Hệ thống cung cấp nhiên liệu của động cơ phun xăng trực tiếp GDI  [13/04/2010]

Hệ thống nhiên liệu của động cơ GDI về cơ bản bao gồm: bơm tạo áp suất phun, hệ thống phân phối và ổn định áp suất (common rail), kim phun, hệ thống điều khiển phun, và các thiết bị phụ khác như: thùng nhiên liệu, lọc, bơm chuyển tiếp, van an toàn, … 

 

Hình 1 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu của một loại động cơ GDI.Ở động cơ GDI, nhiên liệu được đưa trực tiếp vào buồng đốt ở kỳ nạp hoặc kỳ nén. Để đưa được nhiên liệu vào buồng đốt động cơ trong kỳ nén, hệ thống nhiên liệu phải đáp ứng được yêu cầu áp suất phun nhiên liệu của kim phun phải lớn hơn áp suất trong buồng đốt ở kỳ nén, đồng thời để nhiên liệu được phun tơi hòa trộn tốt với không khí trong buồng đốt thì áp suất phun đòi hỏi phải lớn hơn áp suất không khí trong buồng đốt ở kỳ nén rất nhiều (tỷ lệ này sẽ được xét phần sau). Việc tạo hỗn hợp trong buồng đốt động cơ GDI liên quan

trực tiếp đến quá trình cung cấp nhiên liệu. Nếu việc cung cấp nhiên liệu không đạt yêu cầu sẽ dẫn tới quá trình tạo hỗn hợp không tốt và quá trình cháy sẽ không phát huy hết công suất của động cơ, nhiên liệu không được đốt cháy hoàn toàn sẽ gây ra tiêu hao nhiên liệu và ô nhiễm môi trường. Dựa trên cở sở điều khiển cung cấp nhiên liệu ở động cơ PFI, hệ thống cung cấp nhiên liệu DISC (direct – injection stratified – charge) của động cơ Diesel, hệ thống TCCS (Texeco controlled combustion system) dùng cho động cơ Diesel, hệ thống PROCO (Ford programmed combustion control system), … các nhà nghiên cứu đã cho ra đời hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ GDI. Những năm gần đây, nhờ sự phát triển của điện tử, máy tính, … hệ thống cung cấp nhiên liệu của động cơ GDI ngày càng hoàn thiện hơn. Sau đây chúng ta sẽ xét những yêu cầu, cấu tạo, hoạt động của hệ thống nhiên liệu động cơ GDI. Yêu cầu của hệ thống nhiên liệu:Yêu cầu của hệ thống nhiên liệu là phải cung cấp nhiên liệu với lượng chính xác, khi nhiên liệu phun vào buồng đốt phải được bốc hơi nhanh chống, và hoà trộn đều khắp buồng đốt. Hệ thống buồng đốt của động cơ GDI được thiết kế có các vách dẫn hướng để nhiên liệu khi phun vào sẽ được dẫn hướng va chạm vào lớp không khí và được bốc ra từng lớp tạo điều kiện thuận lợi cho việc bốc hơi và hoà trộn tạo hỗn hợp đồng nhất. Hệ thống nhiên liệu còn phải đáp ứng được điều kiện tạo hỗn hợp phân lớp khi động cơ hoạt động chế độ tải nhỏ. Yêu cầu của áp suất phun:Để kim phun có thể phun vào buồng đốt vào kỳ nén thì áp suất nhiên liệu phải từ 4.0 MPa – 13.0 MPa (tuỳ từng loại động cơ). Các kim phun được bố trí chung hệ thống common rail (hình  2), hệ thống này phải đảm bảo được việc tạo áp suất như yêu cầu vừa nêu và ổn định trong lúc kim hoạt động (vì trong quá trình phun có thể làm sụt áp suất trên đường ống sẽ ảnh hưởng đến chất lượng quá trình phun nhiên liệu). Đối với dòng nhiên liệu được phun vào buồng đốt nếu áp suất thấp nhiên liệu sẽ bốc hơi và hoà trộn không tốt, tuy nhiên nếu phun với áp suất quá cao dòng nhiên nhiêu sẽ xuyên qua khối khí có thể va chạm vào thành của buồng đốt cũng không tốt cho việc bốc hơi. 

Hình 2 Sơ đồ hệ thống bơm, bộ phân phối.Yêu cầu của kim phun:

Kim phun nhiên liệu của động cơ GDI được bố trí trực tiếp trong buồng đốt. Kim phun là một nhân tố cấu thành buồng đốt của động cơ GDI: một mặt, nó quyết định khoảng không gian thời gian và vị trí của dòng nhiên liệu cung cấp cho buồng đốt. Mặt khác, nó quyết định lượng nhiên liệu cấp vào buồng đốt để tạo ra tỷ lệ hỗn hợp chính xác và tạo ra vùng hỗn hợp đậm dễ cháy xung quanh bougie tại thời điểm đánh lửa.So với kim phun nhiên liệu ở động cơ PFI, thì yêu cầu đối với kim phun động cơ GDI đòi hỏi cao hơn nhiều. Trong thời gian ngắn từ 0.9 đến 6.0 ms phải đưa được lượng nhiên liệu từ 5 đến 60 mg vào buồng đốt và phải đạt được những yêu cầu trên. Mặt khác, vì kim phun được bố trí trực tiếp trong buồng đốt nên nó phải đáp ứng được các yêu cầu tương tự như kim phun của động cơ Diesel (loại buồng đốt thống nhất). Các loại kim phun:

Về cơ bản, thì kim phun hiện nay của loại động cơ GDI không thay đổi nhiều. Các nhà sản suất chủ yếu phát triển về việc độ tán nhỏ tia nhiên liệu khi phun. Bằng thực nghiệm, người ta chứng minh được góc độ phun tốt nhất của chùm tia phun từ 300 – 900.

