Chương III: NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ CHÁY
3.3. HỆ THỐNG PHUN XĂNG TRỰC TIẾP GDI
Hình 3.13. Hệ thống phun xăng trực tiếp
Theo lịch sử nghiên cứu và phát minh của Mercedes – Benz, thì lần đầu tiên vào năm 1955 đã ứng dụng phun xăng trực tiếp vào buồng cháy cho động cơ 6 xylanh với thiết bị bơm tạo áp suất của Bosch. Tuy nhiên thiết bị này đã bị lãng quên đi vì thiết bị điện tử chưa phát triển và ứng dụng của nó trên ô tô còn hạn chế.
Đến năm 1996, tình trạng giá dầu leo thang và quy định về khí thải càng ngày càng khắt khe, Misubishi Motors đã thương mại hóa động cơ GDI đã đưa vào Nhật 400.000 động cơ và đã đem lại một thành công lớn. Các hãng sản xuất khác cũng đồng loạt chuyển đổi theo bản quyền sáng chế của Misubishi. Volkswagen/Audi cũng cho ra mắt nhiều động cơ GDI vào 2001 nhưng với cái tên FSI (Fule Stratified Injection).
Động cơ GDI sử dụng phương pháp hình thành hỗn hợp phân lớp (Stratified Mixture Formation) ở chế độ tải nhỏ xăng sẽ được phun vào cuối kỳ nén. Bản chất của phương pháp này là bố trí một bugi đánh lửa trong buồng cháy của động cơ tại vị trí hỗn hợp có thành phần λ nhỏ (hỗn hợp đậm λ = 0,85 ÷ 0,9) để đốt hỗn hợp bằng tia lửa điện.
Phần hỗn hợp này sau khi bốc cháy sẽ làm mồi để đốt phần hỗn hợp còn lại có thành phần λ lớn (hỗn hợp nhạt). Như vậy hỗn hợp toàn bộ của động cơ là hỗn hợp nhạt. Để điều chỉnh tải ở chế độ này, người ta sử dụng phương pháp điều chỉnh chất, thay đổi lượng nhiên liệu phun vào buồng cháy còn lượng không khí không đổi. Ở chế độ tải lớn đến toàn tải, xăng được phun từ đầu quá trình nạp. Khi đó xăng bay hơi hòa trộn với
không khí trong xi lanh tạo thành hòa khí trong suốt quá trình nạp và nén nên có thể coi là đồng nhất. Để điều chỉnh tải ở chế độ này người ta dùng van tiết lưu để điều chỉnh lượng hỗn hợp giống động cơ phun xăng gián tiếp.
Hình 3.14. Động cơ phun xăng trực tiếp GDI
Phun xăng trực tiếp là biện pháp tối ưu nhất để giảm tiêu thụ nhiên liệu và giảm phát thải CO2. So với động cơ EFI giảm tiêu thụ nhiên liệu khoảng 15 ÷ 25%. Tùy thuộc vào điểm điều khiển của động cơ phun xăng trực tiếp cung cấp các ưu điểm khác nhau so với động cơ EFI. Sự bay hơi của nhiên liệu bên trong xi lanh làm giảm nhiệt độ trung bình của xi lanh. Nếu lượng nhiên liệu được phun trong thời gian hành trình piston, hiệu ứng này có thể làm tăng hiệu quả thể tích lên đến 10%. Giảm nhiệt độ làm giảm khả năng kích nổ, và tỷ lệ nén có thể được tăng khoảng 1 ÷ 1,5 đơn vị, trực tiếp dẫn đến tăng hiệu suất nhiệt. Phun trực tiếp cải thiện tình trạng của động cơ và cũng có thể làm giảm phát thải của HC không cháy trong quá trình khởi động lạnh. Bởi vì sự hình thành của một chất lỏng bên trong các hệ thống cảm ứng được phá vỡ và kiểm soát chính xác hơn hỗn hợp. Nếu tốc độ động cơ và tải được điều khiển bởi một van tiết lưu thông thường, hỗn hợp thông thường cân bằng hóa học có thể được sử dụng, cho phép các ứng dụng của chất xúc tác cũng được biết đến và có hiệu quả cao cho khí thải sau khi xử lý.
