4.1.1 Khái niệm về phun xăng điện tử :
Hệ thống phun xăng điện tử được ra đời nhằm khắc phục sự bất lợi của hệ thống phun xăng kiểu cơ khí. Hệ thống này cung cấp tỷ lệ khí hỗn hợp cho động cơ một cách tối ưu. Tùy theo chế độ hoạt động của ôtô, hệ thống điều khiển thay đổi tỷ lệ xăng – không khí một cách chính xác. Cụ thể ở chế độ khởi động trong thời tiết giá lạnh, khí hỗn hợp được cung cấp giàu xăng. Sau khi động cơ đã đạt nhiệt độ vận hành, khí hỗn hợp sẽ nghèo xăng hơn. Ở các chế độ cao tốc và tăng tốc khí hỗn hợp lại được cung cấp giàu xăng đúng yêu cầu.
Hình 1.1 - Sơ đồ hệ thống phun xăng điện tử
1. Thùng xăng; 2.Bơm xăng; 3. Lọc xăng; 4. Ống phân phối; 5. Van điều áp; 6. ECU 7. Vòi phun chính; 8. Vòi phun khởi động lạnh; 9,19. Vít chỉnh Galăngti; 10.Cảm biến vị trí bướm ga; 11. Bướm ga; 12. Cảm biến đo gió; 13. Rơ le;14. Cảm biến ô xy; 15. Cảm biến to động cơ; 16. Công tắc nhiệt 17. Bộ chia điện;18.Van khí phụ; 20. ăc quy; 21. Khoá điện.
Nhiều loại cảm biến sau đây thường xuyên cung cấp cho ECU thông tin về tình trạng của động cơ: Cảm biến lưu lượng không khí nạp, cảm biến tốc độ động cơ, cảm biến vị trí bướm ga, cảm biến nhiệt độ nước làm mát, cảm biến oxy trong khí thải và cảm biến nhiệt độ không khí nạp.
Các kim phun xăng được cung cấp nhiên liệu dưới áp suất không đổi nhờ bơm xăng điện và bộ điều áp xăng. ECU liên tục tiếp nhận thông tin từ các bộ cảm biến, xử lý các thông tin này bằng cách so sánh với các dữ liệu đã được cài đặt trong bộ nhớ vi xử lý. Sau đó nó quyết định thời điểm và thời lượng phun xăng bằng cách đặt điện áp vào cuộn dây solenoid trong kim phun. Cuộn dây solenoid sẽ được từ hóa khi ECU đặt điện áp vào. Lúc này từ trường sẽ hút lõi làm nhất van kim cho phun xăng. Lượng xăng phun ra nhiều hay ít tùy thuộc vào thời gian van kim mở dài hay ngắn. Khi ECU ngắt điện, cuộn dây solenoid mất từ tính, lò xo đẩy van kim đóng bệ van chấm dứt phun xăng.
4.1.2 Lịch sử phát triển của hệ thống phun xăng điện tử:
Vào cuối thế kỷ 19, người Đức đã cho phun nhiên liệu vào buồng cháy nhưng không mang lại hiệu quả nên không được thực hiện. Đến năm 1887 người Mỹ đã có đóng góp to lớn trong việc triển khai hệ thống phun xăng vào sản xuất, áp dung trên động cơ tỉnh tại. Đầu thế kỷ 20, người Đức áp dụng hệ thống phun xăng trên động cơ 4 thì tỉnh tại (nhiên liệu dùng trên động cơ máy là dầu hoả nên hay bị kích nổ và hiệu suất rất thấp), với sự đóng góp này đã đưa ra một công nghệ chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu máy bay ở Đức.
Từ đó trở đi, hệ thống phun xăng được áp dụng trên các ô tô ở Đức và nó đã thay dần động cơ sử dụng chế hoà khí. Hãng BOSCH đã áp dụng hệ thống phun xăng trên ô tô hai thì bằng cách cung cấp nhiên liệu với áp lực cao và sử dụng phương pháp phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng đốt nên giá thành chế tạo cao và hiệu quả lại thấp với kỹ thuật này đã được ứng dụng trong thế chiến thứ II.
