kết cấu động GDI số hãng giới: 2.6.1 Kết cấu động GDI Mitsubishi: Vào năm 1996, dựa sở động 4G93 PFI (4 cylindre, soupape/1cylindre, dual – overhead camshafs), Mitsubishi thiết kế lại buồng đốt kiểu Wall – Guide hệ thống nhiên liệu cho đời động 4G93 GDI Với động này, tạo hỗn hợp đồng chế độ tải đầy tạo hỗn phân lớp nghèo tải nhỏ (tỷ lệ air / fuel từ 20:1 đến 25:1) Mitsubishi sử dụng xúc tác xử lý khí thải kép (bộ xúc tác đầu sử dụng chất iridium tác dụng hỗn hợp nghèo, sau sử dụng chất platium nhằm làm giảm chất thải ô nhiễm động hoạt động chế độ tải lớn) Vì vậy, xe sử dụng động GDI tiết kiệm nhiên liệu so với xe sử dụng động PFI loại hoạt động thành thò (vì động thường xuyên hoạt động chế độ tải thấp) Hình 2.6 – Sơ đồ kết cấu động GDI Mitsubishi với kiểu hệ thống buồng đốt Wall – Guide Hình 2.6 – Mô hình đôäng GDI Mitsubishi cắt bổ Với kiểu tạo hỗn hợp bên trong, tỷ số nén động GDI đạt 12:1, momen động tăng 10% so với động PFI loại (hình 2.6 – 4) Cũng nhờ việc tạo hỗn hợp bên buồng đốt, khả tăng áp cho động GDI dễ dàng động PFI, tăng 23 thể tích không khí nạp cho động khoảng 5% so với loại PFI Điều kiểm nghiệm động Mitsubishi GDI, I – 4, 1.8L (hình 2.6 – 3) Hình 2.6 – Sơ đồ đôäng GDI Mitsubishi 1.8L, I – Hình 2.6 – Đồ thò mômen động Mitsubishi 1.8L, I – 4, GDI PFI đo chế độ đầy tải 2.6.2 Kết cấu động GDI Toyota: Động GDI Toyota cho đời động D – 4, với kiểu hệ thống buồng đốt Wall – Guide (hình 2.6 – 5) Dòng nhiên liệu phun vào buồng đốt cuộn xoáy hòa trộn vào không khí nhờ vào chuyển động dòng không khí nạp vào, hình dạng đỉnh đầu chuyển động piston Toyota trang bò hệ thống nạp VVT – i (variable – valve – timing – intelligent) điều khiển động điện DC cho động (hình 2.6 – 6) Hình 2.6 – Hệ thống buồng đốt động GDI Toyota D – hệ thứ 24 Hình 2.6 – Sơ đồ kết cấu động GDI Toyota D – hệ thứ Hỗn hợp tạo chia làm chế độ: - Khi động hoạt động không tải (chạy cầm chừng), hỗn hợp tạo phân lớp nghèo (tỷ lệ air / fuel từ 25:1 đến 50:1), động hoạt động với hỗn hợp cực nghèo - Khi động hoạt động tải nhẹ (chạy đô thò), hỗn hợp tạo khu vực đồng khu vực phân lớp (tỷ lệ air/fuel từ 20:1 đến 30:1) Để tạo hỗn hợp này, nhiên liệu phun vào lần chu trình động cơ: kỳ nạp, vào kỳ nén - Khi động hoạt động tải vừa, hỗn hợp tạo đồng (tỷ lệ air/fuel từ 15:1 đến 23:1) - Và cuối cùng, chế độ toàn tải, hỗn hợp tạo đồng tỷ lệ air/ fuel từ 12:1 đến 15:1 Để phun nhiên liệu vào buồng đốt, Toyota sử dụng hệ thống common –rail với áp suất từ MPA – 13 MPA Ngoài ra, Toyota bố trí thêm kim phun phụ đường ống nạp động khởi động Với hệ thống VVT – i tăng tỷ số nén động đạt đến 10:1, công suất động GDI tăng 10% nhiên liệu tiêu thụ giảm khoảng 2% so với động PFI kết cấu Cũng tương tự Mitsubishi, Toyota gắn xúc tác dual – catalytic cho động nên hàm lượng khí thải ô nhiễm giảm đáng kể Toyota cho đời hệ thứ hai động GDI vào năm 1999, với kết cấu buồng đốt hình 2.6 – Hình 2.6 – Kết cấu buồng đốt động Toyota GDI hệ thứ hai 25 