c. Hệ thống buồng đốt kiểu Spray – Guide
2.6 Đặc tính cháy của động cơ GD
Trong trƣờng hợp phun xăng trực tiếp, quá trính cháy đƣợc định nghĩa là cách thức
hình thành hỗn hợp và chuyển đổi năng lượng trong buồng đốt. Các cơ chế được xác định bởi hình dạng của buồng đốt, đường ống nạp, điểm phun và thời điểm đánh lửa.
Tùy thuộc vào quá trính cháy cĩ liên quan, các luồng khơng khì đƣợc tạo ra trong buồng đốt. Mối quan hệ giữa nhiên liệu đƣợc phun và luồng khơng khì là vơ cùng quan trọng, trên hết liên quan đến các quá trính cháy hoạt động với sự phun phân tầng.
43
Để cĩ đƣợc sự phân tầng cần thiết, kim phun phun nhiên liệu vào luồng khơng khì theo cách nĩ bay hơi trong một khu vực xác định. Luồng khơng khì sau đĩ vận chuyển đám mây hỗn hợp theo hƣớng bu-gi để nĩ đến đĩ tại thời điểm đánh lửa. Một quá trính cháy thƣờng đƣợc tạo thành từ một số chế độ vận hành khác nhau mà giữa đĩ quá trính chuyển đổi nhƣ là một chức năng của điểm vận hành động cơ. Về cơ bản, quá trính cháy đƣợc chia thành hai loại: quá trình cháy phân tầng và quá trình cháy đồng nhất .
Đặc tính cháy phân tầng
Trong trƣờng hợp của quá trính cháy phân tầng, nhiên liệu đƣợc bơm vào một phạm vi cụ thể (tải nhỏ, tốc độ động cơ thấp) trong hành trính nén vào buồng đốt và đƣợc vận chuyển dƣới dạng đám mây phân tầng đến bu-gi, hình 2.30. Hỗn hợp ở đây đƣợc bao quanh bởi khơng khì nạp. Theo cách này, một hỗn hợp cĩ thể bắt lửa chỉ xuất hiện trong đám mây cục bộ. Một tỷ lệ khơng khì > 1 thƣờng tồn tại trong buồng đốt. Điều này, cho phép động cơ đƣợc vận hành khơng bị cản trở trong phạm vi lớn hơn, dẫn đến hiệu suất tăng lên do giảm tổn thất cơ khí trong quá trính nạp và thải. Do đĩ, quá trính cháy phân tầng chủ yếu là một khái niệm tiêu thụ nhiên liệu.
Hình 2.30: Phân chia hỗn hợp phân tầng.[8]
Đối với động cơ PFI hoạt động ở điều kiện khơng tải, tốc độ cháy thấp và độ ổn định của quá trính cháy là thấp, chủ yếu là do một lƣợng lớn khì sĩt. Đối với trƣờng hợp động cơ GDI ở chế độ khơng tải, tốc độ đốt cháy ban đầu là tƣơng đƣơng với điều kiện đầy tải. Động cơ GDI cho thấy một lợi thế đáng kể về cả độ trễ đánh lửa và thời gian cháy so với động cơ PFI cĩ dạng hính học tƣơng đƣơng. Lúc đầu ngọn lửa nhanh chĩng hính thành trong khu vực hỗn hợp giàu gần khe hở bu-gi; tuy nhiên, tốc độ lan
44
truyền lửa đƣợc giảm xuống trong vùng nghèo bên ngồi. Tốc độ cháy giảm đáng kể gần cuối quá trính cháy là một trong những nguyên nhân gây ra sự gia tăng lƣợng khì thải UBHC. Tốc độ ngọn lửa cao cho phép thời gian đánh lửa bị chậm lại nhiều hơn của động cơ GDI so với động cơ PFI thơng thƣờng, và tốc độ cháy ,độ ổn định đƣợc tăng cƣờng thay ví suy giảm.
Hình 2.31: So sánh đặc tính cháy của động cơ
GDI và PFI.[2]
Hính 2.31 so sánh các đặc tình cháy của Toyota GDI và các động cơ PFI cơ bản. Động cơ GDI trong trƣờng hợp này hoạt động với tỷ lệ A/F tổng thể là 27 và PFI hoạt động ở mức 14,7. Tốc độ đốt cháy GDI ban đầu khi tải nhẹ cao hơn, mặc dù động cơ GDI đƣợc vận hành trên một hỗn hợp cĩ tổng thể nghèo gấp đơi so với động cơ PFI. Ở chế độ phân tầng cả hai áp suất trong xy-lanh tại đầu kí nén và áp suất nén cực đại của động cơ GDI cao hơn do hoạt động ở chế độ phân tầng khơng bƣớm ga.
Đặc tính cháy đồng nhất
Hình 2.32: Phân chia hỗn hợp đồng nhất
Trong quá trính cháy đồng nhất, thƣờng cĩ một hỗn hợp lì tƣởng đƣợc hính thành trong buồng đốt động cơ, hình 2.32. Theo cách
này, việc xử lý khì thải tốn kém đối với khì thải NOx cần thiết với hỗn hợp nghèo đã đƣợc tránh. Do đĩ, các khái niệm đồng nhất đƣợc đặt ra là các khái niệm giảm khì thải. Q trính cháy đồng nhất luơn đƣợc chạy ở chế độ đồng nhất.
