NGUYENTHANHTRONG-C14A.OTO3-GIOI THIEU CHI TIET VE DONG CO GDI

Nguyễn Thanh Trọng
LỚP C14A.ÔTÔ3

GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ GDI
I. MỤC ĐÍCH:
Tìm hiểu về lịch sử hình thành và phát triền những thành tựu từ lúc động cơ ra
đời dến nay, biết được cấu tạo nguyên lý hoạt động , công suất và hiệu quả những hệ
thống hoạt động trên động cơ.
II. NỘI DUNG:
1) Động cơ GDI
GDI là từ viết tắt của cụm từ Gasonline direct injection chỉ các loại động cơ phun
xăng trực tiếp. Trong loại động cơ này, xăng được phun thẳng vào buồng cháy của các
xilanh, khác hẳn nguyên lý phun xăng vào đường nạp của các động cơ phun xăng điện
tử thông dụng.


Hình 1: động cơ phun xăng trực tiếp GDI
2) 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 tiếng bộ của khoa kĩ thuật điện tử động cơ xăng ứng
dụng phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng đốt được Mitsubishi Moto đã dưa vào hị
trường nhật với tên mới đó là GDI, và tiếp theo đó xuất hiện tại thị trường châu âu
năm 1998, Mitsubishi đã áp dụng kĩ thuật này vào trong sản xuất hơn 400.000 động
cơ cho dòng xe 4 chỗ đến trước năm 1999.

Tiếp theo sau là hàng loại các hang nổi tiếng như PSA( với sự cho phép của
Mitsubishi) cũng đã áp dụng kĩ thuật này vào cho động cơ của mình vào khoảng năm
2000-2001.Wolkswagen /Audi cũng đã cho ra mắt động cơ GDI vào năm 2001 nhưng
dưới tên gọi là FSI (Fuel Stratified Injention ). BMW cũng không chịu thua kém đã
cho ra đời động cơ GDI V12.
Các nhà sản xuất xe hàng đầu như Genegal Motors cũng đã áp dụng kĩ thuật GDI
cho động cơ của mình để ra đời những dòng xe mới vào những năm 2002. Và sau đó
Toyota cũng phải từ bỏ việc tạo hỗn hợp ngoài động cơ để chuyển sang tại hỗn hợp
trong buồng đốt và đã ra mắt thi trường với động cơ 2GR-FSE V6 vào đầu năm 2006.
3) Cơ sở khoa học của động cơ phun xăng trực tiếp:
Sự tăng giá đột biến của xăng dầu, và tiêu chuẩn khí thải của động cơ ngày càng
khắc khe buộc các nhà khoa học trên thế giới không ngừng nghiên cứu tìm ra những
biện pháp tiết kiệm nhiên liệu kèm theo giảm khí thải ở động cơ đốt trong. Nhìu giải
pháp được đưa ra, một trong những giải pháp được coi là thành công nhất hiện nay là
cho ra đời động cơ GDI.


So sánh giữa động cơ sử dụng nhiên liệu xăng (tạo hỗn hợp bên ngoài) và động
cơ sử dung nhiên liệu diesel( tạo hỗn hợp bên trong buồng đốt) ta thấy rằng : cùng một
công suất thoái ra nhưng mức tiêu hao nhiên liệu của động cơ diesel thấp hơn động cơ
xăng. Một phần là do đặt tính nhiên liệu khác nhau nhưng cái chinh ở đây là quá trình
tạo hỗn hợp và đốt cháy hỗn hợp của hai loại động cơ này rất khác biệt nhau. Tuy
nhiên chúng ta chưa thể ứng dụng động cơ diesel cho xe du lịch được vì động cơ này
có một số nhược điểm: tiếng ồn ở động cơ này cao so vối động cơ xăng, khả năng tăng
tốc của động cơ này thấp hơn động cơ xăng, và đặt biệt khí thải của động cơ này ô
nhiễm hơn động cơ xăng.