Việc nghiên cứu ứng dụng hệ thống phun xăng bị gián đoạn trong một khoảng thời gian dài do chiến tranh, đến 1962 người Pháp phát triển nó trên ô tô Peugeot 404. Họ điều khiển sự phân phối nhiên liệu bằng cơ khí nên hiệu quả không cao và công nghệ vẫn chưa đáp ứng tốt. Đến năm 1966 hãng BOSCH đã thành công trong việc chế tạo hệ thống phun xăng cơ khí. Trong hệ thống này nhiên liệu được phun liên tục vào trước xupáp nạp nên có tên là K-Jetronic(K- konstant-liên tục, Jetronic-phun).
K-jetronic được đưa vào sản xuất và ứng dụng trên các xe của Hãng Mercedes và một số xe khác, là nền tảng cho việc phát triển hệ thống phun xăng thế hệ sau này.
Vào năm 1981 hệ thống K-jetronic được cải tiến thành hệ thống KE-Jetronic và nó được sản xuất hàng loạt vào năm1984 và được trang bị trên các xe của hãng Mescedes. Dù đã được thành công lớn trong ứng dụng hệ thống K-Jetronic và KE- Jetronic trên ô tô, nhưng các kiểu này có khuyết điểm là bão dưỡng sữa chữa khó và giá thành chế tạo rất cao. Vì vậy các kỹ sư đã không ngừng nghiên cứu và đưa ra các loại khác như Mono-jetronic, L-Jetronic, Motronic.
Đến năm 1984 người Nhật mua bản quyền của hãng BOSCH đã ứng dụng hệ thống phun xăng L-Jetronic và D-jetronic trên các xe của hãng Toyota gọi là EFI (Electronic Fuel Injection). Đến năm 1987 hãng Nissan dùng L-Jetronic thay cho bộ chế hoà khí của xe Nissan sunny. Song song với việc phát triển của hệ thống phun xăng, hệ thống điều khiển đánh lửa theo chương trình ESA (Electronic Spark
Advance) cũng đã được sử dụng vào những năm đầu thập kỹ 80 và loại tích hợp, tức
điều khiển cả phun xăng và đánh lửa của Hãng BOSCH đặt tên là Motronic.
4.1.3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống phun xăng điện tử:
Các cảm biến liên tục đo đạc các trạng thái hoạt động của động cơ đốt trong. Một bộ điều khiển điện tử ECU (Electronic Control Unit) đánh giá các tín hiệu vào của các cảm biến bằng các so sánh với giá trị tối ưu trong bộ nhớ, sau đó tính toán và hình thành các xung điều khiển đưa đến các thiếu bị thực hiện (Actuator).
Ta có thể chia EFI ra thành 3 hệ thống nhỏ: hệ thống điều khiển điện tử, hệ thống nhiên liệu và hệ thống nạp khí. Nguyên lý hoạt động của hệ thống có thể được thể hiện dưới dạng sơ đồ khối như trên hình dưới.
+ Hệ thống điều khiển điện tử: đảm bảo hỗn hợp khí cháy có tỷ lệ lý tưởng (14,7 :1). Bộ phận chính của hệ thống điều khiển điện tử là bộ điều khiển trung tâm (ECU), nó nhận thông tin từ các cảm biến (nhiệt độ nước, nhiệt độ khí nạp, vị trí bướm ga, tín hiệu khởi động và cảm biến ô xy) cùng với tín hiệu đánh lửa và thông tin từ bộ phận đo lượng khí nạp. Sau khi xử lý các tín hiệu thu được ECU sẽ phát tín hiệu điều khiển vòi phun (thông tin về thời điểm phun và lượng phun). Nhờ đó mà lượng nhiên liệu phun vào luôn luôn tỷ lệ với lượng khí nạp.