Để điều khiển kim phun, người ta dùng thay đổi điện áp hoặc thay đổi cường độ dòng điện cấp cho cuộn solenoid. Tuy nhiên, ở kim phun động cơ GDI sử dụng phương pháp điều khiển điện áp (về ưu nhược điểm của các phương pháp điều khiển này được đánh giá ở động cơ PFI). Để kim phun nhấc lên và nhiên liệu được phun vào đòi hỏi phải có thời gian từ lúc cấp điện đến khi ty kim nhấc lên và khi ty kim đóng cũng cần có thời gian để đóng lại hoàn toàn (thời gian này gọi là thời gian chết). Trong 1 chu trình hoạt động của động cơ thời gian để kim phun cấp nhiên liệu vào động cơ là rất ngắn (từ 0.9 – 6.0 ms nhất là khi động cơ hoạt động tốc độ cao) vì vậy, thời gian chết của kim phun cần phải được tính toán chính xác và cần thiết kế kim phun sao cho dòng điện cảm ứng do cuộn solenoid gây ra là nhỏ nhất. Đồng thời trong quá trình nhấc kim dòng nhiên liệu phun vào động cơ có thể làm thay đổi áp suất trên đường ống (common rail) và trong quá trình đóng kim đột ngột cũng làm dao động áp suất trong đường ống. + Kim phun một lỗ phun: 

Với áp suất phun từ 7.0 đến 10MPa, đường kính lỗ phun từ 14mm đến 23 mm, tia phun được phun ra dạng hình nón (góc đỉnh từ 250 đến 1500), dòng nhiên liệu phun vào buồng đốt cuộn xoáy. Trong quá trình ty kim nhấc lên mở lỗ phun nhưng không mở hoàn toàn mà chỉ từ 10 – 90 % đường kính của lỗ phun (DV90 – DV10). 

Hình 3 Sơ đồ kết cấu kim phun một lỗ.+ Kim phun nhiều lỗ phun: 

Ap suất phun từ 9.5 – 12.0 MPa, số lỗ từ 4 – 10 lỗ, góc phun từ 300 - 900. So với loại kim một lỗ loại này có ưu điểm khi nhiên liệu phun vào được tạo ra từ nhiều lỗ sẽ thuận lợi cho việc bốc hơi và hoà trộn. Tuy nhiên, với số lỗ nhiều thì đường kính các lỗ nhỏ hơn 1 lỗ nên dễ bị nghẹt (do đặt trực tiếp trong buồng cháy).

Hình 4 Sơ đồ góc phun của kim phun nhiều lỗ.

+ Kim phun có sự trợ giúp của dòng không khí (PPAA: Pulse – Pressurized, Air – Assisted):

Dòng nhiên liệu đưa vào buồng đốt được sự trợ giúp của dòng không khí áp suất cao, đối loại kim này áp suất nhiên liệu trên đường ống common rail từ 0.07 – 0.35 MPa có thể tạo ra bằng bơm nhiên liệu thông thường như ở động cơ PFI, dòng không khí áp suất cao được tạo ra từ một bơm nén không khí khác. Ty kim được điều khiển bằng cuộn solenoid (có thể 1 hoặc 2 cuộn). Hình dạng và sơ đồ kết cấu kim phun PPAA như hình  5.

Hình 5 Hình dạng và kết cấu kim phun PPAA.

Cơ sở khoa học của động cơ phun xăng trực tiếp  [14/03/2010]

Sự tăng giá đột biến của xăng dầu, và tiêu chuẩn về khí thải của động cơ ôtô ngày càng khắc khe buộc các nhà khoa học trên thế giới không ngừng nghiên cứu tìm ra biện pháp nhằm tiết kiệm nhiên liệu kèm theo giảm khí thải ở động cơ đốt trong. 

Nhiều giảm pháp được đưa ra, một trong những giải pháp được xem là thành công nhất hiện nay (áp dụng cho động cơ sử dụng nhiên liệu xăng) đó là cho ra đời động cơ GDI (hỗn hợp được tạo bên trong buồng đốt của động cơ, với sự nạp và cháy phân lớp).So sánh giữa động cơ sử dụng nhiên liệu xăng (tạo hỗn hợp bên ngoài) và động cơ sử dụng nhiên liệu Diesel (tạo hỗn hợp bên trong buồng đốt) ta thấy rằng: cùng một công suất phát ra nhưng suất tiêu hao nhiên liệu ở động cơ Diesel thấp hơn đối với động cơ xăng. Một phần là do đặc tính của nhiên liệu khác nhau, nhưng cái chính ở đây là quá trình tạo hỗn hợp và đốt cháy hỗn hợp của 2 loại động cơ này rất khác biệt nhau. Tuy nhiên, chúng ta chưa thể ứng dụng động cơ Diesel cho xe du lịch được là vì động cơ này có một số nhược điểm: tiếng ồn ở động cơ này cao so với động cơ xăng, khả năng tăng tốc của động cơ này thấp hơn động cơ xăng, và đặc biệt là khí thải ở động cơ này cao hơn đối với động cơ xăng.Gần ba thập kỷ nay, người ta luôn tìm cách kết hợp những ưu điểm của động cơ xăng và Diesel để có thể cho ra đời một loại động cơ mới có thể đáp ứng được các nhu cầu về khí thải, suất tiêu hao nhiên liệu, khả năng tăng tốc, tiếng ồn, … như đã nêu trên. Khi xem xét quá trình tạo hỗn hợp và đốt cháy hỗn hợp ở động cơ Diesel ta nhận thấy có các ưu điểm: hỗn hợp được tạo bên trong buồng đốt, cũng nhờ vào sự tạo hỗn hợp này mà động cơ Diesel có thể hoạt động khi hệ số dư lượng không khí  từ 1.4 – 1.8 (cũng là nguyên nhân nồng độ NOx ở khí thải của động cơ Diesel cao hơn của động cơ xăng). Do đặc tính của hai nhiên liệu khác nhau nên quá trình hình thành tâm cháy cũng khác nhau, vì vậy động cơ xăng PFI không thể hoạt động với tỷ lệ  như trên. Cần phải có một phương pháp tạo hỗn hợp khác với phương pháp PFI, đó là vấn đề đặt ra.

