Các yêu cầu cơ bản của buồng đốt
Hệ thống buồng đốt của động cơ GDI phải đảm bảo đƣợc cả 2 yếu tố:
- Tạo hỗn hợp đồng nhất và phân tầng giữa các lớp khơng cĩ đƣờng chuyển tiếp. - Tạo đƣợc một vùng hỗn hợp đậm (dễ cháy) xung quanh bu-gi và phải đúng ngay
thời điểm đánh lửa của động cơ.
Để thoả mãn đƣợc 2 yêu cầu trên, ngƣời ta đƣa ra một số kiểu buồng đốt kết hợp với việc đặt kim phun và bu-gi.
25
Hình 2.12: Các dạng buồng đốt cơ bản của động cơ GDI.[2]
Với các dạng buồng đốt nhƣ hính 2.12 nhiên liệu phun ra nhờ sự xốy lốc dọc của dịng khơng khì và hính dạng của buồng đốt sẽ bay hơi và hồ trộn nhanh chĩng. Đối với dạng buồng đốt hính 2.12a kim phun đƣợc đặt ngay giữa trung tâm, vị trì bu-gi đƣợc bố trì theo hính sét nhƣ trên.
Cách bố trì thứ 2, bu-gi đƣợc đặt ngay trung tâm kim phun đƣợc bố trì sao cho dịng nhiên liệu khi phun vào giai đoạn đầu sẽ bay hơi tạo hỗn hợp đồng nhất, giai đoạn sau khi piston lên gần điểm chết trên sẽ xốy lốc theo biên dạng của buồng đốt và tạo ra hỗn hợp đậm xung quanh đỉnh của bu-gi nhƣ hính 2.12b. Tƣơng tự kiểu buồng đốt hình 2.12c, d cũng tạo ra hỗn hợp nhƣ trên nhƣng kim phun và bu-gi đƣợc bố trì trong phạm vi chỏm của buồng đốt (piston hoặc quy lát) dựa vào biên dạng này để tạo ra hỗn hợp đậm xung quanh đầu bu-gi.
Vị trí đặt kim phun và bu-gi
Vị trì và hƣớng của kim phun so với gĩc đánh lửa là thơng số hính học quan trọng trong thiết kế và tối ƣu hĩa của một buồng đốt GDI.
26
Trong quá trính hoạt động ở tải lớn kim phun đặt hƣớng trục và gĩc phun hính cơn thúc đẩy nhiên liệu hịa trộn tốt với khơng khì hút vào để tối ƣu hĩa việc sử dụng khơng khì. Đối với phun trễ, vị trì đặt kim phun và bu-gi phù hợp là phải cung cấp đƣợc một hỗn hợp hịa khì dễ cháy ở khe hở bu-gi vào thời điểm đánh lửa điều đĩ sẽ mang lại khả năng hoạt động tối đa của động cơ trong phạm vi tốc độ. Nĩi chung, khơng cĩ một vị trì cụ thể nào tối ƣu cho tất cả các chế độ tải hoạt động ví vậy vị trì đặt kim phun và bu-gi phải cĩ sự dung hịa với nhau.
Trong quá trính nghiên cứu thiết kế buồng đốt GDI các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng cần phải giảm khoảng cách di chuyển của ngọn lửa, giảm kìch nổ ở nhiên liệu cĩ chỉ số octane nhất định và vị trì bu-gi đƣợc đặt ở gần trung tâm thìch hợp nhất. Cũng nhƣ hệ thống PFI vị trì đặt này cung cấp tổn thất nhiệt thấp nhất trong quá trính cháy. Bu-gi đặt lệch tâm ìt hơn 12% so với đƣờng kình lỗ đạt đƣợc các yêu cầu về chỉ số octane. Việc sử dụng hai bu-gi là một lựa chọn để tăng khả năng đánh lửa hiệu quả. Tuy nhiên việc cĩ hai nguồn đánh lửa xuất hiện những vấn đề khĩ chƣa thể giải quyết đƣợc. Lý do chình để đặt bu-gi ở gần trung tâm là do cĩ sự phân bố lửa đối xứng giúp tối đa hĩa tốc độ cháy và cơng suất cũng nhƣ giảm tổn thất nhiệt và tự cháy. Một khi đặt bu-gi ở gần trung tâm, thí một số yếu tố cần tình đến nhƣ vị trì và định hƣớng cho kim phun. Các cân nhắc cơ bản là kim phun phải đặt ở vị trì cĩ thể cung cấp q trính phun phân tầng một cách ổn định ở chế độ tải nhỏ, một hỗn hợp đồng nhất ở chế độ tải lớn và tránh va chạm dịng nhiên liệu lên thành xy-lanh và đỉnh piston. Các yếu tố quan trọng khác bao gồm nhiệt độ đầu phun và xu hƣớng đĩng muội than của bu-gi và kim phun, sự dung hịa giữa kìch thƣớc xupap nạp, vị trì của kim phun và những hạn chế của việc tiếp cận và sửa chữa. Khu vực thìch hợp cho các xupap nạp đƣợc ghi nhận ví hầu hết các vị trì đặt kim phun đều làm giảm khoảng trống cho các xupap.[2]
Cĩ 07 tham số quan trọng sẽ ảnh hƣởng đến vị trì cuối cùng đƣợc lựa chọn của kim phun và bu-gi:
• Các vấn đề về cổng nạp và xupap. • Đặc tình phun.