+ Hệ thống nhiên liệu : bao gồm một bơm điện, nó hút xăng từ thùng chứa và đẩy vào hệ thống qua một bầu lọc. Như vậy, khi động cơ hoạt động, trong đường ống phân phối nhiên liệu tới các vòi phun luôn luôn thường trực một áp suất khôg đổi (khoảng 2,5 ¸ 3 kg/cm2), đây cũng chính là áp suất phun. Khi nhận được tín hiệu điều khiển từ ECU, van điện mở và nhiên liệu được phun vào trong đường ống nạp. Để giữ áp suất ổn định trên đường ống nhiên liệu cấp tới các vòi phun, người ta bố trí một van điều áp. Ngoài ra đường ống nhiên liệu còn được nối tới vòi phun khởi động nguội bố trí trong buồng khí nạp. Tín hiệu điều khiển vòi phun này được lấy từ công tắc báo khởi động nguội. Công tắc này đặt trong áo nước của xi lanh và đóng, mở tuỳ theo nhiệt độ nước.
+ Hệ thống nạp khí: bắt đầu từ một bộ lọc khí, sau khi đi qua nó không khí được lọc sạch và được dẫn qua một bộ đo lưu lượng khí nạp (lưu lượng kế hoặc cảm biến đo
lưu lượng) rồi đi qua bướm ga, đi tiếp tới buồng khí và đi vào cụm ống nạp của động
cơ. Tại đây, nhiên liệu được phun vào, hoà trộn với không khí tạo thành hỗn hợp rồi được hút vào các xi lanh.
Hệ thống phun xăng điện tử EFI cũng có thể được chia thành điều khiển phun nhiên liệu cơ bản và điều khiển hiệu chỉnh.
4.1.3.1 Điều khiển phun cơ bản:
Các thiết bị phun cơ bản duy trì một tỷ lệ tối ưu (gọi là tỷ lệ lý thuyết) của không khí và nhiên liệu hút vào trong các xylanh. Để thực hiện được điều đó, nếu có sự gia tăng lượng khí nạp, lượng nhiên liệu phun vào cũng phải gia tăng tỷ lệ hoặc là nếu lượng khí nạp giảm xuống, lượng nhiên liệu phun ra cũng giảm xuống.
Hình 1.3 - Sơ đồ điều khiển phun cơ bản.
Lượng không khí cảm nhận tại cảm biến đo lưu lượng gió được chuyển hoá thành điện áp, điện áp này được gửi đến ECU như một tín hiệu.
Tín hiệu đánh lửa sơ cấp theo số vòng quay động cơ cũng được gửi đến ECU từ cuộn dây đánh lửa. ECU sau đó tính toán bao nhiêu nhiên liệu cần cho lượng khí đó và thông báo cho mỗi vòi phun bằng thời gian mở van điện. Khi van điện của vòi phun mở ra, nhiên liệu sẽ được phun vào đường ống nạp.
4.1.3.2 Điều khiển hiệu chỉnh:
Động cơ sẽ không hoạt động tốt chỉ với lượng phun cơ bản. Đó là bởi vì động cơ phải vận hành dưới nhiều chế độ và do đó nó cần có một vài thiết bị hiệu chỉnh để điều chỉnh tỷ lệ khí- nhiên liệu tuỳ theo chế độ khác nhau này. Ví dụ, khi động cơ còn lạnh dưới tải nặng, cần có hỗn hợp đậm hơn. Hệ thống EFI sẽ thay đổi tỷ lệ khí- nhiên liệu theo các chế độ hoạt động của động cơ theo cách giống như chế hoà khí thay đổi hỗn
hợp khí- nhiên liệu bằng bướm gió và hệ thống trợ tải. Có 2 phương pháp để hiệu chỉnh tỷ lệ khí- nhiên liệu. Một được coi là “hiệu chỉnh đậm”, ECU hoạt động để tăng lượng phun.
Phương pháp khác là các thiết bị phụ trợ sẽ thực hiện cùng một chức năng mà không liên quan đến ECU.