Hình 1 Hệ thống buồng đốtMAN – FM

Dựa trên cơ sở của các kiểu buồng cháy MAN – FM (Maschinenfabrik Auguburg – Nurnberg), PROCO (Ford programmed combustion control), hệ thống điều khiển TCCS (Texaco Controlled Combustion System) các nhà nghiên cứu cho ra đời kiểu buồng cháy phun nhiên liệu trực tiếp & phân lớp đầu tiên (DISC: direct – injection, stratified – charge). Với kiểu buồng cháy này, động cơ có thể hoạt động được khi tỷ lệ air/fuel vào khoảng 20:1. Đây quả là một bước tiến nhảy vọt cho động cơ xăng, và là tiền đề cho các thế hệ sau của động cơ GDI.

Nhờ vào sự phát triển của điện tử, tin học cách đây hơn hai thập kỷ thế hệ động cơ xăng PFI ra đời đã thay thế động cơ xăng sử dụng carburattor, và ưu điểm vượt trội của loại động cơ xăng PFI mà chúng ta đã biết.

Cũng gần đây, sự xuất hiện của động cơ GDI cũng đã dần dần thay thế động cơ PFI. Về ưu nhược điểm của động cơ GDI so với động cơ PFI (hình 2) được khái quát như sau:

-Nhờ vào khả năng tạo hỗn hợp bên trong buồng đốt nên ở động cơ GDI có thể kiểm soát được chính xác lượng nhiên liệu đưa vào buồng đốt trong mỗi chu trình hoạt động của động cơ, khắc phục được nhược điểm phun trên ống nạp nhiên liệu bị bám vào thành ống.

-Cũng nhờ vào việc phun nhiên liệu trực tiếp và kết cấu của buồng đốt nên động cơ GDI có thể hoạt động với tỷ lệ air/fuel rất loãng đảm bảo cho động cơ cháy sạch, tiết kiệm nhiên liệu tối đa, giảm nồng độ khí thải ô nhiễm (nhờ phát huy được tác dụng bộ xúc tác dual – catalyst).

-Tỷ số nén của động cơ GDI được nâng cao hơn so với động cơ PFI nên công suất của động cơ GDI lớn hơn 10% so với động cơ PFI cùng dung tích cylindre.

-Kết cấu của hệ thống tăng áp cho động cơ GDI thiết kế được hoàn thiện hơn do động cơ có thể hoạt động với hỗn hợp cực nghèo.

-Tuy nhiên, do nhiên liệu được phun vào buồng đốt nên đòi áp suất phun phải lớn hơn rất nhiều so với kiểu phun PFI, kết cấu kim phun phải đáp ứng được điều kiện khắc nghiệt của buồng cháy, hệ thống điều khiển phun nhiên liệu phức tạp hơn nhiều do hỗn hợp tạo ra phức tạp hơn ở động cơ PFI, kết cấu buồng đốt cũng phức tạp hơn do phải bảo đảm được điều kiện hỗn hợp có thể cháy được trong điều kiện cực nghèo…

Hình 2 Kết cấu buồng đốt PFI và GDICó thể nói, trong ngành công nghiệp xe hơi, động cơ xăng là loại được ứng dụng nhiều nhất. Sau đây là một vài loại động cơ xăng đã và đang có mặt trong rất nhiều loại xe trên toàn thế giới.1. Động cơ xăng lean burn

1. Động cơ xăng lean burn.Về cơ bản, loại động cơ chạy bằng hỗn hợp khí - nhiên liệu nghèo thì gọi là động cơ lean burn. Đi tiên phong trong công nghệ này phải kể đến các nhà sản xuất xe hơi Nhật Bản, dẫn đầu là Toyota.

Nhìn bề ngoài, hỗn hợp khí - nhiên liệu càng nghèo thì động cơ càng tiết kiệm xăng. Tuy nhiên, có hai lý do không cho phép động cơ thông thường chạy bằng hỗn hợp khí - nhiên liệu nghèo, đó là nếu hỗn hợp quá nghèo, động cơ sẽ không đốt cháy được, và theo lẽ tự nhiên, sự tập trung nhiên liệu nghèo sẽ dẫn đến công suất thấp.

Động cơ lean burn tránh những vấn đề kể trên bằng cách ứng dụng quá trình pha trộn hiệu quả cao. Chúng sử dụng loại pittong có hình dáng đặc biệt với ống góp được đặt và tạo góc phù hợp, luồng không khí đi vào sẽ tạo ra gió xoáy bên trong buồng đốt. Gió xoáy giúp hoàn thiện quá trình pha trộn nhiên liệu và không khí, từ đó giảm đáng kể các hạt nhiên liệu khó hòa lẫn và không cháy được trong động cơ thông thường. Nhờ vậy, quá trình đốt cháy sẽ được hoàn thiện, không chỉ giảm các chất gây ô nhiễm mà còn hạ tỷ số nhiên liệu/không khí từ 1:14 đến 1:25 nhưng vẫn giữ nguyên công suất.

Hiện nay, công nghệ lean burn được ứng dụng vào động cơ phun trực tiếp (DI). Về bản chất, DI vẫn là loại động cơ cũ được trang bị thêm thiết bị bơm nhiên liệu trực tiếp. Các hãng xe hơi Nhật Bản như Toyota, Mitsubishi và Nissan đều tập trung vào việc phát triển công loại động cơ DI này.

2. Động cơ phun xăng trực tiếp - Mitsubishi GDI

Điểm khác biệt duy nhất giữa động cơ GDI của Mitsubishi với động cơ lean burn là sự xuất hiện của hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp. 

Mitsubishi hiện tại đang dẫn đầu về công nghệ GDI (phun xăng trực tiếp). Hãng này đã ứng dụng công nghệ GDI vào nhiều loại động cơ khác nhau, từ V8 1,5 lit tới 4,5 lit. Phần lớn các động cơ sản xuất hàng loạt của Mitsubishi đều được trang bị công nghệ GDI.

Mitsubishi cam đoan rằng động cơ GDI tiết kiệm được từ 20-35% lượng nhiên liệu tiêu thụ, giảm 20% khí thải và cho công suất lớn hơn 10% so với loại thông thường. Vậy bí quyết của loại động cơ này là gì? Đoạn thông tin dưới đây sẽ tiết lộ cho bạn biết bí mật bên trong động cơ GDI.

Nguyên lý của động cơ GDI

Công nghệ phun xăng trực tiếp là một nhánh của công nghệ lean burn. Điểm khác biệt so với động cơ lean burn là sự xuất hiện của hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp.

Hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp đã được ứng dụng trong máy dầu từ nhiều năm nay nhưng gần đây mới xuất hiện trong động cơ xăng. Hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp có hai ưu điểm như sau:

- Do nhiên liệu được bơm trực tiếp dưới áp suất cao vào trong buồng đốt ngay trước thời điểm đánh lửa của bugi nên việc điều khiển phân tầng tải trọng cần thiết để đốt cháy hỗn hợp khí - nhiên liệu "siêu nghèo" trở nên chính xác hơn.

- Hệ thống bơm phun nhiên liệu trực tiếp còn điều phối nhu cầu sử dụng van tiết liệu, từ đó loại bỏ những tổn thất trong quá trình bơm liên quan đến việc rút không khí trong van bướm của động cơ thông thường.

Trái ngược với loại thông thường, động cơ phun nhiên liệu trực tiếp có thể phân phối nhiên liệu một cách đồng đều khắp mọi nơi.

Trong thiết kế động cơ thường, phun nhiên liệu và thậm chí cả MPi (bơm đa điểm), phần nhiên liệu được bơm sẽ phân tán trong cổng nạp khí (gần van nạp) trước khi đi vào buồng đốt. Lý do không bơm trực tiếp vào xi-lanh là vì thật khó để có thể phân bổ nhiên liệu một cách đồng đều khắp mọi nơi. Trái lại, nếu bơm vào cổng nạp khí sẽ đảm bảo sự đồng nhất trong tỷ số nhiên liệu/không khí.

Không giống như động cơ thông thường, GDI sử dụng cổng nạp khí thẳng đứng đi kèm với bề mặt pittong cắt lõm để tạo ra dòng không khí xoáy trong suốt kỳ nén. Khi nhiên liệu phun

trực tiếp vào trong buồng đốt, gió xoáy sẽ giúp không khí hòa lẫn với nhiên liệu.

Vòi phun nhiên liệu là một tính năng mới. Nó có chức năng bơm nhiên liệu dưới áp suất cao, phun thành bụi mịn và phân bổ đồng đều hơn.

Quá trình bơm nhiên liệu được chia thành hai pha. Trong kỳ nạp, một lượng nhiên liệu được bơm trước vào trong buồng đốt, làm mát khí nạp từ đó tăng công suất riêng và đảm bảo tỷ số nhiên liệu/không khí đồng đều mọi nơi.

Quá trình bơm chính diễn ra khi pittong chạm đến điểm chết trên trong kỳ nén ngay trước quá trình đốt cháy. Pittong cắt lõm tập trung nhiều nhiên liệu hơn xung quanh bugi và cho phép quá trình đốt cháy diễn ra thành công mà không bị tắt ngay cả khi hỗn hợp khí - nhiên liệu cực nghèo. Điều này giải thích tại sao GDI có thể hoạt động với tỷ số nhiên liệu/không khí dừng ở mức 1:40 trong điều kiện tải non, tức là nghèo hơn cả động cơ lean burn và tạo ra được quá trình cháy hoàn thiện hơn.

Công suất cao hơn

Động cơ GDI của Mitsubishi sở hữu tỷ số nén 12 1 cực cao, có thể nói là kỷ lục trong dòng động cơ sản xuất hàng loạt. Đó là nguyên do vì sao công suất của GDI bao giờ cũng cao hơn.

Bí quyết tránh hiện tượng nổ dưới áp suất cao của GDI nằm ở quá trình bơm một ít nhiên liệu vào buồng đốt trước. Trong suốt kỳ nén, không khí nóng sẽ được giảm nhiệt nhờ bụi nhiên liệu, vì vậy hiện tượng nổ sẽ khó xảy ra hơn.

Phát thải NOx

Một trong những nhược điểm của động cơ GDI là phát thải lượng NOx gây ô nhiễm nhiều hơn. Thật may mắn, hiện nay đã xuất hiện bộ chuyển đổi xúc tác hoàn toàn mới giúp GDI giải quyết vấn đề đó. Dẫu sao, Mỹ và nhiều nước đang phát triển khác sẽ không được lợi từ loại thiết bị này vì loại xăng chứa hàm lượng sunphua cao sẽ phá hủy chất xúc tác.

Trang chủTin tức - sự kiệnBảng giá xe hơiThế giới xe hơiTrao đổi - tư vấnVăn bản pháp luậtGiúp bạn đi đườngBảo dưỡng, sửa chữaKỹ thuật, công nghệTư vấn & hỏi đápTản mạnXe đua công thức F1Địa chỉ thuê xeDanh bạ hãng taxiÔtô cườiDiễn đàn xe hơiLiên hệ tòa soạnLiên hệ quảng cáoBỘ SƯU TẬP SIÊU XE Xe hơiTrao đổi - tư vấnKỹ thuật, công nghệChia sẻ EmailTổng quan về các loại động cơ xăngCập nhật: 20/10/2009 | 8:56:16 AMCó thể nói, trong ngành công nghiệp xe hơi, động cơ xăng là loại được ứng dụng nhiều nhất. Sau đây là một vài loại động cơ xăng đã và đang có mặt trong rất nhiều loại xe trên toàn thế giới.1. Động cơ xăng lean burn.

Loại động cơ chạy bằng hợp khí – nhiên liệu nghèo được gọi là động cơ lean burn. 

Về cơ bản, loại động cơ chạy bằng hỗn hợp khí - nhiên liệu nghèo thì gọi là động cơ lean burn. Đi tiên phong trong công nghệ này phải kể đến các nhà sản xuất xe hơi Nhật Bản, dẫn đầu là Toyota.

Nhìn bề ngoài, hỗn hợp khí - nhiên liệu càng nghèo thì động cơ càng tiết kiệm xăng. Tuy nhiên, có hai lý do không cho phép động cơ thông thường chạy bằng hỗn hợp khí - nhiên liệu nghèo, đó là nếu hỗn hợp quá nghèo, động cơ sẽ không đốt cháy được, và theo lẽ tự nhiên, sự tập trung nhiên liệu nghèo sẽ dẫn đến công suất thấp.