• Cấu trúc và sức mạnh của trƣờng dịng chảy trong xylanh. • Hính dáng buồng đốt.
27
• Đầu piston và hính dạng đỉnh piston. • Giới hạn nhiệt độ thân và đầu kim phun.
• Thiết kế bu-gi và mức độ cho phép mở rộng điện cực.
Khơng nên đặt kim phun ở gần phìa xupap xả ví nhiệt độ đầu kim phun khi trên 175°C thí sẽ đĩng muội than và giảm độ bền.
Hình 2.13: Hình dáng bố trí vị trí xupap,
bu-gi và kim phun. [12]
Vị trì kim phun đặt gần trung tâm buồng đốt, gần bu-gi đƣợc thể hiện trên hình 2.13 thìch hợp với nhiều thiết kế buồng đốt ví nĩ hầu nhƣ đảm bảo sự xuất hiện của một hỗn hợp giàu gần khe hở bu-gi tại thời điểm đánh lửa. Ngồi ra vị trì đặt kim phun dọc ở trung tâm cĩ ƣu điểm là phân phối nhiên liệu đƣợc đều do tình đối xứng của xylanh. Đối với phun trễ vị trì đặt ở trung tâm định hƣớng phun bằng piston sinh ra lƣợng Hydrocarbon chƣa cháy – UBHC (Unburnt Hydrocarbons) cao hơn so với đặt nghiêng. Cũng cần phải chú ý đến sự ổn định của động cơ GDI đặt kim phun thẳng đứng ở trung tâm ví hoạt động phân tầng ở loại động cơ này khá nhạy cảm với sự thay đổi của các đặc tình phun. Nhƣ sự thay đổi của tình đối xứng, gĩc nghiêng hoặc gĩc cơn do biến đổi trong quá trính phun hoặc do kim phun bị đĩng muội than cĩ thể làm giá trị hệ số COV (Coefficient of Variation) của áp suất chỉ thị trung bính – IMEP (Indicated Mean Effective Pressure) ở mức đƣợc chấp nhận. Khi hính dạng phun cơ bản bị biến đổi đáng kể cĩ thể dẫn đến động cơ khơng nổ hoặc cháy khơng hồn tồn. Ví thế khi đặt kim phun thẳng đứng phải chú ý duy trí hính dạng và chất lƣợng phun.
Do yêu cầu khoảng cách gần của kim phun và bu-gi dẫn đến kìch thƣớc của xupap bị giảm. Điều này, cũng đƣa ra các vấn đề về mất lửa từ sự va chạm của màng nhiên liệu lên điện cực bu-gi. Thêm vào đĩ việc sử dụng năng lƣợng đánh lửa cao hơn làm cho những hệ thống này địi hỏi độ bền cao hơn của bu-gi. Tốc độ hính thành muội than
28
của kim phun là điều đáng quan tâm và việc đặt kim phun gần nguồn đánh lửa cĩ thể làm tăng tốc độ này.[8]
Hình 2.14. Giới hạn kìch thƣớc xupap với các lựa chọn vị trí kim phun, bu-gi.[2]
Hình 2.14a, b cho thấy cách bố trì mà kim phun và bu-gi đặt gần nhau (thiết kế khoảng hẹp) hính 2.14c cho thấy một số vị trì cĩ thể đặt bu-gi và kim phun (thiết kế khoảng rộng). Tuy nhiên, trong mỗi thiết kế đều cĩ những hạn chế nên cần phải cĩ phƣơng pháp phụ để nâng cao hiệu quả nạp nhƣ tối ƣu hĩa thiết kế cổng nạp.
Các phƣơng pháp tạo hỗn hợp trong buồng đốt động cơ GDI
Về cơ bản, động cơ GDI tạo hỗn hợp phân tầng nghèo khi hoạt động ở chế độ tải nhỏ. Để tạo một hỗn hợp phân tầng nghèo nhƣng khu vực xung quanh bu-gi hỗn hợp đậm đặc nhằm mục đìch là cĩ thể cháy đƣợc trong thời điểm đánh lửa, hệ thống buồng đốt động cơ GDI cĩ thể thực thiện theo 3 phƣơng án sau:
- Bố trì kim phun để hƣớng dịng nhiên liệu vào đỉnh bu-gi bằng hính dạng đỉnh piston (Wall – Guide).
- Bố trì kim phun để hƣớng dịng nhiên liệu vào đỉnh bu-gi bằng chuyển động của dịng khơng khì nạp vào (Air – Guide).
- Bố trì kim phun để hƣớng dịng nhiên liệu vào đỉnh bu-gi (Spray – Guide).
29