Hình 1.4 - Sơ đồ hiệu chỉnh phun.
4.1.4 Phân loại hệ thống phun xăng điện tử:
4.1.4.1 Phân loại theo vị trí lắp đặt kim phun, hệ thống phun xăng điện tử được chia làm 2 loại:
+ Loại TBI (Throttle Body Injection)- phun đơn điểm:
Hệ thống này còn có các tên gọi khác như: SPI (single point injection), CI
(central injection), Mono – Jetronic. Đây là loại phun trung tâm. Kim phun được bố trí
phía trên cánh bướm ga và nhiên liệu được phun bằng một hay hai kim phun. Nhược điểm của hệ thống này là tốc độ dịch chuyển của hòa khí tương đối thấp do nhiên liệu được phun ở vị trí xa supap hút và khả năng thất thoát trên đường ống nạp.
+ Loại MFI (Multi Point Fuel Injection) - phun đa điểm:
Đây là hệ thống phun nhiên liệu đa điểm, với mỗi kim phun cho từng xylanh được bố trí gần supap hút (cách khoảng 10 – 15 mm). Ống góp hút được thiết kế sao cho đường đi của không khí từ bướm ga đến xylanh khá dài, nhờ vậy, nhiên liệu phun ra được hòa trộn tốt với không khí nhờ xoáy lốc. Nhiên liệu cũng không còn thất thoát trên đường ống nạp. Hệ thống phun xăng đa điểm ra đời đã khắc phục được các nhược điểm cơ bản của hệ thống phun xăng đơn điểm. Tùy theo cách điều khiển kim phun, hệ thống này có thể chia làm 3 loại chính: phun độc lập hay phun từng kim (independent
injection), phun nhóm (group injection) hoặc phun đồng loạt (simultaneous injection).
Hình 1.5 - Phun xăng điện tử đa điểm (MFI) và phun xăng điện tử đơn điểm (TBI).
4.1.4.2 Theo phương pháp đo lượng khí nạp vào động cơ, hệ thống phun xăng điện
tử còn được phân thành 2 loại:
+ D-Jetronic (xuất phát từ chữ Druck trong tiếng Đức là áp suất): với lượng xăng phun được xác định bởi áp suất sau cánh bướm ga bằng cảm biến MAP (manifold absolute pressure sensor).
Hình 1.6 – Sơ đồ hệ thống D-Jectronic
+ L-Jetronic (xuất phát từ chữ Luft trong tiếng Đức là không khí): với lượng xăng phun được tính toán dựa vào lưu lượng khí nạp lấy từ cảm biến đo gió loại cánh trượt. Sau đó có các phiên bản: LH – Jetronic với cảm biến đo gió dây nhiệt, LU – Jetronic với cảm biến gió kiểu siêu âm…
Hình 1.7 – Sơ đồ hệ thống L-Jectronic
THAM KHẢO:
Tên gọi Motronic được áp dụng cho các nước châu âu. Riêng ở Nhật Bản thì ở các hãng có các tên gọi khác nhau, ví dụ hãng Toyota gọi là TCCS, hãng Nissan - ECCS, hãng Honda gọi là hệ thống PGM - FI … Các quốc gia khác thường gọi là hệ thống phun đa điểm MPI) hoặc hệ thống phun đơn điểm (TBI).
Hình 1.8 – Sơ đồ hệ thống Motronic
Hệ thống phun xăng trực tiếp GDI:
Xu hướng phát triển của các nhà sản xuất ô tô hiện nay là nghiên cứu hoàn thiện quá trình hình thành hỗn hợp cháy để đạt được sự cháy kiệt, tăng tính kinh tế nhiên liệu và giảm được hàm lượng độc hại của khí xả thải ra môi trường. Công nghệ phun nhiên liệu trực tiếp GDI (Gasoline Direct Injection) là một giải pháp.