Với các ưu điểm trên, kết quả phun trực tiếp giảm tiêu thụ nhiên liệu so với động cơ thông thường EFI. Ưu điểm chính của việc phun trực tiếp giảm tiêu thụ nhiên liệu. Do đó lớp phun hỗn hợp không khí nhiên liệu đồng nhất bên trong xi lanh có tính phân lớp.
Phun phân lớp bao gồm một khu vực hỗn hợp giàu nhiên liệu và khí đốt tái chế trong các khu vực còn lại. Phun phân lớp này được thực hiện bằng một vòi phun cuối trong hành trình nén. Quá trình đốt và sinh công chỉ mất một phần bên trong khu vực hỗn hợp.
Hình 3.15. Chế độ đồng nhất và phun phân lớp
Hình 3.16. Đồ thị thể hiện giảm tổn thất nhiên liệu, cháy phân lớp Dạng phun phân lớp - - - - Dạng đồng nhất 3.3.2. Hình thành hỗn hợp phân lớp
3.3.2.1. Quá trình hình thành hỗn hợp phân lớp
Hình 3.17. Cung cấp nhiên liệu của động cơ GDI
Theo các chuyên gia đánh giá, loại động cơ GDI giúp tiết kiệm được 15% ÷ 20%
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 NOX trong khí xả khá lớn, do đó phải sử dụng bộ xử lý khí xả nhiều thành phần để tách NO2 thành khí nitơ và ôxy để giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường. Đây là một phát triển rất cao của kỹ thuật cháy phân lớp với hỗn hợp siêu nghèo. Trong các động cơ GDI, nhiên liệu được phun trực tiếp vào buồng đốt, điều này cho phép khắc phục hạn chế còn tồn tại trong việc kiểm soát quá trình cháy của công nghệ cũ đó là có thể tăng hoặc giảm lượng nhiên liệu sau khi xupap nạp đóng. Kiểm soát và tác động vào quá trình cháy một cách chính xác, động cơ GDI vô hình trung đã kết hợp hoàn thiện giữa tiết kiệm nhiên liệu, tăng công suất động cơ và khắc phục ô nhiễm.
Ở động cơ GDI, bằng sự điều khiển chính xác tỷ lệ kk
nl
G
λ= G trong một ngưỡng rộng, cho phép nhiên liệu phun sương xa bugi hơn so với động cơ dùng các công nghệ cũ, giúp nhiên liệu và không khí có đủ thời gian và không gian để hòa trộn một cách tốt nhất. Trong quá trình cháy đa lớp nghèo nhiên liệu, nhiên liệu được phun thẳng vào mặt cong trên chóp đỉnh của piston trong suốt kỳ nén bằng áp suất cao ở dạng sương. Sự chuyển động của các hạt nhiên liệu lệch hướng với phương chuyển động của piston và phương của dòng khí nạp làm cho các hạt nhiên liệu dễ dàng hòa trộn với không khí và bốc hơi. Kết quả là hơi nhiên liệu được nén thẳng đến bugi chuẩn bị tốt nhất cho sự đánh lửa. Lợi thế lớn nhất của hệ thống này là cho phép điều khiển rất chính xác tỷ lệ λ (theo hướng nghèo xăng) ở ngay chính tâm điểm của đám cháy (bugi).
Ví dụ điển hình về động cơ hình thành hỗn hợp phân lớp của hãng Ford có tên là Ford Proco với buồng cháy thống nhất.
Hình 3.18. Kết cấu buồng cháy hãng FORD 1. Xi lanh; 2. Vòi phun; 3: Bugi; 4. Nắp xi lanh
5. Đường nạp; 6. Đường thải; 7. Piston
Nhiên liệu được vòi phun 2 phun vào gần tâm xi lanh tạo thành tia phun có góc tia khoảng 1000. Do kết cấu đường ống nạp 5 có dạng xoắn tiếp tuyến nên trong xi lanh vào thời điểm phun nhiên liệu vẫn còn dòng xoáy quay tròn của không khí quanh tâm xi lanh.
Nhiên liệu phun ra sẽ được cuốn theo và hoà trộn với không khí tạo thành hỗn hợp. Do ảnh hưởng của lực ly tâm nên thành phần hỗn hợp càng xa tâm quay (càng sát thành buồng cháy) thì càng đậm. Bugi được đặt ở một vị trí nhất định so với tâm xi lanh (dấu chữ thập trên hình vẽ). Khi bugi bật tia lửa điện, hỗn hợp gần bugi sẽ cháy và làm mồi để đốt phần hỗn hợp còn lại. Đối với loại hình thành khí hỗn hợp này, thời điểm phun và thời điểm đánh lửa có quan hệ mật thiết với nhau và được điều khiển bằng thiết bị điện tử.
Với việc lắp một vòi phun nhiên liệu bên trong xi lanh (giống động cơ diesel) với áp suất phun cao, nhà sản xuất hoàn toàn có thể đẩy tỉ số nén của động cơ lên cao, giúp hỗn hợp “tơi” hơn. Quá trình cháy diễn ra “hoàn hảo”, hiệu suất động cơ cao hơn, công suất lớn hơn, tiết kiệm nhiên liệu hơn và đặc biệt là giảm thiểu khí xả vào môi trường. Về cấu tạo của hệ thống nhiên liệu GDI khá phức tạp, nhưng nguyên tắc cơ bản vẫn sử dụng các tín hiệu từ động cơ (qua các cảm biến) rồi xử lý tại bộ xử lý trung tâm ECU để điều chỉnh vòi phun (thời điểm, lưu lượng, áp suất). Dưới đây là một số cảm biến quan trọng:
- Cảm biến lượng khí nạp: Đo lượng không khí xi lanh hút vào.
- Cảm biến ôxy: Đo lượng ôxy trong khí thải nhằm xác định nhiên liệu hòa trộn thừa hay thiếu xăng để ECU hiệu chỉnh khi cần thiết.
- Cảm biến vị trí xupap: Giúp ECU điều chỉnh lượng xăng phun vào phù hợp khi đạp ga.
- Cảm biến nhiệt độ làm mát: Đo nhiệt độ làm việc của động cơ.
- Cảm biến hiệu điện thế: Để ECU bù ga khi mở các thiết bị điện trong xe.
Cảm biến áp suất ống tiết lưu: Nhằm giúp ECU đo công suất động cơ.
- Cảm biến tốc độ động cơ: Dùng để tính toán xung độ động cơ.
Hệ thống nhiên liệu GDI có nhiều ưu điểm hơn hệ thống EFI, nhưng để có thể trang bị hệ thống GDI, vật liệu sử dụng làm piston và xi lanh 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 nhiều so với EFI. Có lẽ đây là một lý do quan trọng khiến hệ thống GDI không phổ biến như EFI.
3.3.2.2. Các phương pháp tạo hỗn hợp phân lớp trong buồng đốt động cơ GDI
Về cơ bản, động cơ GDI tạo hỗn hợp phân lớp nghèo khi hoạt động ở mức tải nhỏ.
Để tạo một hỗn hợp phân lớp nghèo nhưng khu vực xung quanh bugi hỗn hợp đậm đặc
để có thể cháy được trong thời điểm đánh lửa, hệ thống buồng đốt động cơ GDI có thể thực thiện theo 3 phương án sau:
Hình 3.19. Sơ đồ các dạng buồng đốt tạo hỗn hợp phân lớp của động cơ GDI a. Buồng đốt kiểu Spray – Guide; b. Buồng đốt kiểu Wall – Guide;
c. Buồng đốt kiểu Air – Guide
- Bố trí kim phun để hướng dòng nhiên liệu vào đỉnh bugi (Spray – Guide) (hình a).