Động cơ lean burn tránh những vấn đề kể trên bằng cách ứng dụng quá trình pha trộn hiệu quả cao. Chúng sử dụng loại pittong có hình dáng đặc biệt với ống góp được đặt và tạo góc phù hợp, luồng không khí đi vào sẽ tạo ra gió xoáy bên trong buồng đốt. Gió xoáy giúp hoàn thiện quá trình pha trộn nhiên liệu và không khí, từ đó giảm đáng kể các hạt nhiên liệu khó hòa lẫn và không cháy được trong động cơ thông thường. Nhờ vậy, quá trình đốt cháy sẽ được hoàn thiện, không chỉ giảm các chất gây ô nhiễm mà còn hạ tỷ số nhiên liệu/không khí từ 1:14 đến 1:25 nhưng vẫn giữ nguyên công suất.

Hiện nay, công nghệ lean burn được ứng dụng vào động cơ phun trực tiếp (DI). Về bản chất, DI vẫn là loại động cơ cũ được trang bị thêm thiết bị bơm nhiên liệu trực tiếp. Các hãng xe hơi Nhật Bản như Toyota, Mitsubishi và Nissan đều tập trung vào việc phát triển công loại động cơ DI này.

2. Động cơ phun xăng trực tiếp - Mitsubishi GDI

Điểm khác biệt duy nhất giữa động cơ GDI của Mitsubishi với động cơ lean burn là sự xuất hiện của hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp. 

Mitsubishi hiện tại đang dẫn đầu về công nghệ GDI (phun xăng trực tiếp). Hãng này đã ứng dụng công nghệ GDI vào nhiều loại động cơ khác nhau, từ V8 1,5 lit tới 4,5 lit. Phần lớn các động cơ sản xuất hàng loạt của Mitsubishi đều được trang bị công nghệ GDI.

Mitsubishi cam đoan rằng động cơ GDI tiết kiệm được từ 20-35% lượng nhiên liệu tiêu thụ, giảm 20% khí thải và cho công suất lớn hơn 10% so với loại thông thường. Vậy bí quyết của loại động cơ này là gì? Đoạn thông tin dưới đây sẽ tiết lộ cho bạn biết bí mật bên trong động cơ GDI.

Nguyên lý của động cơ GDI

Công nghệ phun xăng trực tiếp là một nhánh của công nghệ lean burn. Điểm khác biệt so với động cơ lean burn là sự xuất hiện của hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp.

Hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp đã được ứng dụng trong máy dầu từ nhiều năm nay nhưng gần đây mới xuất hiện trong động cơ xăng. Hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp có hai ưu điểm như sau:

- Do nhiên liệu được bơm trực tiếp dưới áp suất cao vào trong buồng đốt ngay trước thời điểm đánh lửa của bugi nên việc điều khiển phân tầng tải trọng cần thiết để đốt cháy hỗn hợp khí - nhiên liệu "siêu nghèo" trở nên chính xác hơn.

- Hệ thống bơm phun nhiên liệu trực tiếp còn điều phối nhu cầu sử dụng van tiết liệu, từ đó loại bỏ những tổn thất trong quá trình bơm liên quan đến việc rút không khí trong van bướm của động cơ thông thường.

Trái ngược với loại thông thường, động cơ phun nhiên liệu trực tiếp có thể phân phối nhiên liệu một cách đồng đều khắp mọi nơi.

Trong thiết kế động cơ thường, phun nhiên liệu và thậm chí cả MPi (bơm đa điểm), phần nhiên liệu được bơm sẽ phân tán trong cổng nạp khí (gần van nạp) trước khi đi vào buồng đốt. Lý do không bơm trực tiếp vào xi-lanh là vì thật khó để có thể phân bổ nhiên liệu một cách đồng đều khắp mọi nơi. Trái lại, nếu bơm vào cổng nạp khí sẽ đảm bảo sự đồng nhất trong tỷ số nhiên liệu/không khí.

Không giống như động cơ thông thường, GDI sử dụng cổng nạp khí thẳng đứng đi kèm với bề mặt pittong cắt lõm để tạo ra dòng không khí xoáy trong suốt kỳ nén. Khi nhiên liệu phun trực tiếp vào trong buồng đốt, gió xoáy sẽ giúp không khí hòa lẫn với nhiên liệu.

Vòi phun nhiên liệu là một tính năng mới. Nó có chức năng bơm nhiên liệu dưới áp suất cao, phun thành bụi mịn và phân bổ đồng đều hơn.

Quá trình bơm nhiên liệu được chia thành hai pha. Trong kỳ nạp, một lượng nhiên liệu được bơm trước vào trong buồng đốt, làm mát khí nạp từ đó tăng công suất riêng và đảm bảo tỷ số nhiên liệu/không khí đồng đều mọi nơi.

Quá trình bơm chính diễn ra khi pittong chạm đến điểm chết trên trong kỳ nén ngay trước quá trình đốt cháy. Pittong cắt lõm tập trung nhiều nhiên liệu hơn xung quanh bugi và cho phép quá trình đốt cháy diễn ra thành công mà không bị tắt ngay cả khi hỗn hợp khí - nhiên liệu cực nghèo. Điều này giải thích tại sao GDI có thể hoạt động với tỷ số nhiên liệu/không khí dừng ở mức 1:40 trong điều kiện tải non, tức là nghèo hơn cả động cơ lean burn và tạo ra được quá trình cháy hoàn thiện hơn.

Công suất cao hơn

Động cơ GDI của Mitsubishi sở hữu tỷ số nén 12 1 cực cao, có thể nói là kỷ lục trong dòng động cơ sản xuất hàng loạt. Đó là nguyên do vì sao công suất của GDI bao giờ cũng cao hơn.

Bí quyết tránh hiện tượng nổ dưới áp suất cao của GDI nằm ở quá trình bơm một ít nhiên liệu vào buồng đốt trước. Trong suốt kỳ nén, không khí nóng sẽ được giảm nhiệt nhờ bụi nhiên liệu, vì vậy hiện tượng nổ sẽ khó xảy ra hơn.

Phát thải NOx

Một trong những nhược điểm của động cơ GDI là phát thải lượng NOx gây ô nhiễm nhiều hơn. Thật may mắn, hiện nay đã xuất hiện bộ chuyển đổi xúc tác hoàn toàn mới giúp GDI giải quyết vấn đề đó. Dẫu sao, Mỹ và nhiều nước đang phát triển khác sẽ không được lợi từ loại thiết bị này vì loại xăng chứa hàm lượng sunphua cao sẽ phá hủy chất xúc tác.

Trong kỳ nạp, một lượng nhiên liệu được bơm trước vào trong buồng đốt, làm mát khí vào từ đó tăng công suất riêng và đảm bảo tỷ số nhiên liệu/không khí đồng đều mọi nơi. 

3. Động cơ phun xăng trực tiếp - Renault IDE

Theo kết quả thử nghiệm do một tạp chí tại Mỹ đưa ra, mẫu xe Mitsubishi Carisma GDI không tiết kiệm nhiên liệu bằng các “đối thủ” sử dụng động cơ thông thường - hoàn toàn trái ngược so với những lời quảng cáo của hãng này. Thực tế này chưa được giải thích hợp lý cho tới gần đây khi hãng Renault tung ra thiết kế động cơ phun xăng trực tiếp của riêng họ. Tập tài liệu phát trong cuộc họp báo của Renault có ám chỉ rằng “một loại động cơ đến từ Nhật Bản” phải chịu hậu quả nặng nề do nhiên liệu tại châu Âu chứa hàm lượng sunphua 150ppm cao hơn so với 10-15ppm tại Nhật Bản. Động cơ GDI cần một loại chất xúc tác đặc biệt để làm sạch lượng NOx sinh ra trong quá trình đốt cháy “siêu nghèo”. Tuy nhiên, nhiên liệu chứa hàm lượng sunphua cao có thể “vấy bẩn” và vô hiệu hóa mãi mãi chất xúc tác.

Do đó, Carisma GDI phiên bản châu Âu tiêu tốn lượng hỗn hợp khí - nhiên liệu nhiều hơn “người chị em” tại Nhật Bản để giảm thiểu lượng NOx. Nếu GDI Nhật đạt tỷ số nhiên liệu/không khí là 1:40 khi tải non thì con số này của GDI châu Âu chỉ dừng ở mức 1:20 so với 1:14 của động cơ thông thường. Điều này đã làm giảm đáng kể mức độ tiết kiệm nhiên liệu của GDI.

Một vấn đề khác nảy sinh do sự khác biệt trong phương pháp kiểm nghiệm của Nhật Bản và châu Âu. Bộ Giao thông Nhật Bản tiến hành thử nghiệm trên một lộ trình và điều kiện tải non vốn phù hợp với đặc điểm của GDI (khi tải non GDI chạy với tỷ số 1:40 ở chế độ nghèo và 1:14,5 ở chế độ thường). Trong khi đó, cuộc thử nghiệm kết hợp chu trình của châu Âu lại yêu cầu tải nặng, tốc độ cao dẫn đến chỉ số mpg thấp hơn hẳn so với kết quả do Nhật Bản đưa ra.

Thay vì sử dụng hỗn hợp khí – nhiên liệu “siêu nghèo” như Mitsubishi, hãng Renault chọn phương thức tái tuần hoàn khí xả EGR siêu cao. 

Renault là hãng đầu tiên tung ra loại động cơ phun xăng trực tiếp của châu Âu. Nó tránh được những vấn đề còn tồn tại trong động cơ của Mitsubishi với nguyên lý hoạt động khác biệt.

Thay vì sử dụng hỗn hợp khí - nhiên liệu “siêu nghèo”, hãng Renault chọn phương thức tái tuần hoàn khí xả EGR siêu cao. EGR có khả năng giảm thiểu lượng nhiên liệu tiêu thụ bằng cách cắt giảm tổn thất trong quá trình bơm cũng như hạ thấp công suất động cơ khi tải non hoặc tải bộ phận. Với trọng lượng tải nhẹ nhất, động cơ IDE của Renault tăng EGR lên 25% so với 10-15% ở động cơ thường.

Nếu thiếu hệ thống phun trực tiếp hoạt động cực chính xác, các động cơ thông thường sẽ phân tán nhiên liệu vào cổng hút cũng như buồng đốt không đồng đều và không thể dồn nhiên liệu tới bugi.

Tùy thuộc vào tải động cơ, IDE sẽ chạy với một trong 3 tỷ số EGR xác định. Trong đó, chế độ đầy tải không tái tuần hoàn khí xả cho nhu cầu công suất tối đa. Do vậy, cũng giống như GDI, chạy xe ở chế độ này không bao giờ tiết kiệm được nhiên liệu. Tuy nhiên, theo phương thức kiểm nghiệm của châu Âu, động cơ IDE do hãng Renault sản xuất có thể tiết kiệm 16% lượng nhiên liệu tiêu thụ.

Một điểm đáng chú ý khác là cải thiện mô men xoắn. Động cơ 1.988 cc có thể tạo ra công suất 140 mã lực và mô men xoắn 148 lb-ft. Nếu đem so sánh, loại động cơ không phun xăng trực tiếp nhưng được trang bị hệ thống supercharger cho công suất 140 mã lực trong khi mô men xoắn chỉ dừng ở 139 lb-ft. Ngay cả động cơ VVT cũng không thể sánh được với IDE.

Tính năng cải thiện là kết quả của việc tăng tỷ số nén tới mức “bất thường” 11,5:1 (động cơ GDI còn đạt con số ấn tượng hơn là 12,5:1). Tương tự Mitsubishi, việc bơm một lượng nhiên liệu vào buồng đốt trước quá trình bơm thông thường giúp làm mát buồng đốt, từ đó tăng khả năng chống nổ và cho tỷ số nén cao hơn.