Hình 1.9 – Phun xăng trực tiếp GDI
Vào năm 1996 hãng Mitsubishi lần đầu tiên giới thiệu kiểu phun xăng trực tiếp vào buồng cháy GDI trên dòng xe Galant Legnum, và là một bước tiến kỳ diệu trong
việc nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu. Với công nghệ GDI, khi động cơ hoạt động ở chế độ tải trọng nhỏ hỗn hợp xăng và không khí được hòa trộn ở trạng thái loãng tới mức khó tưởng tượng, còn khi ở chế độ tải trọng trung bình và lớn thì xăng được phun vào buồng cháy làm hai lần: lần phun đầu tiên gọi là lần phun mồi được phun ở đầu quá trình nạp, còn lần phun chính được thực hiện ở cuối quá trình nén.
Theo các chuyên gia đánh giá, loại động cơ GDI giúp tiết kiệm được 15% nhiên liệu so với động cơ phun xăng điện tử EFI thông thường. Tuy vậy, động cơ GDI cũng phải giải quyết một số vấn đề nan giải: do nhiệt độ quá trình cháy tăng nhanh nên hàm lượng ôxit nitơ trong khí xả khá lớn, do đó phải sử dụng bộ xử lý khí xả (Catalyser) nhiều thành phần để tách NO2 thành khí nitơ và ôxi để giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường.
Hệ thống nhiên liệu GDI có nhiều ưu điểm hơn hệ thống EFI, nhưng để có thể trang bị hệ thống GDI, vật liệu sử dụng làm piston và xilanh phải có độ bền cao, do nhiệt sinh ra trong quá trình cháy cao hơn rất nhiều, ngoài ra việc chế tạo vòi phun cũng phức tạp hơn. Do vậy chi phí cho hệ thống nhiên liệu GDI cao hơn nhiều so với EFI. Có lẽ đây là một lý do quan trọng khiến hệ thống GDI không phổ biến như EFI.
4.1.5 So sánh động cơ phun xăng với động cơ dùng bộ chế hòa khí:
4.1.5.1 Phương pháp tạo hỗn hợp:
Động cơ sử dụng bộ chế hoà khí, ở tốc độ chậm người ta lợi dụng độ chân không lớn ở sau cánh bướm ga để hút nhiên liệu đi ra khỏi bộ chế hòa khí từ lỗ cầm chừng và lỗ chạy chậm. Còn ở chế độ một phần tải và tải lớn, người ta lợi dụng tốc độ dòng khí đi qua họng bộ chế hòa khí để hút nhiên liệu ra khỏi mạch chính.
Ở hệ thống phun xăng điện tử, lượng không khí nạp vào động cơ di chuyển độc lập với hệ thống nhiên liệu. Lượng không khí trước khi nạp vào động cơ được kiểm tra bởi bộ đo lưu lượng không khí, tín hiệu này được ECU tiếp nhận và ECU sẽ điều khiển thời gian mở kim phun phù hợp với lượng không khí nạp và số vòng quay của động cơ.
4.1.5.2 Khi khởi động:
Khi khởi động lạnh, ở động cơ bộ chế hoà khí người ta sử dụng cơ cấu điều khiển bướm gió. Khi động cơ lạnh bướm gió đóng hòan toàn, lượng nhiên liệu được cung cấp từ mạch chạy chậm và mạch chính để làm giàu hỗn hợp. Sau khởi động, cơ cấu điều khiển bướm gió mở một phần sẽ điều khiển bướm gió hé mở.
Ở động cơ phun xăng, lượng nhiên liệu phun khi khởi động được căn cứ vào tín hiệu khởi động từ contact máy (ST), cảm biến nhiệt độ động cơ, cảm biến nhiệt độ
không khí nạp và điện áp của ắc quy. Ngoài ra ở một số động cơ người ta còn dùng kim phun khởi động để cung cấp thêm nhiên liệu cho động cơ.
Sau khởi động sự làm giàu hỗn hợp được căn cứ vào cảm biến nhiệt độ nước làm mát, ECU dùng tín hiệu này để làm giàu hỗn hợp.
4.1.5.3 Khi tăng tốc: