Động cơ phun xăng trực tiếp (gdi)

Chương 2 ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG TRỰC TIẾP (GDI) 2.1. Lịch sử ra đời của động cơ phun xăng trực tiếp. 2.2. Cơ sở khoa học của động cơ phun xăng trực tiếp. 2.3. Kết cấu chung của động cơ phun xăng trực tiếp. 2.4. Các dạng buồng cháy của động cơ phun xăng trực tiếp. 2.4.1. Các yêu cầu cơ bản của buồng cháy GDI. 2.4.2. Vị trí đặt kim phun và bugi. 2.4.3. Các phương pháp tạo hỗn hợp phân lớp trong buồng đốt động cơ GDI. 2.4.3.1. Hệ thống buồng đốt kiểu Spray – Guide. 2.4.3.2. Hệ thống buồng đốt kiểu Wall – Guide. 2.4.3.3. Hệ thống buồng đốt kiểu Air – Guide. 2.4.4. Các kiểu buồng đốt đầu tiên của động cơ GDI. 2.5. Hệ thống cung cấp nhiên liệu của động cơ phun xăng trực tiếp. 2.5.1. Yêu cầu của hệ thống nhiên liệu. 2.5.2. Yêu cầu của áp suất phun. 2.5.3. Yêu cầu của kim phun. 2.5.4. Các loại kim phun. 2.5.4.1. Kim phun một lỗ phun. 2.5.4.2. Kim phun nhiều lỗ phun. 2.5.4.3. Kim phun có sự trợ giúp của dòng không khí. 2.6. Kết cấu động cơ GDI của một số hãng trên thế giới. 2.6.1. Kết cấu động cơ GDI Mitsubishi. 2.6.2. Kết cấu động cơ GDI Toyota. 2.6.3. Kết cấu động cơ GDI Audi. 2.6.4. Kết cấu động cơ GDI Nissan. 2.6.5. Kết cấu động cơ GDI Ford. 2.6.6. Kết cấu động cơ GDI Mercedes – Benz. 2.7. Kết luận. 2.1. Lịch sử ra đời của động cơ phun xăng trực tiếp: Vào năm 1955, Mercedes – Benz đầu tiên ứng dụng phun xăng trực tiếp vào buồng cháy của động cơ 6 cylinder (Mercedes – Benz 300SL) với thiết bị bơm tạo áp suất phun của Bosch. Tuy nhiên, việc ứng dụng này bị quên lãng do vào thời điểm đó các thiết bị điện tử chưa được phát triển và ứng dụng nhiều cho động cơ ôtô, nên việc điều khiển phun nhiên liệu của động cơ thuần tuý bằng cơ khí, và việc tạo hỗn hợp phân lớp cho động cơ chưa được nghiên cứu như ngày nay. Vì vậy, so với quá trình tạo hỗn hợp ngoài động cơ thì quá trình tạo hỗn hợp trong buồng đốt cũng không khả quan hơn nhưng kết cấu và giá thành thì cao hơn nhiều. Mãi đến năm 1996, với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật điện tử, động cơ xăng ứng dụng phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng đốt được Mitsubishi Motors đưa trở lại thị trường tại Nhật với tên mới đó là GDI (Gasoline direct injection), và tiếp theo đó nó xuất hiện tại châu Âu vào năm 1998. Mitsubishi đã áp dụng kỹ thuật này sản xuất hơn 400.000 động cơ cho dòng xe 4 chỗ đến trước năm 1999. Tiếp theo sau, là hàng loạt các hãng nổi tiếng như PSA Peugeot Citroën, Daimler Chrysler (với sự cho phép của Mitsubishi) cũng đã áp dụng kỹ thuật này cho dòng động cơ của mình vào khoảng năm 2000 – 2001. Volkswagen/Audi cũng cho ra mắt động cơ GDI vào năm 2001 nhưng dưới tên gọi FSI (Fuel Stratified Injection). BMW không chịu thua kém đã cho ra đời động cơ GDI V12. Các nhà sản xuất xe hàng đầu như General Motors cũng đã áp dụng kỹ thuật GDI cho động cơ của mình để cho ra đời dòng xe mới vào những năm 2002. Và sau cùng đó là Toyota cũng phải từ bỏ việc tạo hỗn hợp ngoài động cơ để chuyển sang tạo hỗn hợp trong buồng đốt và đã ra mắt thị trường với động cơ 2GR – FSE V6 vào đầu năm 2006. 2.2. Cơ sở khoa học của động cơ phun xăng trực tiếp: 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 ô nhiễm 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. 