Hình 2: phương pháp hình thành hỗn hợp phân lớp Ford proco
Gần 3 thập kỉ nay, người ta nghiên cứu kết hợp những ưu điểm của động cơ xăng
và diesel để cho ra đời một loại động cơ mới để có thể đáp ứng nhu cầu về khí thải,

suất tiêu hao nhiên kiệu,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 ưu điểm như:
hỗn hợp được tạo bên trong buồng đốt, cũng nhờ sự tạo hỗn hợp này mà động cơ


diesel có thể hoạt đông khi hệ thống dư lượng không khí từ 1.4 -1.8. Do đặt tính hai
nhiên liệu khác nhau nên quá trình hình thành tâm cháy uungj khác nhau,, vì vây động
cơ PFI không thể chạy được với tỉ lệ như trên. Cần phải có phương pháp tạo hỗn hợp
khác phương pháp PFI,đó là vấn đẻ đặt ra.

Hình 3:Mặt cắt động cơ 3.5L V6 của Lexus sử dụng hệ thống nhiên liệu GDI
Dựa trên cơ sở kiểu

buồng cháy MAN-FM(Maschinenfabrik Auguburg-

Nunrberg).POROCO đã tìm ra hệ thống điều khiển TCCS các nhà nghiên cứu cho ra
đời kiểu buồng cháy twujc tiếp và phân lớp đầu tiên. Với kiểu buồng cháy này động
cơ có thể hoạt động được khi tỉ lệ air/fuel vào khoảng 20:1. Đây quả là một bước tiến
hảy vột cho động cơ xăng và là tiền đề cho các thế hệ sau của động cơ GDI.

Hình 4: vòi phun của hệ thống phun 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
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

Hình 5 : hệ thống phun xăng trực tiếp GDI,nhiên liệu được phun trực tiếp vào buồng
đốt


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
4) Kết cấu chung của động cơ phun xăng trực tiếp:
Tăng công suất, tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu khí xả độc hại vào môi trường
là những vấn đề các hãng xe luôn vươn tới. Bởi vậy hệ thống nhiên liệu ngày càng
được phát triển.
Với động cơ 3.6L V6 trên chiếc Cadillac CTS, khi sử dụng hệ thống phun xăng
điện tử EFI công suất cực đại chỉ đạt 263 mã lực, mô-men xoắn cực đại đạt 253 lb/ft.
Nhưng với hệ thống phun xăng trực tiếp GDI, công suất cực đại tăng lên 304 mã lực
và mô-men xoắn cực đại 274 lb/ft. Ngoài ra mức tiêu thụ nhiên liệu cũng giảm xuống

khoảng 0,5 lít cho quãng đường 100km.

Hình 6: hệ thống YMJET FI
Trong những động cơ hiện đại, chúng ta thường nghe tới hệ thống phun xăng
trực tiếp GDI (Gasonline Direct Injection) hoặc hệ thống phun xăng điện tử EFI
(Electronic Fuel Injection). Vậy giữa 2 hệ thống nhiên liệu này có gì khác biệt?
Điểm khác biệt cơ bản nhất giữa GDI và EFI là vị trí của vòi phun nhiên liệu. Hệ
thống GDI sử dụng vòi phun nhiên liệu trực tiếp vào trong buồng cháy với áp suất lớn,


còn hệ thống EFI phun nhiên liệu bên ngoài buồng cháy - phun gián tiếp. Như vậy hệ
thống GDI, hỗn hợp (nhiên liệu, không khí) sẽ hình thành bên trong buồng cháy, còn
EFI, hỗn hợp sẽ hình thành bên ngoài rồi mới qua xupap nạp vào bên trong buồng
cháy.
5) Hệ thống EFI được chia làm 3 loại chính:
- Hệ thống phun xăng đơn điểm (Single Point Injection - SPI): Hệ thống này chỉ dùng
một vòi phun trung tâm duy nhất thay thế cho bộ chế hoà khí. Vòi phun nhiên liệu
được đặt ngay trước bướm ga và tạo thành khí hỗn hợp trên đường nạp. Hệ thống có
cấu tạo khá đơn giản, chi phí chế tạo rẻ, thường chỉ xuất hiện ở những xe nhỏ.
- Hệ thống phun xăng hai điểm (BiPoint Injection - BPI) được nâng cấp từ hệ phun
nhiên liệu đơn điểm. Hệ thống này sử dụng thêm một vòi phun đặt sau bướm ga nhằm
tăng cường nhiên liệu cho hỗn hợp. Thông thường hệ thống BPI ít được sử dụng do
không cải thiện nhiều so với SPI.
- Hệ thống phun xăng đa điểm (MultiPoint Injection - MPI): Mỗi xi-lanh được trang bị
một vòi phun riêng biệt đặt ngay trước xupap. Hệ thống vòi phun được lấy tín hiệu từ
góc quay trục khuỷu để xác định thời điểm phun chính xác.


Hình 7: Hệ thống phun xăng điện tử EFI
Trên thực tế, hệ thống phun xăng điện tử EFI đã xuất hiện từ những năm 1950,

nhưng phải đến những năm 1980, hệ thống này mới thực sự phát triển rộng rãi tại
Châu Âu. Trên những mẫu xe hiện tại vẫn sử dụng hệ thống nhiên liệu EFI, tuy
nguyên lý cơ bản không thay đổi nhưng nhờ có công nghệ điện tử điều khiển phát triển
đã giúp cho hệ thống này ngày càng hoàn thiện và đạt hiệu quả cao hơn rất nhiều.
Còn với hệ thống GDI thì phải tới tận năm 1996, hãng Mitsubishi mới chính thức
sử dụng trên mẫu xe Galant Legnum. Đây là một bước đột phá trong lịch sử phát triển
hệ thống nhiên liệu cho động cơ đốt trong. Cho dù ý tưởng sử dụng vòi phun nhiên
liệu trực tiếp vào trong buồng cháy cho động cơ xăng đã có từ rất lâu nhưng do quá
nhiều yếu tố chủ quan - khách quan khiến cho nhiều hãng tên tuổi phải “lùi bước”. Với
việc lắp một vòi phun nhiên liệu bên trong xilanh (giống động cơ diesel) với áp suất
phun cao, nhà sản xuất hoàn toàn có thể đẩy tỉ số nén của động cơ lên cao, giúp hỗn
hợp không khí-nhiên liệu “tơi” hơn. Quá trình cháy diễn ra “hoàn hảo”, hiệu suất động
cơ cao hơn, công suất lớn hơn, tiết kiệm nhiên liệu hơn và đặc biệt là giảm thiểu khí xả
vào môi trường.
Về cấu tạo của hệ thống nhiên liệu EFI hay GDI khá phức tạp, nhưng nguyên tắc cơ
bản vẫn sử dụng các tín hiệu từ động cơ (qua các cảm biến) rồi xử lý tại bộ xử lý trung
tâm ECU để điều chỉnh vòi phun (thời điểm, lưu lương, áp suất). Dưới đây là một số
cảm biến quan trọng:
- Cảm biến lượng khí nạp: đo lượng không khí xy lanh hút vào.
- Cảm biến ôxy: đo lượng ôxy trong khí thải nhằm xác định nhiên liệu hòa trộn thừa
hay thiếu xăng để ECU hiệu chỉnh khi cần thiết.
- Cảm biến vị trí xupap: giúp ECU điều chỉnh lượng xăng phun vào phù hợp khi đạp
ga .
- Cảm biến nhiệt độ chất chất làm mát: đo nhiệt độ làm việc của động cơ.
- Cảm biến hiệu điện thế để ECU bù ga khi mở các thiết bị điện trong xe.
- Cảm biến áp suất ống tiết liệu: hằm giúp ECU đo công suất động cơ.
- Cảm biến tốc độ động cơ: dùng để tính toán xung độ động cơ.
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.
6) .Động cơ GDI có những đặc tính nổi bật sau đây:
• Điều khiển được lượng xăng cung cấp rất chính xác, hệ số nạp cao như động cơ
diesel và thậm chí hơn hẳn động cơ diesel
• Động cơ có khảnăng làm việc được với hổn hợp cực loãng( Air/Fuel) = (35 ̧-55) (khi
xe đạt được vận tốc trên 120 Km/h).
• Hệ số nạp rất cao, tỉ số nén e cao (e =12). Động cơ GDI vừa có khả năng tải rất cao,
sự vận hành hoàn hảo, vừa có các chỉ tiêu khác hơn hẳn động cơ MPI
7) Những đặc điểm chủ yếu của động cơ “ GDI”:
• Sự tiêu thụ nhiên liệu rất thấp. Tiêu thụ nhiên liệu còn ít hơn động cơ diesel.
• Công suất động cơ siêu cao, cao hơn nhiều so với các loại động cơ MPI đang
sửdụng hiện nay