4. Động cơ 3 van của Mercedes cắt giảm phát thải khi khởi động nguội

Động cơ V6 ba van của Mercedes được coi là một trong 10 động cơ tốt nhất 

Trong số các thiết kế động cơ mới nhất hiện nay, khí thải khởi động nguội thu hút được rất nhiều chú ý của dư luận. Theo qui định mới nhất của châu Âu có hiệu lực từ năm 2000, khí thải sinh ra trong quá trình khởi động nguội phải bị hạn chế tối đa. Trong quá khứ, các nhà sản xuất thường dùng bộ chuyển hóa xúc tác để ngăn chặn khí thải sau khi nó đạt đến nhiệt độ vận hành khoảng 300°C. Tuy nhiên, thiết bị này không phát huy tác dụng đối với khởi

động nguội.

Để giảm thời gian tăng nhiệt độ vận hành của chất xúc tác, ngoài việc dùng bộ chuyển hóa ghép chặt và động cơ đốt nóng sơ bộ, hãng Mercedes còn cố gắng giảm diện tích bề mặt của cổng xả bằng cách trang bị một van xả đơn cho mỗi xi-lanh.

Nhiều người coi việc chuyển đổi từ 4 xuống 3 van chỉ mang tính hoán vị nhưng hãng Mercedes lại khẳng định đây là cách duy nhất để loại động cơ sở hữu ít nhất 6 van có thể vượt qua được luật châu Âu 2004. Giảm diện tích bề mặt cổng xả đồng nghĩa với tăng nhiệt độ lên 70ºC và rút ngắn quá trình đốt nóng sơ bộ.

Tất nhiên, nhược điểm của động cơ này là tôn thất công suất. Do đó, hãng Mercedes phải ứng dụng rất nhiều công nghệ khác để bù lại như hệ thống điều khiển thời điểm van nạp, ống nạp biến đổi và bugi đôi.

1 Các yêu cầu cơ bản của buồng cháy GDI:Hệ thống buồng cháy của động cơ GDI hoàn thiện phải đảm bảo được cả 2 yếu tố: - Tạo hỗn hợp đồng nhất và phân lớp, giữa các lớp không có đường chuyển tiếp.- Tạo được một vùng hỗn hợp đậm (dễ cháy) xung quanh bougie và phải đúng ngay thời điểm đánh lửa của động cơ.Để thỏa mãn 2 yêu cầu trên, người ta đưa ra một số kiểu buồng đốt kết hợp với việc đặt kim phun và bougie:

Hình 1 Các dạng cơ bản của buồng đốt GDI.Với các dạng buồng đốt như hình 1, nhiên liệu phun ra nhờ sự cuộn xoáy, nhào trộn của dòng không khí và hình dạng của buồng đốt sẽ bốc hơi và hoà trộn nhanh chóng. Đối với dạng buồng đốt hình 1a, kim phun được đặt ngay giữa trung tâm, vị trí của bougie được bố trí như hình trên. Với cách bố trí này, khi nhiên liệu phun vào sẽ đảm bảo được tỷ lệ A/F xung quanh bugi có thể cháy được. Cách bố trí thứ 2, bougie được đặt ngay trung tâm kim phun được bố trí sao cho dòng nhiên liệu khi phun vào giai đoạn đầu sẽ bốc hơi tạo hỗn hợp đồng nhất, giai đoạn sau khi piston lên gần điểm chết trên sẽ cuộn xoáy theo biên dạng của buồng cháy và tạo ra hỗn hợp đậm xung quanh đỉnh bougie như hình 1b. Tương tự, kiểu buồng đốt hình 1c,d cũng tạo ra hỗn hợp như trên nhưng kim phun và bougie được bố trí trong phạm vi chỏm của buồng đốt (piston hoặc culasse) dựa vào biên dạng này để tạo ra hỗn hợp đậm xung quanh đầu bougie.2 Vị trí đặt kim phun và bougie:Mối quan hệ giữa vị trí kim phun và bougie trong buồng đốt động cơ GDI là hết sức quan trọng để tạo nên tâm cháy trong kỳ cháy của động cơ. Đặt trưng quá trình nạp của động cơ GDI ở tải nhỏ là tạo hỗn hợp nghèo và phân lớp, vì vậy cần phải bố trí kim phun và bougie sao cho hướng dòng nhiên liệu vào đỉnh đầu bougie để tạo nên hỗn hợp đậm khu vực xung quanh đỉnh bougie trong thời điểm đánh lửa. Nếu đặt kim phun quá xa bougie, khu vực xung quanh bougie tại thời điểm đánh lửa mà hỗn hợp nghèo thì khó hình thành tâm cháy và mở

rộng vùng cháy (hình 2a). Tuy nhiên, nếu bố trí kim phun gần bougie thì sẽ tạo được hỗn hợp đậm đặt xung quanh bugi nhưng do dòng nhiên liệu phun ra từ kim có thể làm đầu bougie ẩm ướt nhiên liệu và cũng chính lý do này sẽ làm bougie không thể tạo tia lửa trong thời điểm đánh lửa (hình 2b).

Hình 2 Mối quan hệ giữa vị trí kim phun và bougie trong buồng đốt động cơ GDI.Vì vậy khi thiết kế buồng cháy, cần tính toán dòng nhiên liệu do kim phun phun vào buồng cháy và tia lửa điện do bougie phát ra để có thể tính toán bố trí kim phun và bougie hợp lý.3 Các phương pháp tạo hỗn hợp phân lớp trong buồng đốt động cơ GDI:Về cơ bản, động cơ GDI tạo hỗn hợp phân lớp nghèo khi hoạt động ở mức tải nhỏ. Để tạo một hỗn hợp phân lớp nghèo nhưng khu vực xung quanh bougie hỗn hợp đậm đặc để có thể cháy được trong thời điểm đánh lửa, hệ thống buồng đốt động cơ GDI có thể thực thiện theo 3 phương án sau: - Bố trí kim phun để hướng dòng nhiên liệu vào đỉnh bougie (Spray – Guide) (hình 3a).- Hướng dòng nhiên liệu vào đỉnh bougie bằng hình dạng đỉnh piston (Wall – Guide) (hình 3b). - Hướng dòng nhiên liệu vào đỉnh bougie bằng chuyển động của dòng không khí nạp vào (Air – Guide) (hình 3c).

