c. Hệ thống buồng đốt kiểu Spray – Guide
2.5 Nguyên tắc hoạt động của động cơ GD
Để vận hành động cơ GDI điển hính, đạt đƣợc hiệu quả cao đối với chế độ tải trung bính đến đầy tải, hệ thống GDI phải cĩ khả năng hoạt động tốt khi phun trễ, điều kiện phun phân tầng và phun sớm, điều kiện phun đồng nhất. Do đĩ, tất cả các hệ thống GDI, dù phân tầng hay đồng nhất, đều phải cung cấp các đặc tình cháy đồng nhất tốt.
Hình 2.26: Sơ đồ hoạt động cơ bản của động cơ GDI [2]
Hoạt động của động cơ GDI cĩ thể đƣợc phân thành 4 chế độ cơ bản bắt đầu với độ phức tạp ìt nhất: chế độ phun đồng nhất với tỷ lệ lý thuyết cho tồn tải với mức sử dụng khơng khì tối đa và khởi động lạnh tối ƣu; chế độ phun đồng nhất cho tải trung bính để tiết kiệm nhiên liệu tối ƣu và giảm khì thải NO2; chế độ phun phân tầng ở tốc độ cầm chừng và tải thấp để đạt đƣợc mức tiết kiệm nhiên liệu tối đa; và chế độ chuyển đổi tải. [7]
Chế độ phun phân tầng
Mục tiêu của chế độ phun phân tầng là vận hành động cơ khơng bƣớm ga ở tải nhỏ với tỷ lệ hỗn hợp nghèo hơn so với hỗn hợp đốt cháy đồng nhất thơng thƣờng. Trong chế độ phun phân tầng, nhiên liệu đƣợc phun đầu tiên trong quá trính nén. Ở đây, nhiên liệu đƣợc chuẩn bị chỉ với một phần của khơng khì. Một hỗn hợp đƣợc bao quanh bởi lƣợng khơng khì nạp đƣợc tạo ra. Việc bắt đầu phun rất quan trọng trong chế độ phun phân tầng. Hỗn hợp khơng chỉ đủ đồng nhất tại thời điểm đánh lửa mà cịn đƣợc đặt ở vị trì bu-gi. Do hỗn hợp chỉ xuất hiện cục bộ ở chế độ phun phân tầng,
38
nên hỗn hợp khá nghèo này dựa vào khơng khì xung quanh. Việc này địi hỏi xử lý khì thải tốn kém hơn ví bộ chuyển đổi xúc tác 3 thành phần khơng thể giảm lƣợng khì thải NOx trong hoạt động cháy nghèo. Chế độ phun đƣợc phân tầng chỉ cĩ thể đƣợc hoạt động trong một số giới hạn nhất định ví ở mức tải cao hơn muội than hoặc lƣợng khì thải NOx tăng đáng kể và ƣu điểm tiêu thụ nhiên liệu so với chế độ đồng nhất bị mất. Ở mức tải thấp hơn, chế độ phun phân tầng bị giới hạn bởi entanpy khì thải thấp, tức là, nhiệt độ khì thải trở nên thấp đến mức bộ chuyển đổi xúc tác khơng đủ giữ ở nhiệt độ vận hành chỉ bằng khì thải. Phạm vi tốc độ đƣợc giới hạn trong khoảng 3000 v/p ở chế độ phun phân tầng ví ở tốc độ trên ngƣỡng này, thời gian khả dụng khơng cịn đủ để đồng nhất hĩa đám mây.
Hỗn hợp trở nên nghèo trong vùng ngoại vi tiếp giáp với khơng khí xung quanh. Vì lý do này, cĩ sự gia tăng khì thải NOx khơng đƣợc xử lý trong khu vực này trong quá trình cháy. Khì thải tuần hồn làm giảm nhiệt độ đốt cháy và do đĩ làm giảm lƣợng khì thải NOx phụ thuộc nhiệt độ.
Hình 2.27: Sơ đồ vận hành trên động cơ TOYOTA GDI Chế độ phun đồng nhất (phun sớm)
Chế độ phun sớm để đáp ứng trạng thái động cơ ở tải cao hơn. Chế độ phun này cĩ hiệu suất đầy tải (bƣớm ga mở lớn) tƣơng đƣơng với động cơ PFI thơng thƣờng. Phun sớm giúp cho động cơ hoạt động ở một tỷ số nén cao hơn và là một cách tăng tình kinh tế nhiên liệu (tiết kiệm nhiên liệu). Phun sớm với tỷ lệ lý tƣởng cũng cĩ thể đạt đƣợc
39
những lợi ìch khi khởi động lạnh, giúp cho khởi động nhanh hơn, nâng cao nhiệt độ khì thải giúp cho bộ xúc tác làm việc nhanh hơn.