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. Hình 2.2 – 1 Hệ thống buồng đốt MAN – FM. 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 2.2 – 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 2.2 – 2 Kết cấu buồng đốt PFI và GDI. 2.3. Kết cấu chung của động cơ phun xăng trực tiếp: Kết cấu động cơ GDI cũng tương tự như động cơ PFI, điểm khác nhau cơ bản là hệ thống buồng cháy, hệ thống nhiên liệu, và hệ thống điều khiển nhiên liệu và đánh lửa (ECU). Ơû bộ xử lý khí thải, động cơ GDI có bố trí thêm một bộ xúc tác nữa (bộ xúc tác kép) để có thể xử lý khí thải khi động cơ hoạt động chế độ hỗn hợp nghèo. Hình 2.3 – 1 Sơ đồ kết cấu của một loại động cơ GDI. 2.4. Các dạng buồng cháy của động cơ phun xăng trực tiếp: 2.4.1.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 2.4 – 1 Các dạng cơ bản của buồng đốt GDI. Với các dạng buồng đốt như hình 2.4 – 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 2.4 -1a, kim phun được đặt ngay giữa trung tâm, vị trí của bougie được bố trí như hình bên. 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 2.4 – 1b. Tương tự, kiểu buồng đốt hình 2.4 – 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. 2.4.2. Vị trí đặt kim phun và bougie: Hình 2.4 – 2 Mối quan hệ giữa vị trí kim phun và bougie trong buồng đốt động cơ GDI. 2.4.3. 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 2.4 – 3a). - Hướng dòng nhiên liệu vào đỉnh bougie bằng hình dạng đỉnh piston (Wall – Guide) (hình 2.4 – 3b). - Hướng dòng nhiên liệu vào đỉnh bougie bằng chuyển động của dòng không khí nạp vào (Air – Guide) (hình 2.4 – 3c). Hình 2.4 – 3 Sơ đồ các dạng buồng đốt tạo hỗn hợp phân lớp ở động cơ GDI. 2.4.3.1. Hệ thống buồng đốt kiểu Spray – Guide: Hình 2.4 – 4 Sơ đồ chuyển động dòng khí nạp vào của buồng cháy Spray – Guide. Hình 2.4 – 5 Vị trí của kim phun và bougie trong kiểu buồng đốt Spray – Guide. Hình 2.4 – 6 Sơ đồ bố trí buồng cháy động cơ GDI kim phun, bougie, 3 soupape. Hình 2.4 – 7 Sơ đồ bố trí buồng cháy động cơ GDI kim phun, bougie, 4 soupape. Hình 2.4 – 8 Hệ thống buồng đốt kiểu Spray – Guide của Renault. 2.4.3.2. Hệ thống buồng đốt kiểu Wall – Guide: Hình 2.4 – 10 Kết cấu buồng đốt Wall – Guide. Hình 2.4 – 11 Sơ đồ bố trí kim phun và bougie của buồng đốt Wall – Guide. 2.4.3.3. Hệ thống buồng đốt kiểu Air – Guide: Hình 2.4 – 12 Kết cấu buồng đốt kiểu Air – Guide. 2.4.4. Các kiểu buồng đốt đầu tiên của động cơ GDI: Hình 2.4 – 13 Kết cấu buồng đốt Benz 300SL. Hình 2.2 – 1 Hệ thống buồng đốt MAN – FM. Hình 2.4 – 14 Kết cấu buồng đốt của Honda CVCC. Hình 2.4 – 15 Kết cấu buồng đốt PROCO (a) & TCCS (b). Hình 2.4 – 16 Kết cấu buồng đốt MCP (a) và IH – White (b). 2.5. Hệ thống cung cấp nhiên liệu của động cơ phun xăng trực tiếp: Hình 2.5 – 1 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu của một loại động cơ GDI. Hình 2.5 – 2 Sơ đồ hệ thống bơm, bộ phân phối. 2.5. 