CHƯƠNG 2: ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG TRỰC TIẾP MAZDA CX-5
2.1. Giới thiệu chung về xe Mazda CX-5 và động cơ Skyactiv-G
Thông số kỹ thuật:
Bảng 2.1: Bảng thông số kỹ thuật xe Mazda CX-5.
STT Tên thông số kỹ thuật Giá trị
1 Dung tích xilanh (cc) 1998
2 Công suất (Hp/rpm) 153/6000
3 Momen xoắn (Nm/rpm) 200/4000
4 Loại nhiên liệu Xăng
5 Dài x Rộng x Cao (mm) 4550 x 1840 x 1680
6 Chiều dài cơ sở (mm) 2700
7 Khoảng sáng gầm (mm) 200
8 Khối lương không tải (kg) 1550
9 Khối lượng toàn tải (kg) 2058
10 Thông số lốp 225/55 R19
11 Hộp số Số tự động 6 cấp
12 Hệ thống dẫn động Cầu trước (FWD)
13 Dung tích nhiên liệu (l) 56
14 Dung tích khoang hành lý 505
15 Mâm xe (inch) 19
Động cơ:
Động cơ Skyactiv-G là động cơ phun xăng trực tiếp do Mazda phát triển. Skyactiv-G có cấu trúc hoàn toàn bằng nhôm, trục cam kép được dẫn động bằng xích. Khối động cơ này có nhiều ưu điểm như: kích thước nhỏ gọn, vận hành êm ái, khởi động nhanh, tăng tốc khoẻ, thân thiện môi trường, tiết kiệm nhiên liệu...
Xe được trang bị động cơ Skyactiv-G, một trong những động cơ có tính năng vượt trội so với những động cơ đương thời. Skyactiv-G là động cơ xăng với 4 xilanh được đặt
máy, gồm 2 trục cam dẫn động xupáp (S-VVT). Skyactiv-G 2.0L tích hợp hệ thống điều khiển van biến thiên lưu lượng dầu OCV (Oil-Flow Control Valve) cho phép tối ưu hóa thời gian, tiết kiệm được nhiên liệu.
Hình 2.1: Động cơ Skyactiv-G.
Động cơ Skyactiv-G có tỷ số nén lên đến 14:1, giúp giảm nguy cơ kích nổ khi áp suất cao. Nhờ tăng lưu lượng khí, tăng áp suất phun nhiên liệu, dùng kim phun đa lỗ, hình dáng đầu piston thay đổi nên thời gian đốt cháy được rút ngắn. Nhiên liệu thừa trong quá trình cháy được xử lý bằng hệ thống khí thải 4-2-1 với các cổ góp được bố trí hợp lý góp phần làm giảm khí nóng tồn tại trong xi lanh động cơ.
Nhờ những yếu tố trên mà động cơ Skyactiv-G giúp tối đa hoá hiệu suất vận hành, tạo ra công suất và mô men lớn hơn cho xe ô tô. Động cơ có thể cải thiện khoảng 15% hiệu suất đốt cháy nhiên liệu và 15% mô men xoắn ở dải tốc độ từ thấp đến trung bình. Điều này giúp xe không chỉ vận hành êm ái mà còn có được khả năng tăng tốc ấn tượng.
Động cơ Skyactiv-G tạo ra khí thải sạch, lượng khí thải thấp. Khối động cơ này đáp ứng được các tiêu chuẩn khí thải ULEV (có lượng khí thải cực thấp). Ngoài ra động cơ này còn có tỷ số nén cao nhất hiện nay. Tỷ số nén cho biết sự chuyển động của các van nạp
không khí vào buồng đốt. Tỷ số nén càng cao đồng nghĩa việc sử dụng nhiên liệu càng hiệu quả, khả năng tiết kiệm nhiên liệu càng cao.
2.2. Ví trí các bộ phận hệ thống phun xăng Mazda CX-5.
Các bộ phận của hệ thống xăng trực tiếp của xe Mazda CX-5 được bố trí ở khoang động cơ gồm có: Kim phun, bơm cao áp, ống phân phối, các giắc nối và hộp relay cầu trì.
Hình 2.2: Vị trí các bộ phận của hệ thống phun xăng Mazda CX-5 ở khoang động cơ.
1. Kim phun; 2. Bơm cao áp; 3. Giắc nối; 4. Ống phân phối; 5. Hộp relay cầu chì; 6.
Relay bơm nhiên liệu; 7. Relay kim phun.
Các bộ phận được bố trí ở thùng nhiên liệu gồm có: Thùng nhiên liệu, bơm nhiên liệu, lọc nhiên liệu, van chống tràn, các giắc nối, đường ống nhiên liệu và module điều khiển bơm nhiên liệu.
Hình 2.3: Ví trí các bộ phận của hệ thống phun xăng Mazda CX-5 ở thùng nhiên liệu.
1. Thùng nhiên liệu; 2. Giắc nối; 3. Bơm nhiên liệu; 4. Lọc nhiên liệu; 5. Ống thông hơi; 6. Ống lọc nhiên liệu; 7. Van chống tràn; 8. Module điều khiển bơm
nhiên liệu.
Ngoài các bộ phận có ở trên thì hệ thống phun xăng Mazda CX-5 còn có các van và các cảm biến sau: Van điều chỉnh nhiên liệu, van giới hạn áp suất, van điện từ kiểm soát
tràn, cảm biến áp suất nhiên liệu, cảm biến oxy, cảm biến vị trí trục cam, cảm biến vị trí trục khuỷu, cảm biến vị trí bướm ga...
2.3. Sơ đồ và nguyên lý hoạt động hệ thống phun xăng Mazda CX-5.
Sơ đồ:
Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý hoạt đông của hệ thống GDI trên Mazda CX-5.
1. Nắp nhiên liệu; 2. Bình nhiên liệu; 3. Bộ lọc nhiên liệu (cao áp); 4. Bộ điều chỉnh áp suất; 5. Bộ lọc; 6. Bơm nhiên liệu; 7. Bộ phận bơm nhiên liệu; 8. Bơm cao áp; 9. Đường dẫn nhiên liệu; 10. Van giới hạn áp suất; 11. Cảm biến áp suất
nhiên liệu; 12. Kim phun nhiên liệu; 13. Lưu lượng nhiên liệu.
Nguyên lý hoạt động:
Nhiên liệu được hút từ bình nhiên liệu bằng bơm và đưa qua bộ lọc nhiên liệu có tác dụng hấp thụ các dao động nhỏ của áp suất nhiên liệu do sự phun nhiên liệu gây ra, sau đó qua ống phân phối rồi đến bơm nhiên liệu áp lực cao để tăng áp suất cho nhiên liệu và cuối
cùng tới vòi phun phun trực tiếp vào buồng cháy. Các vòi phun sẽ phun nhiên liệu vào đường ống nạp tùy theo các tín hiệu phun được PCM tính toán.
2.4. Kết cấu các chi tiết trong hệ thống phun xăng Mazda CX-5.
2.4.1. Bơm cao áp.
Có thể nói bộ phận quan trọng đầu tiên trong hệ thống này là bơm cao áp, bơm cao áp có nhiệm vụ nén nhiên liệu áp suất thấp từ bơm tiếp vận lên nhiên liệu áp suất cao để tích trữ trong ống rail. Nhờ có cảm biến áp suất ống rail mà PCM nhận biết được áp suất thực tế trong ống rail là bao nhiêu để điều chỉnh van FPRV (Fuel Pressure Regular Valve: van điều áp) trên bơm cao áp. Sau đó PCM sẽ điều chỉnh kim phun nhiên liệu dưới áp suất cao vào buồng đốt động cơ.
Hình 2.5: Bơm cao áp.
1. Điện từ kiểm soát tràn; 2. Pittong; 3. Đường đến đường ray nhiên liệu; 4. Từ bình nhiên liệu; 5. Từ van giới hạn áp suất.
Pit tông của bơm cao áp được dẫn động bởi một vấu cam trên trục cam quay với một nữa tốc độ động cơ.
Khi pit tông di chuyển từ điểm chết trên đến điểm chết dưới, nhiên liệu chảy qua van đầu vào mở vào buồng áp suất cao (giai đoạn nạp).
Hình 2.6: Vấu cam tác dụng vào pit tông bơm.
1. Điện từ kiểm soát tràn; 2. Van đầu vào; 3. Pit tông; 4. Vấu cam; 5. Lò xo; 6.
Van đầu ra; 7. Bộ giảm xung.
Khi pit tông di chuyển từ điểm chết dưới đến điểm chết trên (hành trình làm việc) và bộ phận kiểm soát tràn solenoid giữ van đầu vào mở, nhiên liệu trong van áp suất cao được đưa trở lại phía hút của máy bơm (giai đoạn tràn).
Hình 2.7: Van đầu vào mở.