Những lợi ìch cĩ thể đạt đƣợc khi phun sớm của động cơ GDI:
Khởi động lạnh nhanh hơn
Bộ xúc tác đạt nhiệt độ làm việc nhanh hơn Giảm UBHC khi khởi động lạnh
Kiểm sốt tỷ lệ A/F chình xác hơn
Giảm tổn thất nhiệt trong suốt quá trính nén Quá trình cháy ổn định hơn
EGR hoạt động tốt hơn Hiệu suất nạp tăng đến 5%
Tăng giới hạn tự cháy và tỷ số nén
Khả năng cắt giảm nhiên liệu khi giảm tốc Tăng 6% tình kinh tế nhiên liệu
Tăng mơmen và cơng suất lên đến 10%
Cĩ thể hỗ trợ một số cơng nghệ khác nhƣ VVT và CVT
Kiểm sốt ìt phức tạp hơn so với các phun phân tầng của động cơ GDI
Hình 2.28: Sơ đồ cụ thể các chế độ hoạt
động.[3]
A. Chế độ đồng nhất tại λ = 1
B. Cháy nghèo hoặc đồng nhất tại λ = 1 với EGR
C. Chế độ phân tầng với EGR D. Chế độ phân tầng đồng nhất E. Chế độ bảo vệ kìch nổ đồng nhất
Ở chế độ phun đồng nhất, lƣợng nhiên liệu phun vào đƣợc đo chình xác với khơng khì trong lành theo tỷ lệ là 14,7:1. Nhiên liệu đƣợc phun trong kí nạp để cĩ đủ thời gian đồng nhất hĩa tồn bộ hỗn hợp. Với mục đìch bảo vệ bộ chuyển đổi xúc tác hoặc tăng cơng suất ở mức đầy tải, động cơ cũng đƣợc vận hành với lƣợng nhiên liệu dƣ
40
thừa ở các phần của sơ đồ vận hành trên (λ <1). Ví tồn bộ buồng đốt đƣợc sử dụng, chế độ đồng nhất là cần thiết khi yêu cầu mức mơ-men xoắn cao. Do hỗn hợp A/F lí tƣởng, khì thải ơ nhiễm khơng đƣợc xử lý ở chế độ vận hành thấp; những chất gây ơ nhiễm này cũng cĩ thể đƣợc chuyển đổi hồn tồn bằng bộ TWC. Trong hoạt động đồng nhất, quá trính cháy ở mức độ lớn tƣơng ứng với quá trính cháy đối với phƣơng pháp phun trƣớc đƣờng ống nạp.
Chế độ phun nghèo đồng nhất
Trong phạm vi chuyển tiếp giữa chế độ phân tầng và chế độ đồng nhất, động cơ cĩ thể đƣợc hoạt động với hỗn hợp A/F nghèo đồng nhất (λ > 1). Bởi tổn thất cơ khí thấp hơn do khơng cĩ bƣớm ga, nên mức tiêu thụ nhiên liệu ở chế độ nghèo đồng nhất thấp hơn ở chế độ đồng nhất tiêu chuẩn với λ ≤ 1. Tuy nhiên, chế độ này đi kèm với lƣợng khì thải NOx tăng lên do bộ TWC khơng thể giảm lƣợng khì thải này trong phạm vi này.
Chế độ phun phân tầng đồng nhất
Tại chế độ này, buồng đốt hồn tồn đƣợc lấp đầy bằng hỗn hợp cơ bản nghèo đồng nhất. Hỗn hợp này đƣợc tạo ra bằng cách phun một lƣợng nhiên liệu cơ bản trong cả kí nạp. Nhiên liệu đƣợc phun lần thứ hai (phun kép) trong kí nén. Điều này dẫn đến một khu vực giàu hơn hính thành trong khu vực của bu-gi. Phun phân tầng này dễ dàng bốc cháy và cĩ thể đốt cháy hỗn hợp nghèo đồng nhất trong phần cịn lại của buồng đốt với ngọn lửa dọc theo các đƣờng giống nhƣ đánh lửa. Chế độ phân tầng đồng nhất đƣợc kích hoạt cho một số chu kỳ trong quá trính chuyển đổi giữa chế độ phun phân tầng và chế độ đồng nhất. Điều này cho phép hệ thống quản lý động cơ điều chỉnh mơ-men xoắn tốt hơn trong quá trính chuyển đổi. Do sự chuyển đổi thành năng lƣợng của hỗn hợp cơ bản rất nghèo ở λ > 2, lƣợng khì thải NOx cũng giảm. Hệ số phân phối giữa hai lần phun là khoảng 75%, tức là 75% nhiên liệu đƣợc phun trong lần phun đầu tiên. Hoạt động ở trạng thái ổn định sử dụng phun kép ở tốc độ động cơ thấp trong phạm vi chuyển tiếp giữa chế độ phân tầng và chế độ đồng nhất giúp giảm lƣợng khì thải bồ hĩng so với chế độ phun phân tầng và giảm mức tiêu thụ nhiên liệu so với chế độ đồng nhất.[2]
41
Chế độ phun chia đồng nhất là một ứng dụng đặc biệt của phun kép trong chế độ phân tầng đồng nhất. Nĩ đƣợc sử dụng sau khi bắt đầu giai đoạn để đƣa bộ chuyển đổi xúc tác lên đến nhiệt độ hoạt động nhanh nhất cĩ thể. Hệ thống đánh lửa cĩ thể đƣợc giảm đáng kể (gĩc quay trục khủy 15 – 30o
sau TDC) bằng hiệu ứng ổn định của phun thứ hai trong hành trính nén. Một tỷ lệ lớn năng lƣợng đốt cháy sau đĩ sẽ khơng cịn ảnh hƣởng đến sự gia tăng mơmen xoắn, mà thay vào đĩ làm tăng entanpy (chỉ số năng lƣợng nhiệt độ) khì thải. Do lƣu lƣợng nhiệt khì thải cao, bộ chuyển đổi xúc tác sẵn sàng hoạt động chỉ vài giây sau khi bắt đầu.