Động cơ GDI hoạt động ở chế độ đồng nhất tại mức đầy tải, đƣờng cong giải phĩng nhiệt thu đƣợc gần giống với đƣờng cong từ động cơ PFI. Khi hoạt động ở tải cao tổn thất do bƣớm ga của động cơ PFI khá nhỏ. Đối với chế độ này, hiệu suất động cơ đƣợc xác định chủ yếu bởi tỷ lệ nén và đặc tình cháy. Tuy nhiên, tăng tỷ số nén và
45
cải tiến thời điểm đánh lửa bị giới hạn bởi tình tự cháy, mà thƣờng xảy ra trong vùng nhiên liệu cuối cùng. Những cải tiến của hính dạng buồng đốt, piston và kiểm sốt khì sĩt làm thay đổi lan truyền ngọn lửa ở tải cao để giảm kìch nổ trong cả động cơ PFI và GDI. Nhín chung, khi giai đoạn cháy ban đầu nhanh và ổn định, tốc độ cháy chình vừa phải và sự kết hợp đồng bộ và đối xứng của quá trính cháy để tránh mất lửa.
Thời điểm phun ảnh hƣởng đến giới hạn kìch nổ của một động cơ GDI. Thời điểm phun trễ khơng chỉ làm giảm sự ƣớt của thành xy-lanh khi phun nhiên liệu mà cịn làm giảm hấp thụ nhiệt từ thành xy-lanh. Điều này dẫn tới to hỗn hợp thấp hơn gần TDC khi nén và cho phép thời gian đánh lửa cải thiện hơn. Tuy nhiên, thời điểm phun trễ làm giảm thời gian chuẩn bị hỗn hợp.
Hình 2.33: So sánh to khí xả của GDI với PFI Hính 2.33 cho thấy sự so sánh to khì thải đối với động cơ GDI và PFI ở chế độ khởi động lạnh khi sử dụng to nƣớc làm mát là 208oC. Khả năng điều khiển A/F cải thiện của hệ thống GDI dẫn đến sự tăng nhanh hơn to
khí thải của GDI so với PFI.
Ảnh hƣởng của EGR
Nghiên cứu ảnh hƣởng của EGR đến đặc tình cháy. Ngƣời ta cho rằng sự phát triển nhanh của ngọn lửa liên quan đến quá trính cháy phân tầng, và mức O2 cao và CO2 thấp trong khì thải là những lý do cho sự tăng dãy hoạt động EGR (EGR tolerance) của động cơ GDI. Động cơ GDI địi hỏi EGR (luân hồi khì thải : CO2, H2O) nhiều hơn cho việc giảm NOx. Với tỉ lệ EGR là 40%, động cơ GDI cải thiện 3% trong BSFC, 81% khí NOx và 35% lƣợng UBHC so với hoạt động mà khơng cĩ EGR. Với 40% EGR làm chậm quá trính cháy, và cải thiện kinh tế nhiên liệu trong khi giảm áp suất cao nhất trong xy-lanh.
Ƣu điểm và nhƣợc điểm của động cơ GDI Ƣu điểm:
- Nhiên liệu lỏng đƣợc phun trực tiếp vào buồng đốt và chỉ bay hơi ở đĩ, do đĩ giúp làm giảm nhiệt độ trong buồng đốt và tăng cơng suất của động cơ.
46
- Kỹ thuật tạo hỗn hợp phân tầng cho phép động cơ tăng đáng kể lƣợng khì thải hồi lƣu.
- Khi vận hành ở tải một phần, việc điều chỉnh chất lƣợng giúp đạt đƣợc áp suất hữu dụng cao trong buồng đốt. Tổn hao tiết lƣu đƣợc giảm thiểu nhờ van bƣớm ga đƣợc mở hồn tồn ở hỗn hợp phân tầng. Những điều này giúp động cơ đạt hiệu suất và cơng suất cao hơn với cùng dung tìch động cơ, đồng thời tiêu thụ nhiên liệu ìt hơn. - Mức độ đậm của hịa khì lúc khởi động lạnh hay tăng tốc ìt hơn khi phun gián tiếp.
Do đĩ, động cơ khì thải ơ nhiễm ìt hơn và ìt tiêu thụ nhiên liệu hơn.
Nhƣợc điểm:
- Lƣợng khí thải NOx tăng ví khơng thể sử dụng bộ xúc tác 3 chức năng do λ >1. Vì vậy, phải dùng bộ xúc tác trữ và khử NOX đƣợc tái sinh định kỳ. Bên cạnh đĩ, thành phần lƣu huỳnh cĩ trong nhiên liệu làm giảm tác dụng của bộ xúc tác xử lý NOX.
- Chi phì thiết kế và chế tạo, điều chỉnh cao hơn đáng kể, nhất là khi vận hành với hỗn hợp phân tầng.
- Vì bản chất của GDI là phun xăng khơng qua xupap nạp, nên xupap nạp của động cơ khơng đƣợc quá trình phun xăng vệ sinh, dẫn đến sau khoảng (90 – 100.000) km thì trên xupap bị đĩng cặn carbon rất nhiều, hình bên. Lâu ngày cĩ thể gây hao xăng và giảm cơng suất máy. Đây là nhƣợc điểm lớn nhất của GDI. Đối với, PFI thí đƣợc q trình phun xăng vệ sinh thƣờng xuyên nên ìt đĩng cặn carbon hơn hẳn.
47