Hình 8:công nghệ phun xăng trực tiếp
8) Những đặc tính kỹ thuật của động cơ GDI :
• Đường ống nạp thẳng góc với piston, tạo được sự lưu thông của lưu lượng gió tối ưu
nhất


• Hình dạng đỉnh piston lồi, lõm như hình vẽ tạo thành buồng cháy tốt nhất, tạo được
sự hòa trộn nhiên liệu + không khí tối ưu nhất (hơn cả loại phun xăng MPI ).
• Bơm xăng cao áp cung cấp xăng có áp suất cao đến kim phun và phun trực tiếp vào
xi lanh động cơ.
• Kim phun nhiên liệu có áp suất phun cao (50 KG/cm2), chuyển động xoáy lốc
kết hợp với không khí tạo thành hổn hợp hòa khí ( xăng + gió) tốt nhất .
• Ở chế độ tải nhỏ nhiên liệu được phun ở cuối quá trình nén. Ở chế độ đầy tải nhiên
liệu được phun ở quá trình nạp.

• Tiêu hao nhiên liệu ít hơn 35% so với động cơ phun xăng “ MPI ” hiện nay
9) . Những đặc tính riêng biệt của GDI:
Tiêu thụ nhiên liệu ít hơn , tối ưu hơn và hiệu suất cao hơn . Thời điểm phun
được tính toán rất chính xác nhằm đáp ứng được sự thay đổi tải trọng của động cơ.Ở
chếđộ tải trọng trung bình và xe chạy trong thành phố thì nhiên liệu phun ra ở cuối thì
nén, giống như động cơ diesel và như vậy hổn hợp loãng đi rất nhiều.Ở chế độ đầy tải,
nhiên liệu được phun ra cuối thì nạp, điều này có khả năng cung cấp 1 hổn hợp đồng
nhất giống như động cơ MPI nhằm mục đích đạt được hiệu suất cao

Hình 9: Bố trí hệ thống GDI trên động cơ
Chú giải:


Fuel pressure sesnor: cảm biến áp suất nhiên liệu
Injector: vòi phun
Fuel rail: đường nhiên liệu
High pressure pump: máy bơm áp lực cao
Electronic control unit MED: Bộ điều khiển điện tử MED
.• Quá trình cháy với hổn hợp cực loãng : Ở tốc độ cao (trên 120 Km/h), động cơ
“GDI” sẽ đốt 1 hổn hợp nhiên liệu cực loãng, tiết kiệm được lượng nhiên liệu tiêu thụ.
Ở chế độ này, nhiên liệu được phun ra cuối kỳ nén và kỳ nổ: tỉ lệ hổn hợp là cực loãng
, (Air/Fuel) = 30 ̧-40 (35 - ̧ 55 bao gồm EGR).
• Ở chế độ công suất cực đại : Khi động cơ GDI hoạt động ở chế độ tải lớn, toàn tải,
tốc độ cao thì nhiên liệu được phun vào xi lanh động cơ trong suốt kỳ nạp, sựcháy
hoàn hảo hơn, nhiên liệu được cháy sạch, cháy kiệt, động cơ làm việc êm dịu, không
có tiếng gỏ.
10) Những ưu điểm kỹ thuật của động cơ” GDI”:
• Dòng khí chuyển động trong lòng xi lanh : Động cơ GDI có đường ống nạp thẳng
góc với xi lanh. Không khí di chuyển trực tiếp vào đỉnh piston và sẽ tạo xoáy lốc rất
mạnh, đó cũng là thời điểm tốt nhất cho việc phun nhiên liệu vào động cơ.