4. Các loại kim phun: 2.5.4.1. Kim phun một lỗ phun: Hình 2.5 – 3 Sơ đồ kết cấu kim phun một lỗ. 2.5.4.2. Kim phun nhiều lỗ phun: Hình 2.5 – 4 Sơ đồ góc phun của kim phun nhiều lỗ. 2.5.4.3. Kim phun có sự trợ giúp của dòng không khí (PPAA: Pulse – Pressurized, Air – Assisted): Hình 2.5 – 5 Hình dạng và kết cấu kim phun PPAA. Hình 2.6 – 2 Mô hình đôäng cơ GDI Mitsubishi cắt bổ. Hình 2.6 – 4 Đồ thị mômen của động cơ Mitsubishi 1.8L, I – 4, GDI và PFI đo ở chế độ đầy tải. 2.6.2. Kết cấu động cơ GDI Toyota: Hình 2.6 – 5 Hệ thống buồng đốt động cơ GDI Toyota D – 4 thế hệ thứ nhất. Hình 2.6 – 6 Sơ đồ kết cấu động cơ GDI Toyota D – 4 thế hệ thứ nhất. Hình 2.6 – 7 Kết cấu buồng đốt động cơ Toyota GDI thế hệ thứ hai. Hình 2.6 – 8 Sơ đồ kết cấu động cơ GDI Toyota D – 4 thế hệ thứ hai. 2.6.3. Kết cấu động cơ GDI Audi: Hình 2.6 – 9 Mô hình cắt bổ động cơ Audi 1.2L, I – 3, DI. Động cơ Audi 1.2L, 3 cylindre, hệ thống buồng đốt kiểu Wall-Guide tạo hỗn hợp phân lớp – tải nhỏ và đồng nhất–tải lớn (như hình 2.6 – 9). Kim phun đặt gần đường nạp. Bougie đặt ngay trung tâm buồng đốt. Aùp suất phun 10MPa. Công suất 55 kW ở vòng quay 5500 rpm. Momen cực đại 115 N.m ở vòng quay 3000 rpm. 2.6.4. Kết cấu động cơ GDI Nissan: Hình 2.6 – 10 Kết cấu buồng đốt Nissan NEODi. Động cơ GDI của hãng Nissan với kết cấu hệ thống buồng đốt kiểu Wall – Guide NEODi (Nissan Ecology Oriented performance and Direct Injection), ở hệ thống buồng đốt này bougie được bố trí ngay trung tâm, kim phun được bố trí dưới đường nạp và giữa 2 soupape nạp như hình 2.6 – 10. 2.6.5. Kết cấu động cơ GDI Ford: Với kiểu buồng cháy Spray – Guide Ford cho ra đời động cơ một cylindre dung tích 575 cm3, tỷ số nén 11.5:1, áp suất phun 5.0 MPa, 4 soupape (hình 2.4 – 5). Tiếp theo đó là động cơ I – 3, dung tích cylindre 1125 cm3, tỷ số nén 11.5:1, áp suất phun 12.0 MPa, 4 soupape/1cylindre, bộ xúc tác dual – catalyst. 2.6.6. Kết cấu động cơ GDI Mercedes – Benz: Mercedes – Benz với kết cấu buồng đốt Spray – Guide như hình 2.6 – 11, đã tạo ra một hỗn hợp lý tưởng cho dòng động cơ GDI của mình. Aùp suất phun thay đổi từ 4 – 12 MPa, động cơ một cylindre dung tích 538.5, tỷ số nén 10.5:1, 4 soupape, nạp hỗn hợp phân lớp cực nghèo ở chế độ tải nhẹ và hỗn hợp đồng nhất ở tải lớn. Hình 2.6 – 11 Kết cấu buồng đốt động cơ GDI Mercedes – Benz. 2.7. Kết luận: Sơ lược về kết cấu động cơ GDI cho chúng ta một cách nhìn khái quát về cơ sở khoa học của động cơ GDI, cấu tạo, hoạt động, và những ưu nhược điểm của động cơ này so với động cơ PFI. Mặc dù đã được nghiên cứu từ rất lâu nhưng động cơ GDI mới thật sự được ứng dụng trong thập kỷ này. Đối với các nước trên thế giới vấn đề này đã và đang nghiên cứu chuyên sâu, nhưng với chúng ta còn quá mới mẽ do điều kiện khoa học kỹ thuật còn lạc hậu. Trong chương này, chủ yếu tìm hiểu cơ sở khoa học kết cấu của động cơ GDI, chương tiếp theo, chúng ta sẽ tiếp tục tìm hiểu và nghiên cứu quá trình cháy trong động cơ GDI. Tài liệu tham khảo: 1. Lê Viết Lượng _ Lý thuyết động cơ Diesel. 2. Cornel Stan _ Direct Injection Systems for Internal Combustion Engines. 3. SAE International, SP-1891 _ Direct Fuel Injection, Engine Diagnostics, and New Developments in Powertrain Tribology, CVT, ATF & Fuel Economy. 4. John B. Heywood _ Internal Combustion Engine Fundamentals. 5. Fuquan (Frank) Zhao, David L.Harrington, Ming-Chia Lai _ Automotive Gasoline Direct-Injection Engines. 6. Mitsubishi motor technical website. 7. Toyota website. 8. Hitachi Direct Gasoline website.