- Hướng dòng nhiên liệu vào đỉnh bugi bằng hình dạng đỉnh piston (Wall – Guide) (hình b)
- Hướng dòng nhiên liệu vào đỉnh bugi bằng chuyển động của dòng không khí nạp vào (Air – Guide) (hình c).
a. Hệ thống buồng đốt kiểu Spray – Guide:
Buồng đốt loại này được tìm ra sớm nhất ứng dụng nạp trực tiếp hỗn hợp phân lớp (DISC) cho động cơ GDI. Nó được Ford PROCO (Ford programmed combustion control system) kiểm nghiệm và kết luận là đạt được sự cháy nghèo với hỗn hợp nạp phân lớp khi bố trí kim phun và bugi hợp lý. Ở buồng cháy này, việc tạo được hỗn hợp phân lớp cần phải có sự kết hợp giữa hình dạng đỉnh piston (hình 3.19a), sự chuyển động của piston và của dòng không khí nạp vào chuyển động rối, tại thời điểm phun nhiên liệu được phun vào sẽ bốc hơi nhanh chóng hoà trộn cùng với dòng khí như hình 3.20. Với phương pháp này sẽ tạo ra hỗn hợp phân lớp nghèo khi động cơ hoạt động chế độ tải nhỏ, động cơ có thể hoạt động khi tỷ lệ λ xấp xỉ bằng 8 nên tiết kiệm đáng kể lượng nhiên liệu tiêu thụ ở chế độ này.
1 2
Hình 3.20. Sơ đồ chuyển động dòng khí nạp vào của buồng cháy Spray – Guide 1. Đường; 2. Đường xả
Theo thực nghiệm, vị trí đặt kim phun được đặt gần trung tâm của buồng đốt và bugi nằm trong phạm vi được giới hạn bởi hình nón của đỉnh piston (hình 3.23).
Hình 3.21. Vị trí của kim phun và bugi trong kiểu buồng đốt Spray – Guide
Tuy nhiên, nhược điểm của việc bố trí kim phun và bugi như trên là trong quá trình phun nhiên liệu vào các hạt nhiên liệu có thể làm ướt bugi và làm cho bugi không thể đánh lửa để đốt cháy hỗn hợp. Với kết cấu đỉnh piston như trên ảnh hưởng đến áp suất trong buồng đốt của động cơ, có thể động cơ không nổ trong một số chu trình làm việc và sẽ ảnh hưởng đến công suất phát ra.
Với cách bố trí bugi và kim phun như trên gây khó khăn cho việc thiết kế và chế tạo. Vì với động cơ có 4 xupap/ 1xi lanh thì bố trí kim phun và bugi để tạo hỗn hợp thỏa mãn điều kiện nêu trên thì rất khó khăn. Người ta đưa ra một số cách bố trí xupap, bugi, kim phun như sau:
Hình 3.22. Sơ đồ bố trí buồng cháy động cơ GDI
Xe đầu tiên sử dụng động cơ GDI kiểu hệ thống buồng đốt loại này được Renault sản xuất (hệ thống buồng đốt hình 3.23).
Hình 3.23. Hệ thống buồng đốt kiểu Spray – Guide của Renault
Tuy nhiên, với hệ thống buồng đốt này, Renault thiết kế chủ yếu để tạo ra hỗn hợp đồng nhất với tỷ lệ hoà khí chính xác cho bộ xúc tác 3 chức năng hoạt động tốt nhất.
b. Hệ thống buồng đốt kiểu Wall – Guide
Để khắc phục tình trạng bugi bi ướt của buồng đốt Spray – Guide, hệ thống buồng đốt này không hướng kim phun dòng nhiên liệu trực tiếp vào bugi mà nhiên liệu được phun vào chỏm của đỉnh piston, tại đây nhiên liệu được bốc hơi nhanh chóng nhờ vào nhiệt độ cao của đỉnh piston, sau đó dòng hỗn hợp này sẽ được dẫn hướng đến đỉnh của bugi.