• Phun nhiên liệu: Các nhà chế tạo ô tô đã chế tạo ra những kim phun xăng có áp suất
rất cao 50 KG/cm2, đây là loại kim phun lý tưởng. Ở cùng một thời điểm nó tạo được
dòng xoáy lốc lớn nên phun ra những tia nhiên liệu rất mịn: đây cũngchính là đặc điểm
về kim phun của GDI
11) Những dòng xe sử dụng động cơ GDI:
Những khía cạnh nổi bật của các mẫu xe hơi nhỏ với động cơ dung tích hạn chế
hiện nay là có hiệu suất cao, đi kèm với nó là khả năng vận hành linh hoạt mà vẫn tiết
kiệm nhiên liệu. Sau động cơ tăng áp, các dòng xe hơi dần được trang bị công nghệ
van biến thiên rồi tới phun nhiên liệu trực tiếp. Mới đây nhất, Daimler và Porsche tiết
lộ về cơ cấu thanh truyền đặc biệt giúp thay đổi tỷ số nén.
Nhờ đó, động cơ mới sẽ có tỷ số nén công tác vượt trội mà vẫn đảm bảo hạn chế
hiện tượng kích nổ của xăng. Động cơ nhiêu liệu Diesel được các hãng xe Đức nâng
cao hiệu suất bằng các thành tựu vật liệu trong chế tạo xi-lanh, piston và công nghệ
phun nhiên liệu trực tiếp với áp suất cao. Dường như công nghệ phun nhiên liệu trực


tiếp (GDi) đang dần thay thế hệ thống phun nhiên liệu điện tử trước đó đã thế chỗ chế
hòa khí thường trên các mẫu xe hơi.

Hình 10: Hyundai Accent
GDI (Gasoline Direct Injection) là công nghệ động cơ trên xe hơi sử dụng đầu
phương áp suất có điều khiển điện tử, phun xăng trực tiếp vào trong xi-lanh.Sự phổ
biến của công nghệ này ngày càng rộng trên nhiều phân khúc, rất nhiều mẫu xe, đến
ngay ở dưới ca-pô của chiếc Hyundai Accent đời mới cũng sẽ có thêm dòng chữ GDi
dập nổi trên nắp động cơ. Nhờ vòi phun xăng áp suất cao, tỷ số nén công tác của dòng
động cơ mới này đạt 11:1, kèm theo nó là khả năng vận hành ‘giàu’ mô-men xoắn hơn
ở tua máy thấp. Ưu điểm của cơ cấu nạp nhiên liệu mới này là giảm tính trễ và tăng
hiệu suất của động cơ vì thời điểm phun nhiên liệu được hệ thống điện tử tính toán, ra
lệnh chính xác theo từng dải tua máy nhất định. Nhiên liệu không còn phải đi “đường
vòng” qua đường nạp, mà sẽ được “tiêm” thẳng vào buồng xi-lanh, hòa tơi cùng không

khí, phát nổ và sinh công. Hơn thế nữa, nhờ việc điều tiết lưu lượng nhiên liệu phun
vào xy-lanh, khả năng vận hành của động cơ sẽ được điều khiển linh hoạt mà lại vẫn
tiết kiệm nhiên liệu.


Hình 11: Trục cam trên động cơ DVT của Ducati
Tuy nhiên, tiết kiệm nhiên liệu và khả năng vận hành tốt ở tua máy thấp không
phải là những yếu tố một chiếc môtô thể thao thích thú. Bởi tua máy làm việc trung
bình của một chiếc môtô thể thao cao hơn rất nhiều so với một chiếc xe hơi, con số
vòng tua xe máy có thể đạt tới 5 con số (trên 10.000 vòng/phút, trong khi vòng tua làm
việc trung bình của xe hơi ở khoảng 5.000 vòng/phút). Nhưng Ducati đã thuần hóa
được hệ thống van biến thiên VVT (Variable valve timing) trên xe hơi thành công
nghệ riêng mang tên Desmodromic Variable Timing (DVT).
III. KẾT LUẬN:
Động cơ GDI là loại động cơ phun xăng trực tiếp được sử dụng rộng rãi trên thế
giới. Nó có những tính năng và cấu tạo đặc biệt giúp cho động cơ này tiết kiệm xăng
và tăng công suất hoạt động bên cạnh đó có thể giảm thiểu khí xả độc hại vào môi
trường tốt . Tuy động cơ GDI có nhiều ưu điểm tốt hơn động cơ EFI nhưng để có thể
trang bị động cơ GDI, vật liệu sử dụng làm piston và xilanh phải có độ bền cao do
nhiệt sinh ra trong quá trình cháy cao, cùng việc chế tạo vòi phun rất phức tạp chi phí
cho hệ thống nhiên liệu GDI cao hơn EFI nên nó sử dụng ít phổ biến hơn EFI.