Ngay khi nam châm điện từ kiểm soát tràn nhả van đầu vào, van này sẽ đóng lại và nhiên liệu được nén trong buồng áp suất cao (bắt đầu giai đoạn áp suất cao). Khi áp suất trong buồng áp suất cao tăng lên, van xả sẽ mở ra và nhiên liệu được đẩy qua đường áp suất
cao đến đường ray nhiên liệu. Hành trình làm việc kết thúc ngay khi áp suất trong buồng cao áp thấp hơn áp suất trong đường cao áp và van xả đóng lại (kết thúc giai đoạn áp suất cao).
Hình 2.8: Van đầu vào đóng.
Ngoài ra, máy bơm cao áp được trang bị bộ giảm chấn xung nằm ở phía hút của máy bơm và bao gồm hai buồng giảm chấn làm bằng kim loại tấm. Nếu áp suất ở phía hút đạt đến giá trị mục tiêu, các buồng giảm chấn sẽ bị biến dạng, làm tăng thể tích nhiên liệu có sẵn.
Kết quả là nhiên liệu dư thừa được hấp thụ khi áp suất đạt cực đại và cũng được giải phóng khi áp suất giảm, do đó dao động áp suất do đặc tính phân phối của bơm được giảm bớt.
Vì bơm cao áp không được trang bị đường hồi về bình nhiên liệu để xả áp suất nhiên liệu nên nhiên liệu có thể ở áp suất cao ngay cả khi động cơ không chạy. Vì lý do này, áp suất nhiên liệu phải luôn được giải phóng trước khi mở hệ thống nhiên liệu.
Do bơm cao áp được dẫn động bởi trục cam nên PCM sẽ điều khiển áp suất nhiên liệu tối ưu thông qua van tràn nằm trong bơm dựa trên các tín hiệu cảm biến sau đây.
Tùy vào từng điều kiện hoạt động cụ thể, PCM sẽ điều khiển van tràn để áp suất nhiên liệu 1 cách tối ưu nhất. Có 2 chế độ điều khiển:
• Điều khiển sau khi khởi động:
+ Trong suốt quá trình khởi động lạnh, PCM điều khiển áp suất nhiên liệu tăng cao nhằm đảm bảo độ phun tơi của nhiên liệu.
• Điều khiển cơ bản: PCM sẽ tính toán áp suất phù hợp dựa trên hiệu suất nạp và việc điều khiển phản hồi thông qua việc kiểm soát áp suất đường ống phân phối bằng cảm biến áp suất nhiên liệu (được bố trí trên đường ống phân phối)
+ Tốc độ không tải ~ 3 MPa
+ Sau khi làm nóng, khi tốc độ động cơ từ 3000 rpm trở lên, hiệu suất nạp từ 60% trở lên: ~ 15.0 MPa.
Hình 2.9: Sơ đồ điều khiển bơm cao áp.
Điều kiện làm việc của công tắc điều khiển hở mạch:
Công tắc ON: Khi thỏa một trong các điều kiện sau:
- Công tắc ON (trong thời gian khoảng 1 giây) - Động cơ đang hoạt động.
- Trong khi động cơ đang làm việc.
- Động cơ dừng tạm thời bởi điều khiển i-stop.
Công tắc OFF: Động cơ dừng (ngoại trừ trường hợp dừng tạm thời bởi điều khiển i- stop).
Bảng 2.2: Bảng điều khiển bơm.
Hiệu dụng Tốc độ bơm Điều kiện làm việc
95% Tối đa Thoả mãn một trong các điều kiện sau:
- Modun điều khiển bơm nhiên liệu gặp sự cố (nếu điện áp thấp hơn yêu cầu).
10% - 90% Tuỳ thuộc vào tỉ lệ hiệu dụng
- Giá trị phản hồi từ cảm biến áp suất nhiên liệu (xác định áp lực bơm nhiên liệu đang ở mức cao).
- Điều khiển ở mọi tỉ lệ hiệu dụng ngoại trừ ở 5% và 95%.
0% Không - Khi động cơ dừng (ngoại trừ trường hợp động cơ dừng tạm thời theo điều khiển i-stop).
2.4.2. Bơm nhiên liệu.
Hình 2.10: Kết cấu bơm nhiên liệu.
1. Vỏ bơm nhiên liệu; 2. Bơm nhiên liệu; 3. Bộ lọc nhiên liệu; 4. Đường đến bơm cao áp; 5. Nồi xoáy; 6. Bộ điều chỉnh áp suất; 7. Bộ lọc; 8. Bơm phản lực chính; 9.
Lưu lượng nhiên liệu nạp; 10. Lưu lượng nhiên liệu đi; 11. Đường nhiên liệu vào;
12. Bơm phụ; 13. Bơm nhiên liệu.
Bơm nhiên liệu được điều khiển bởi PCM thông qua role bơm nhiên liệu, role điều khiển tốc độ bơm nhiên liệu và điện trở chấn lưu.