Hình 3.24. Kết cấu buồng đốt Wall – Guide
Với kiểu buồng đốt này bugi được bố trí ngay trung tâm, đối với trường hợp động cơ sử dụng 2 ống nạp cho 2 xupap nạp kim phun được bố trí như hình 3.25a và 1 ống nạp cho 2 xupap nạp như hình 3.25b.
Hình 3.25. Sơ đồ bố trí kim phun và bugi của buồng đốt Wall – Guide c. Hệ thống buồng đốt kiểu Air – Guide:
Hệ thống buồng đốt Air – Guide lợi dụng chuyển động của dòng không khí trong xi lanh nhiên liệu được phun vào sẽ chuyển động theo và bốc hơi. Bugi được bố trí ngay trung tâm buồng đốt và kim phun được bố trí ngay xupap nạp, nhờ sự cuộn xoáy của dòng khí nên dòng hỗn hợp được tạo ra ngay trung tâm đậm đặc hơn thuận lợi cho sự cháy (hình 3.26). Với kiểu buồng đốt này, kim phun ít chịu tác động của khí cháy vì không bố trí trực tiếp.
Hình 3.26. Kết cấu buồng đốt kiểu Air – Guide
3.3.3. Chế độ điều khiển
Phụ thuộc vào tải trọng và tốc độ của động cơ mà có các phương pháp điều khiển khác nhau được áp dụng để thực hiện hoạt động ổn định của động cơ và đạt yêu cầu.
Trong trường hợp đầy tải, cân bằng hóa học đồng nhất hoặc hỗn hợp giàu nhiên liệu bên trong buồng đốt quá trình cháy xảy ra hoàn toàn. Bao gồm các tổn hao trong quá trình đốt cháy và đạt được mô men xoắn tối đa. Thực hiện quá trình phun sớm để có đủ thời gian phun lượng nhiên liệu đạt yêu cầu. Tại chế độ tải trọng trung bình và thấp, phun phân lớp nhiên liệu làm giảm tiêu hao nhiên liệu. Tuy nhiên, phạm vi hoạt động của chế độ này được giới hạn bởi tốc độ động cơ và tải. Ở tốc độ động cơ cao, các vị trí trong xi lanh, dòng nhiên liệu ngày càng trở lên hỗn loạn và ở trên khoảng 3000 (vòng/phút) hỗn hợp loãng.
Hình 3.27. Biểu đồ chế độ hoạt động của động cơ GDI
Nhìn vào biểu đồ cho thấy áp lực phun đạt xấp xỉ 5 bar, lượng phun nhiên liệu trở lên giàu để hình thành hỗn hợp tốt nhất trước khi đánh lửa và muội than được sinh ra.
Trong quá trình phun phân lớp, nhiệt độ trung bình trong xi lanh được giảm do hỗn hợp nghèo, nhiệt độ của khu vực đồng nhất phản ứng cao nên có nhiệt độ cao, bởi vì ở đây là hỗn hợp cân bằng hóa học, điều này cũng làm tăng phát thải NOX. Vì lý do này, tuần hoàn khí thải đã được cung cấp để giảm nhiệt độ vùng và phát thải NOX.
Hàm lượng ôxy tăng trong khí thải làm giảm tỷ lệ chuyển đổi các chất xúc tác ba chiều (do nồng độ O2, CO, và HC cao để làm giảm NOX), như vậy vừa bền mà tiết kiệm chi phí hệ thống sau khi điều chỉnh có thể thực hiện giảm lượng khí thải cần thiết. Tuy nhiên, sự luân hồi này đòi hỏi năng lượng bổ sung tùy thuộc vào khoảng tần số và thời gian tái tạo, hiệu quả làm giảm đáng kể so với EFI. Hơn nữa nồng độ lưu huỳnh (<10 ppm) được sử dụng. Bởi vì các sản vật cháy (SOX) sẽ làm giảm đáng kể hiệu quả hấp thụ NOX.