Hình 2.6 – Sơ đồ kết cấu động GDI Toyota D – hệ thứ hai Ở động này, Toyota thiết kế hệ thống buồng đốt NCP (New combustion process) tạo hỗn hợp đồng với tỷ lệ air/fuel 12:1 đến 15:1 động hoạt động tải đầy, tạo hỗn hợp vùng phân lớp vùng đồng tỷ lệ air/fuel 15:1 đến 30:1 tải trung bình, hỗn hợp phân lớp cực nghèo tỷ lệ air/fuel 17:1 đến 50:1 tải thấp 2.6.3 Kết cấu động GDI Audi: Động Audi 1.2L, cylindre, hệ thống buồng đốt kiểu Wall – Guide tạo hỗn hợp phân lớp – tải nhỏ đồng – tải lớn (như hình 2.6 – 9) Kim phun đặt gần đường nạp Bougie đặt trung tâm buồng đốt p suất phun 10MPa Công suất 55 kW vòng quay 5500 rpm Momen cực đại 115 N.m vòng quay 3000 rpm Hình 2.6 – Mô hình cắt bổ động Audi 1.2L, I – 3, DI 26 2.6.4 Kết cấu động GDI Nissan: Động GDI hãng Nissan với kết cấu hệ thống buồng đốt kiểu Wall – Guide NEODi (Nissan Ecology Oriented performance and Direct Injection), hệ thống buồng đốt bougie bố trí trung tâm, kim phun bố trí đường nạp soupape nạp hình 2.6 – 10 Hình 2.6 – 10 Kết cấu buồng đốt Nissan NEODi Ở hệ Nissan sản xuất loại động I – 4, 1.8L V – 6, 3.0L Khi hoạt động tải nhẹ tỷ lệ hỗn hợp đạt 40:1, tạo hỗn hợp đồng hoạt động tải lớn 2.6.5 Kết cấu động GDI Ford: Với kiểu buồng cháy Spray – Guide Ford cho đời động cylindre dung tích 575 cm 3, tỷ số nén 11.5:1, áp suất phun 5.0 MPa, soupape (hình 2.4 – 5) Tiếp theo động I – 3, dung tích cylindre 1125 cm3, tỷ số nén 11.5:1, áp suất phun 12.0 MPa, soupape/1cylindre, xúc tác dual – catalyst 2.6.6 Kết cấu động GDI Mercedes – Benz: Mercedes – Benz với kết cấu buồng đốt Spray – Guide hình 2.6 – 11, tạo hỗn hợp lý tưởng cho dòng động GDI p suất phun thay đổi từ – 12 MPa, động cylindre dung tích 538.5, tỷ số nén 10.5:1, soupape, nạp hỗn hợp phân lớp cực nghèo chế độ tải nhẹ hỗn hợp đồng tải lớn Hình 2.6 – 11 Kết cấu buồng đốt động GDI Mercedes – Benz 2.7 Kết luận: 27 Sơ lược kết cấu động GDI cho cách nhìn khái quát sở khoa học động GDI, cấu tạo, hoạt động, ưu nhược điểm động so với động PFI Mặc dù nghiên cứu từ lâu động GDI thật ứng dụng thập kỷ Đối với nước giới vấn đề nghiên cứu chuyên sâu, với mẽ điều kiện khoa học kỹ thuật lạc hậu Trong chương này, chủ yếu tìm hiểu sở khoa học kết cấu động GDI, chương tiếp theo, tiếp tục tìm hiểu nghiên cứu trình cháy động GDI 28 ... tiếp cận hiểu biết phần lớn chuyên đề Chương 2: ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG TRỰC TIẾP (GDI) 2.1 Lòch sử đời động phun xăng trực tiếp 2.2 Cơ sở khoa học động phun xăng trực tiếp 2.3 Kết cấu chung động phun. .. Gasoline website Chương 2: ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG TRỰC TIẾP (GDI) 2.1 Lòch sử đời động phun xăng trực tiếp: Vào năm 1955, Mercedes – Benz ứng dụng phun xăng trực tiếp vào buồng cháy động cylinder (Mercedes... phun xăng trực tiếp 2.4 Các dạng buồng cháy động phun xăng trực tiếp 2.4.1 Các yêu cầu buồng cháy GDI 2.4.2 Vò trí đặt kim phun bugi 2.4.3 Các phương pháp tạo hỗn hợp phân lớp buồng đốt động GDI