Hình 2.11: Mạch điều khiển bơm nhiên liệu.
1. Role điều khiển tốc độ bơm nhiên liệu; 2. Điện trở chấn lưu; 3. Role bơm nhiên liệu; 4. Motor bơm nhiên liệu; 5. PCM.
Khi bật khóa điện, PCM sẽ cấp điện cho rơle bơm nhiên liệu trong 1 giây để tạo áp suất trong đường cấp nhiên liệu, cải thiện khả năng khởi động của động cơ.
Trong quá trình khởi động, một thời gian ngắn sau khi khởi động cơ nóng hoặc khi tốc độ động cơ cao, PCM cấp điện cho cả rơle bơm nhiên liệu và rơle điều khiển tốc độ bơm nhiên liệu, chuyển đổi nguồn điện trực tiếp tới động cơ bơm nhiên liệu. Kết quả là, điện áp ắc quy được cung cấp cho bơm nhiên liệu để bơm nhiên liệu hoạt động ở tốc độ
cao. Do đó, lượng nhiên liệu được cung cấp cho bơm cao áp và áp suất nhiên liệu trong hệ thống lúc này là cao.
Trong bất kỳ điều kiện nào khác ngoài điều kiện trên, PCM chỉ cung cấp năng lượng cho rơle bơm nhiên liệu, chuyển đổi nguồn điện cho động cơ bơm nhiên liệu thông qua điện trở chấn lưu. Do sự sụt giảm điện áp ở điện trở chấn lưu, điện áp cung cấp cho động cơ bơm nhiên liệu bị giảm, do đó bơm nhiên liệu hoạt động ở tốc độ thấp. Do đó, lượng nhiên liệu được cung cấp cho bơm cao áp và do đó áp suất nhiên liệu trong hệ thống lúc này là thấp.
Bằng cách này, rơle bơm nhiên liệu và rơle điều khiển tốc độ bơm nhiên liệu thay đổi áp suất trong đường cấp nhiên liệu trong khoảng 380…480 kPa (tùy thuộc vào điều kiện vận hành) trong khi động cơ đang chạy.
2.4.3. Các đường ống cao áp và ống rail.
Hình 2.12: Dây cao áp.
1. Đường dây cao áp; 2. Gioăng chữ O.
Tất cả các đường ống được làm từ thép hợp kim không gỉ chống ăn mòn về hóa học.
Ống rail bên ngoài hay còn gọi là ống sáo, thuật ngữ rail này lấy từ hệ thống phun dầu điện tử Common Rail vì hình dạng của nó tương tự bên hệ thống phun dầu và nhiệm vụ cũng là để tích trữ nhiên liệu áp suất cao từ bơm cao áp lên.
Đường cao áp nối với bơm cao áp và đường ray nhiên liệu.
Hình 2.13: Ống rail.
1. Đường đến kim phun; 2. Van giới hạn áp suất; 3. Từ bơm cao áp; 4. Đường ray nhiên liệu; 5. Cảm biến áp suất nhiên liệu.
Đường ray nhiên liệu lưu trữ nhiên liệu ở áp suất cao không đổi trong khoảng 3.12 MPa (tùy thuộc vào điều kiện vận hành). Các hành trình làm việc của bơm cao áp và việc mở và đóng các kim phun tạo ra sự dao động áp suất trong hệ thống áp suất cao. Do đó, đường dẫn nhiên liệu được thiết kế sao cho có đủ thể tích để hạn chế dao động áp suất ở mức tối thiểu. Mặt khác, thể tích của đường dẫn nhiên liệu đủ nhỏ để tạo ra áp suất nhiên liệu cần thiết để khởi động nhanh trong thời gian ngắn nhất có thể.
2.4.4. Kim phun.
Một chi tiết cực kì quan trọng trong hệ thống này là kim phun. Không giống như động cơ phun xăng thông thường, kim phun GDI được thiết kế với độ chính xác và phun áp suất cao hơn rất nhiều.
Nếu như động cơ phun xăng đa điểm MPI, kim phun phun vào trước đường ống nạp thì động cơ GDI, kim phun phun thẳng trực tiếp vào buồng đốt của động cơ giống như động cơ Diesel.
Nguyên lý hoạt động của kim phun:
Khi cuộn dây bị mất điện, kim phun được đóng lại bằng lực lò xo tác động lên kim van.
Khi cuộn dây được cấp điện, lực từ vượt quá lực lò xo tác dụng lên kim van và kim phun mở ra.