Chế độ bảo vệ kích nổ đồng nhất
Trong chế độ vận hành này, theo quan điểm thực tế là sự phân tầng cản trở kìch nổ, sự chậm trễ thời gian đánh lửa khi cần thiết để tránh kìch nổ cĩ thể đƣợc phân phối thơng qua việc sử dụng phun kép khi đầy tải. Đồng thời, điểm đánh lửa thuận lợi hơn cũng dẫn đến mơ-men xoắn cao hơn.
Quá trình làm nĩng phân tầng (Stratified – charge/catalyst heating)
Một hính thức phun kép khác giúp làm nĩng hệ thống xả nhanh chĩng, mặc dù hệ thống xả phải đƣợc tối ƣu hĩa để phù hợp với ứng dụng này. Ở đây, ở chế độ phun phân tầng cĩ lƣợng khơng khì xĩt cao, việc phun đƣợc thực hiện trƣớc tiên trong hành trính nén (nhƣ ở chế độ phun phân tầng) và sau đĩ một lần nữa trong suốt kí nổ. Nhiên liệu này đƣợc đốt cháy rất muộn và làm cho phìa ống xả của động cơ và ống xả bị nĩng lên đáng kể. Tuy nhiên, khi động cơ nguội, chế độ vận hành này chứng tỏ khả năng ứng dụng của nĩ rất hạn chế đến mức trong trƣờng hợp này chế độ phun chia đồng nhất là vƣợt trội hơn đáng kể. Một ứng dụng quan trọng nữa là làm nĩng bộ chuyển đổi xúc tác NOx đến nhiệt độ vƣợt quá 650°C để bắt đầu khử lƣu huỳnh của bộ chuyển đổi xúc tác. Điều cực kỳ cần thiết là sử dụng phun kép ở đây ví nhiệt độ cao này khơng thể luơn đạt đƣợc trong tất cả các chế độ hoạt động với các phƣơng pháp gia nhiệt thơng thƣờng.[2]
Quá trình khởi động phun phân tầng
Trong q trính khởi động phun phân tầng, lƣợng nhiên liệu để khởi động đƣợc đƣa vào trong hành trính nén thay ví phun thơng thƣờng trong kí nạp. Ƣu điểm của việc phun này dựa trên thực tế là nhiên liệu đƣợc bơm vào khơng khì đã đƣợc nén và do đĩ
42
đƣợc làm nĩng. Theo cách này, lƣợng nhiên liệu bay hơi theo tỷ lệ % hơn trong điều kiện mơi trƣờng lạnh. Do đĩ, lƣợng nhiên liệu đƣợc bơm cĩ thể giảm đáng kể trong quá trính bắt đầu phân tầng. Điều này dẫn đến lƣợng khì thải HC giảm đáng kể trong khi bắt đầu. Ví bộ chuyển đổi xúc tác chƣa thể hoạt động tại thời điểm bắt đầu, đây là chế độ hoạt động quan trọng để phát triển các khái niệm khì thải thấp. Để tạo điều kiện cho việc chuẩn bị hỗn hợp trong thời gian ngắn, quá trính khởi động phun phân tầng đƣợc thực hiện ở áp suất nhiên liệu khoảng (3 – 4)MPa. Những áp suất này đã cĩ thể đƣợc cung cấp bởi bơm cao áp bằng các vịng quay khởi động.
Hình 2.29: Thời điểm phun và điểm phun các chế
độ hoạt động khác nhau. [7]