Tại tốc độ động cơ trên khoảng 3000 (vòng/phút) động cơ phải được điều khiển trong chế độ đồng nhất. Nếu không có thêm các biện pháp được áp dụng, tỷ lệ hỗn hợp cân bằng hóa học thông thường được sử dụng để kiểm soát tải. Tuy nhiên, kích nổ có thể xảy ra nếu hỗn hợp trở nên quá giàu, và lượng khí thải HC không cháy cũng như tiêu thụ nhiên liệu có thể tăng. Trong trường hợp này, không khí trong xi lanh chuyển động mạnh mẽ làm tăng tổn thất phun. Hơn nữa, tăng ôxy trong khí thải đòi hỏi phải sử dụng chất xúc tác DeNox. Để tránh những khó khăn, các chế độ cân bằng hóa học đồng nhất kết hợp với tuần hoàn khí thải được áp dụng. Trong trường hợp này, chất xúc tác ba chiều được sử dụng và làm giảm tổn thất phun đạt được bằng cách thay thế bằng một phần của chất thải tích trong xi lanh với khí trơ bị cháy tái chế.
Phương thức điều khiển phân lớp gia tốc: các chế độ chia đồng nhất (hai giai đoạn phun) được sử dụng cho một số chu kỳ trong quá trình chuyển đổi từ phân lớp đến chế độ đồng nhất. Phun phân lớn, phần lớn lượng nhiên liệu phun sớm trong hành trình và tạo thành hỗn hợp đồng nhất nhưng nghèo bên trong xi lanh. Sau đó, lượng nhiên liệu còn lại được phun trong hành trình nén và tạo thành khu vực giàu nhiên liệu để bắt lửa xung quanh bugi. Khu vực này được đốt cháy bằng tia lửa, và ngọn lửa sau đó đốt cháy phần hỗn hợp còn lại. Gần giới hạn tải lớn đánh lửa thường là chậm phát triển để ngăn ngừa kích nổ. Tuy nhiên, do quá trình đốt cháy trễ, biện pháp này thường giảm hiệu ứng nhiệt.
Trong trường hợp này, các ứng dụng của phun chia nhỏ nhiên liệu đồng nhất gây tổn thất nhiên liệu. Bởi vì phun nhiên liệu phân lớp cho phép có thời điểm đánh lửa sớm. Việc phun chia nhỏ nhiên liệu cũng có thể được áp dụng để tăng nhiệt độ khí xả và giảm thời gian của chất xúc tác.
Việc thay thế thời điểm phun sớm với áp suất thấp bởi một vòi phun phân lớp áp suất cao ảnh hưởng đến việc phát xạ của HC không cháy. Trong trường hợp này, việc tạo ra một áp lực phun đủ lớn trước khi phun phải đảm bảo. Sau đó, làm giàu nhiên liệu cần thiết để cung cấp cho sự hình thành hỗn hợp đã bị suy thoái do áp lực phun thấp có thể bị phá vỡ. Điều này dẫn đến làm giảm đáng kể lượng nhiên liệu phun cũng như phát ra lượng khí thải HC không cháy trong quá trình khởi động động cơ. Nếu được kết hợp với vòi phun phân chia đồng nhất cho chất xúc tác nhanh chóng tắt tia lửa, lượng phát thải HC tích lũy được giảm đáng kể.
3.3.4. Phun phân lớp
Trong trường hợp đầy tải, phun sớm trong quá trình phản ứng để có đủ thời gian phun đồng nhất mong muốn và để đạt được một hỗn hợp cân bằng hóa học đồng nhất bên trong xi lanh hoàn chỉnh. Trong quá trình phun phân lớp áp lực phun nhỏ. Tuy nhiên, nhiên liệu được phun cuối hành trình nén để giữ cho phun tơi sương nhỏ gọn và giảm