Hình 3 Sơ đồ các dạng buồng đốt tạo hỗn hợp phân lớp ở động cơ GDI.a. Hệ thống buồng đốt kiểu Spray – Guide:Buồng đốt loại này được tìm ra sớm nhất ứng dụng nạp trực tiếp hỗn hợp phân lớp (DISC) cho động cơ GDI. Nó được Ford PROCO (Ford programmed combustion control system) kiểm nghiệm và kết luận là đạt được sự cháy nghèo với hỗn hợp nạp phân lớp khi bố trí kim phun

và bougie hợp lý. Ơ buồng cháy này, việc tạo được hỗn hợp phân lớp cần phải có sự kết hợp giữa hình dạng đỉnh piston (hình 3a), sự chuyển động của piston và của dòng không khí nạp vào chuyển động rối, tại thời điểm phun nhiên liệu được phun vào sẽ bốc hơi nhanh chống hoà trộn cùng với dòng khí như hình 4. Với phương pháp này sẽ tạo ra hỗn hợp phân lớp nghèo khi động cơ hoạt động chế độ tải nhỏ, động cơ có thể hoạt động khi tỷ lệ   8.0 nên tiết kiệm đáng kể lượng nhiên liệu tiêu thụ ở chế độ này.

Hình 4 Sơ đồ chuyển động dòng khí nạp vào của buồng cháy Spray – Guide.Theo thực nghiệm, vị trí đặt kim phun được đặt gần trung tâm của buồng đốt và bougie nằm trong phạm vi được giới hạn bởi hình nón của đỉnh piston (hình 5).

Hình 5 Vị trí của kim phun và bougie trong kiểu buồng đốt Spray – Guide.Tuy nhiên, nhược điểm của việc bố trí kim phun và bougie như trên là trong quá trình phun nhiên liệu vào các hạt nhiên liệu có thể làm ướt bougie và làm cho bougie không thể đánh lửa để đốt cháy hỗn hợp. Với kết cấu đỉnh piston như trên ảnh hưởng đến áp suất trong buồng cháy của động cơ, có thể động cơ không nổ trong một số chu trình làm việc và sẽ ảnh hưởng đến công suất phát ra.Với cách bố trí bougie và kim phun như trên gây khó khăn cho việc thiết kế và chế tạo culasse. Vì với động cơ có 4 soupape/1cylindre thì bố trí kim phun và bougie để thỏa mãn

điều kiện nêu trên thì rất khó khăn. Người ta đưa ra một số cách bố trí soupape, bougie, kim phun như sau:

Hình 6 Sơ đồ bố trí buồng cháy động cơ GDI kim phun, bougie, 3 soupape.

Hình 7 Sơ đồ bố trí buồng cháy động cơ GDI kim phun, bougie, 4 soupape.Xe đầu tiên sử dụng động cơ GDI kiểu hệ thống buồng đốt loại này được Renault sản xuất (hệ thống buồng đốt như hình 8). 

Hình 8 Hệ thống buồng đốt kiểu Spray – Guide của Renault.Tuy nhiên, với hệ thống buồng đốt này, Renault thiết kế chủ yếu để tạo ra hỗn hợp đồng nhất với tỷ lệ hoà khí chính xác cho bộ xúc tác 3 chức năng hoạt động tốt nhất.

b. Hệ thống buồng đốt kiểu Wall – Guide:Để khắc phục tình trạng bougie bị ướt của buồng đốt Spray – Guide, hệ thống buồng đốt này không hướng kim phun dòng nhiên liệu trực tiếp vào bougie mà nhiên liệu được phun vào chỏm của đỉnh piston (hình 2.4 – 10), tại đây nhiên liệu được bốc hơi nhanh chóng nhờ vào nhiệt độ cao của đỉnh piston, sau đó dòng hỗn hợp này sẽ được dẫn hướng đến đỉnh của bougie. 

Hình 10 Kết cấu buồng đốt Wall – Guide.

Với kiểu buồng đốt này bougie được bố trí ngay trung tâm, đối với trường hợp động cơ sử dụng 2 ống nạp cho 2 soupape nạp kim phun được bố trí như hình 11a và 1 ống nạp cho 2 soupape nạp như hình 11b.

Hình 11 Sơ đồ bố trí kim phun và bougie của buồng đốt Wall – Guide.

c. Hệ thống buồng đốt kiểu Air – Guide:Hệ thống buồng đốt Air – Guide lợi dụng chuyển động của dòng không khí trong cylindre nhiên liệu được phun vào sẽ chuyển động theo và bốc hơi. Bougie được bố trí ngay trung tâm buồng đốt và kim phun được bố trí ngay soupape nạp, nhờ sự cuộn xoáy của dòng khí nên dòng hỗn hợp được tạo ra ngay trung tâm đậm đặc hơn thuận lợi cho sự cháy (hình 12). Với kiểu buồng đốt này, kim phun ít chịu tác động của khí cháy vì không bố trí trực tiếp.

Hình 12 Kết cấu buồng đốt kiểu Air – Guide.

4 Các kiểu buồng đốt đầu tiên của động cơ GDI:- Hệ thống buồng đốt MAN – FM như hình 1 là mẫu đầu tiên được các nhà nghiên cứu thiết kế đầu tiên.- Hệ thống buồng đốt của Benz 300SL đầu tiên của Mercedes vào năm 1954 (hình 12).

Hình 13 Kết cấu buồng đốt Benz 300SL.

- Honda với kiểu buồng cháy xoáy lốc CVCC (Honda compound vortex combustion chamber) như hình 14. Buồng đốt này không nạp nhiên liệu trực tiếp vào buồng đốt nhưng nó tiền đề cho việc thiết kế các buồng đốt sau này.

Hình 14 Kết cấu buồng đốt của Honda CVCC.- Vào những năm 1970 – 1979, PROCO và TCCS cũng có các buồng đốt kiểu Spray – Guide như hình 15 a&b.

Hình 15 Kết cấu buồng đốt PROCO (a) & TCCS (b).

- Hệ thống buồng đốt MCP (Mitsubishi Combustion Process) và IH – White (International Harvester and White Motors system) vào những năm 1970 (hình 2.4 – 16 a&b).

Hình 16 Kết cấu buồng đốt MCP (a) và IH – White (b).