Hệ thống nhiên liệu Toyota D4-S là một bước tiến lớn của Toyota về động cơ xăng. Hệ thống này phát triển để khắc phục các khuyết điểm và thỏa mãn các cầu ở từng hệ thống kim phun trực tiếp GDI và kim phun trên đường ống nạp PI sau:
− Giảm phát thải khi gây ô nhiễm. − Giảm mức tiêu thụ nhiên liệu. − Giảm hiện tượng gõ.
− Tăng hiệu suất, tối ưu hóa quá trình hoạt động của động cơ.
Thể tích nhiên liệu phun ra được xác định dựa vào tốc độ động cơ và thể tích khí nạp. Thêm vào đó, phản hồi của điều khiển được thể hiện ở tỉ số không khí nhiên liệu sau khi động cơ khởi động dựa trên tín hiệu từ cảm biến tỉ số nhiện liệu. Bảng dưới đây thể hiện sự điều khiển hoạt động của kim phun trực tiếp GDI nằm trên xi lanh của động cơ:
Cụm kim nhiên liệu (để phun cổng) thực hiện điều khiển tương ứng để phun nhiên liệu từ hành trình giãn nở đến hành trình nạp phù hợp với điều kiện vận hành của động cơ.
Dựa vào đó ta có thể thấy việc điều khiển tỉ lệ A/F theo các chế độ là giảm phát thải khí gây ô nhiễm môi trường, tiết kiệm nhiên liệu.
Bảng 4.1. Thời gian và tỉ lệ phân phối nhiên liệu của kim phun trục tiếp.
Điều khiển (kim phun trực tiếp)
Trạng thái
cháy Tỉ lệ A/F
Thời gian phun kim phun trực
tiếp GDI
Điều kiện tiên quyết
Điều khiển tỉ lệ A/F nghèo
Cháy phân
tầng 15 đến 17:1 Kì nén
Ngay sau khi khởi động lạnh Điều khiển tỉ lệ A/F
theo phép tính tỷ lượng
Cháy đồng
nhất 14 đến 15:1 Kì nạp
Chế độ tải thấp hoặc trung bình Phản hồi tỉ lệ A/F cho
phép
Cháy đồng
nhất 14 đến 15:1 Kì nạp
Chế độ tải cao Động cơ lạnh Việc phun trực tiếp nhiên từ lỏng hóa hơi làm giảm nhiệt độ xi lanh từ đó làm giảm hiện tượng gõ, tăng hiệu suất và tối ưu hóa quá trình hoạt động của động cơ. Một hệ thống nhiên liệu của động cơ Toyota D-4S được cấu tạo từ các bộ phân sau (hình 4.1):
Hình 4.1. Hệ thống nhiên liệu trên động cơ Toyota D-4S.
− Bơm áp thấp trong thùng xăng. − Bơm cao áp (cam dẫn động).
− Kim phun trực tiếp (áp suất cao).
− Kim phun PI trên đường ống nạp (áp thấp).
Sử dụng ECM (Engine Control Module) điều khiển phun (lưu lượng, thời gian, số lần phun,..) và kiểm soát áp suất trong hệ thống. ECM cũng kiểm soát các chức năng liên quan như tốc độ tuần hoàn khí thải (EGR), nhiệt độ nước làm mát, điều hòa không khí. Để có thông tin giúp cho việc điều khiển phun chính xác thì ECM phải nhận tín hiệu từ các cảm biến. Các cảm biến cung cấp thông tin cần thiết trong thời gian thực để có thể kiếm soát quá trình phun, các cảm biến chính bao gồm:
− Cảm biến áp suất trên ống phân phối nhiên liệu áp cao và áp thấp. − Cảm biến nhiệt độ nhiên liệu.
− Cảm biến nhiệt độ không khí nạp. − Cảm biến áp suất không khí nạp. − Cảm biến bàn đạp ga.
− Cảm biến độ mở bướm ga. − Cảm biến gia tốc.
− Cảm biến vị trí trục cam. − Cảm biến vị trí trục khuỷu.
Như đã đề cập ở đầu chương 2, hệ thống nhiên liệu Toyota D-4S gồm 2 kim phun: trực tiếp trong buồng đốt và trên đường ống nạp.
− Ở tải thấp: kim phun trên đường ống nạp được sử dụng
− Ở tải trung bình: sử dụng hỗn hợp hai kim phun (cung cấp hỗn hợp đồng nhất cho sự ổn định của quá tình đốt cháy và giảm khí thải).
− Ở tải cao (2800 rpm trở lên): Sử dụng kim phun trực tiếp (cải thiện bay hơi nhiên liệu làm đầy khối lượng và giảm xu hướng gõ).
Chế độ trộn từng lớp:
Nhiên liệu được cung cấp cho cửa nạp ở kì xả. Trên kì nạp, sau khi các van được mở, một hỗn hợp nạp đồng nhất đi vào xi lanh làm giàu khu vực quanh bugi. Điều này tạo điều kiện cho quá trình đánh lửa ban đầu, sau đó lan truyền đến hỗn hợp khí nạp trong phần còn lại của buồng đốt. Chế độ này được sử dụng sau khi động cơ khởi động nguội để giảm thời điểm đánh lửa, tăng nhiệt độ khí xả và đẩy nhanh quá trình làm nóng khí nạp.
Chế độ hỗn hợp đồng nhất
Nhiên liệu được cung cấp cho cửa nạp khi nó mở rộng và ở kì nạp. Khi bắt đầu kì nạp, nhiên liệu được phun trực tiếp vào xi lanh và trộn đều với lượng nạp vào. Một hỗn hợp nhiên liệu không khí đồng nhất được nén và sau đó được đốt cháy. Do sự làm mát của không khí trong quá trình bay hơi của nhiên liệu phun vào, khối lượng phun làm đầy xi lanh tăng lên.