Cơ sở khoa học của động cơ phun xăng trực tiếp pot

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 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 l 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 l 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 đốt
MAN – 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 GDI