Bài giảng chương 2 động cơ phun xăng trực tiếp (GDI)

Chương 2
ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG TRỰC TIẾP
(GDI)
2.1. Lòch 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. Vò 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. Lòch 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 bò bơm
tạo áp suất phun của Bosch. Tuy nhiên, việc ứng dụng
này bò quên lãng do vào thời điểm đó các thiết bò 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 thò 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 Citrn, 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 chòu 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 thò 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 lòch 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 λ 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 λ 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 bò 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). 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:
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, vò trí của bougie được bố
trí như hình bên.
Hình 2.4 – 1 Các dạng cơ
bản của buồng đốt GDI.


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. Vò trí đặt kim phun và bougie:

Hình 2.4 – 2 Mối quan hệ giữa vò 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 Vò trí của kim
phun và bougie trong kiểu
buồng đốt Spray – Guide.


Hình 2.4 – 6 Sô ñoà boá trí
buoàng chaùy ñoäng cô GDI
kim phun, bougie, 3
soupape.

Hình 2.4 – 7 Sô ñoà boá trí buoàng chaùy ñoäng cô
GDI kim phun, bougie, 4 soupape.


Hỡnh 2.4 8 Heọ thoỏng buong ủoỏt kieồu Spray Guide
cuỷa Renault.