Hình 2.14: Kết cấu kim phun.
1. Vòng chữ O; 2. Lò xo; 3. Kim van; 4. Tấm lỗ phun; 5. Cuộn dây.
Như vậy việc đóng mở kim phun ở vòi phun được điều khiển từ bên ngoài nhờ tín hiệu điện.
Nếu độ chênh áp trước và sau lỗ phun không đổi thì lượng cung cấp chỉ phụ thuộc vào thời gian mở của kim phun, nói cách khác chỉ phụ thuộc vào chiều dài của tín hiệu điều khiển vòi phun, được tính toán bởi PCM tùy theo chế độ làm việc của động cơ.
Thời gian phun nhiên liệu chính là thời gian PCM cấp điện cho kim phun (cuộn dây selenoid).
Thời gian phun được tính dựa trên công thức:
Thời gian phun= thời gian phun có ích + thời gian phun không có ích + Thời gian phun không có ích: Kim phun có thể bị trễ khi cấp điện.
+ Thời gian phun có ích: là thời gian mà kim phun mở, nhiên liệu được phun vào động cơ.
PCM xác định thời gian phun hiệu quả theo vùng điều khiển dựa trên tốc độ động cơ và lượng khí nạp để tạo ra tỷ lệ hỗn hợp không khí-nhiên liệu tối ưu nhất ở mọi chế độ hoạt động của động cơ.
Hình 2.15: Hình dạng tia nhiên liệu.
1. Tia nhiên liệu; 2. Mặt trước; 3. Mặt bên.
Các kim phun được trang bị một tấm lỗ phun với một lỗ phun, đảm bảo nhiên liệu được phun sương tối ưu.
Điều khiển phun nhiên liệu:
Hình 2.16: Sự cháy với hoà khí đồng nhất.
Sự cháy với hòa khí đồng nhất: Nhiên liệu được phun trong kỳ nạp, hòa trộn đều với không khí tạo ra hoà khí dạng đồng nhất. Xét về mặt lý thuyết sự cháy với hòa khí đồng nhất tạo ra nhiều công suất nhưng tiêu tốn nhiều nhiên liệu hơn.
Hình 2.17: Sự cháy với hoà khí phân tầng.
Sự cháy với hòa khí phân tầng: Bugi tập trung đánh lửa vào khu vực giàu hòa khí, tạo ra màn lửa đủ lớn để lan tràn đến các khu vực còn lại (có hòa khi thấp hơn). Sự cháy với hòa khí phân tầng được xem như cháy ở điều kiện hòa khí nghèo.
2.4.5. Van điện từ kiểm soát tràn.
Van điện từ kiểm soát tràn bao gồm một cuộn dây và phần ứng tải bằng lò xo.
Hình 2.18: Van điện từ kiểm soát tràn.
1. Van điện từ kiểm soát tràn khi chưa cấp điện; 2. Van điện từ kiểm soát tràn khi cấp điện; 3. Lò xo; 4. Phần ứng; 5. Cuộn dây; 6. Lưu lượng nhiên liệu; 7.
Chuyển động của pit tông; 8. Đến đường ray nhiên liệu.
Nguyên lý hoạt động:
Khi van điện từ kiểm soát tràn bị mất điện trong suốt hành trình làm việc của máy bơm, phần ứng sẽ giữ cho van đầu vào mở. Kết quả là giai đoạn tràn bắt đầu, tức là nhiên liệu được đưa trở lại phía hút của máy bơm.
Khi van điện từ kiểm soát tràn được cấp điện trong suốt hành trình làm việc của máy bơm, phần ứng sẽ nhả van đầu vào. Kết quả là van đóng lại và giai đoạn áp suất cao bắt đầu, tức là nhiên liệu được đưa đến đường ray nhiên liệu.
Tuy nhiên, thời gian cấp điện bị hạn chế để giảm thiểu tổn thất điện năng trong nam châm điện kiểm soát tràn, tránh cho nó quá nóng.
Vì lý do này, PCM ngắt điện từ trước khi kết thúc hành trình làm việc khi áp suất nhiên liệu tối đa được yêu cầu.
2.4.6. Van giới hạn áp suất.
Hình 2.19: Van giới hạn áp suất.
1. Đến bơm cao áp; 2. Thân van; 3. Viên bi; 4. Từ đường ray nhiên liệu; 5.
Màng chắn viên bi; 6. Lò xo.
Van giới hạn áp suất bảo vệ hệ thống áp suất cao khỏi áp suất quá mức trong trường hợp có sự cố. Van nằm trên đường ray nhiên liệu và chứa một van bi chịu tải bằng lò xo.