Động cơ phun xăng trực tiếp GDI

Lời Nói Đầu
Mục đích của việc cải tiến kết cấu động cơ đốt trong
là nhằm nâng cao hiệu suất, tiết kiệm nhiên liệu, giảm
nồng độ khí thải ô nhiễm, …. Để cải tiến động cơ đốt trong
ngày càng tốt hơn, người ta nghiên cứu nhiều khía cạnh: ma
sát, vật liệu, chất bôi trơn, nhiên liệu, giải nhiệt, xử lý khí
thải, bộ xử lý vi điều khiển,… Phương pháp tạo hỗn hợp
của động cơ đốt trong được các nhà khoa học quan tâm
nhiều nhất, đặc biệt là động cơ xăng và trong những thập
kỷ gần đây đã đạt được những thành tựu đáng kể. Việc
chuyển từ bộ carburattor sang phun xăng trên đường ống nạp
đã hoàn thiện hơn quá trình tạo hỗn hợp bên ngoài động cơ.
Với phương pháp tạo hỗn hợp ngoài (PFI), thực tế là động cơ
chưa thể hoạt động được khi hỗn hợp cực nghèo, vì vậy vấn
đề đặt ra ở đây là cần phải có sự cải tiến để đưa động
cơ xăng đạt đến gần như động cơ Diesel hơn nữa. Và sự xuất
hiện một phương pháp tạo hỗn hợp có thể đáp ứng những
yêu cầu trên đó là phương pháp tạo hỗn hợp bên trong
buồng đốt GDI (gasoline direct injection).
Những thành tựu đạt được của động cơ GDI là đáng kể,
ở động cơ này quá trình cháy được hoàn thiện hơn, động cơ
có thể hoạt động với hỗn hợp cực nghèo, vấn đề tiết
kiệm nhiên liệu, ô nhiễm môi trường được giải quyết phần
nào. Đối với những người có tâm huyết nghiên cứu, tìm
hiểu kết cấu cũng như đặc tính của dòng động cơ này là
cần thiết.
Trong chuyên đề này, quá trình cháy trong động cơ GDI
được trình bày thành 5 chương:
Chương 1: Quá trình cháy trong động cơ đốt trong;
chương 5: Kết luận - do học viên Đặng Vũ Duy Tân thực hiện.

1


Chương 2: Động cơ phun xăng trực tiếp GDI

-

do học

Chương 3: Quá trình cháy trong động cơ GDI -

do học

viên Phan Tuấn Kiệt thực hiện.
viên Đinh Vũ Thắng thực hiện.
Chương 4: Tính toán mô phỏng quá trình cháy trong
động cơ GDI - do học viên Thông Quốc Hữu Khánh Phúc thực
hiện.
Chúng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn về những tri thức
được truyền đạt từ giảng viên hướng dẫn PGS.TS Phạm Xuân
Mai, và sự giảng dạy tận tâm, khoa học đầy nhiệt tình của
Thầy đã giúp chúng tôi tiếp cận và hiểu biết phần lớn
về chuyên đề này.

2


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.
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.

3


Chương 2: ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG
TRỰC TIẾP (GDI)
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

4


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 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

5


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.

6


Hình 2.3 – 1 Sơ đồ kết cấu của một loại động cơ GDI.

7


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, vò 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 2.4 – 1b.
Tương tự, kiểu buồng đốt hình 2.4 – 1c,d cũng tạo ra hỗn hợp
8


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:
Mối quan hệ giữa vò 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 2.4 – 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 2.4 – 2b).

Hình 2.4 – 2 Mối quan hệ giữa vò 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.
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).
9


(a)

(b)

(c)

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:
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.
buồng cháy này, việc tạo được hỗn hợp phân lớp cần phải
có sự kết hợp giữa hình dạng đỉnh piston (hình 2.4 – 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 2.4 – 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 λ ≈ 8.0 nên tiết kiệm đáng kể lượng
nhiên liệu tiêu thụ ở chế độ này.

Hình 2.4 – 4 Sơ đồ chuyển động dòng khí nạp vào của buồng
cháy Spray – Guide.
10


Theo thực nghiệm, vò 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 2.4 – 5).

Hình 2.4 – 5 Vò 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 2.4 – 6 Sơ đồ bố trí buồng cháy động cơ GDI kim phun,
bougie, 3 soupape.

11


Hình 2.4 – 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 2.4 – 8).

Hình 2.4 – 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.

12


2.4.3.2 Hệ thống buồng đốt kiểu Wall – Guide:
Để khắc phục tình trạng bougie bò 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 2.4 – 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 2.4 – 11a và 1 ống
nạp cho 2 soupape nạp như hình 2.4 – 11b.

Hình 2.4 – 11 Sơ đồ bố trí kim phun và bougie của buồng đốt
Wall – Guide.

13


2.4.3.3 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 2.4 –
12). Với kiểu buồng đốt này, kim phun ít chòu tác động của
khí cháy vì không bố trí trực tiếp.

Hình 2.4 – 12 Kết cấu buồng đốt kiểu Air – Guide.

14


2.4.4
Các kiểu buồng đốt đầu tiên của động cơ
GDI:
- Hệ thống buồng đốt MAN – FM như hình 2.2 – 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 2.4 - 12).

Hình 2.4 – 13 Kết cấu buồng đốt Benz 300SL.
- Honda với kiểu buồng cháy xoáy lốc CVCC (Honda
compound vortex combustion chamber) như hình 2.4 – 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 2.4 – 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 2.4 – 15 a&b.

(b) (a) & TCCS (b).
Hình 2.4 – 15 (a)
Kết cấu buồng đốt PROCO

15


- 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).

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

Hình 2.5 – 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
16

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.
2.5.1
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.
2.5.2
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 2.5 – 2), hệ thống này phải đảm bảo được việc tạo áp
suất như yêu cầu vừa nêu và ổn đònh 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
17


sẽ xuyên qua khối khí có thể va chạm vào thành của buồng
đốt cũng không tốt cho việc bốc hơi.

18

Hình 2.5 – 2 Sơ đồ hệ thống bơm, bộ phân phối.
2.5.3
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 đònh khoảng
không gian thời gian và vò trí của dòng nhiên liệu cung cấp
cho buồng đốt. Mặt khác, nó quyết đònh 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).
2.5.4
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
19


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.
2.5.4.1 Kim phun một lỗ phun:
Với áp suất phun từ 7.0 đến 10MPa, đường kính lỗ phun
từ 14 µm đến 23 µm, 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 2.5 – 3 Sơ đồ kết cấu kim phun một lỗ.
2.5.4.2 Kim phun nhiều lỗ phun:
p 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 bò nghẹt (do đặt trực
tiếp trong buồng cháy).

20


Hỡnh 2.5 4 Sụ ủo goực phun cuỷa kim phun nhieu loó.

21


2.5.4.3 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 2.5 – 5.

Hình 2.5 – 5 Hình dạng và kết cấu kim phun PPAA.

22


2.6 Kết cấu động cơ GDI của một số hãng trên thế
giới:

2.6.1
Kết cấu động cơ GDI Mitsubishi:
Vào năm 1996, dựa trên cơ sở của động cơ 4G93 PFI (4
cylindre, 4 soupape/1cylindre, dual – overhead camshafs), Mitsubishi
đã thiết kế lại buồng đốt kiểu Wall – Guide và hệ thống
nhiên liệu cho ra đời động cơ 4G93 GDI. Với động cơ này, tạo
ra hỗn hợp đồng nhất ở chế độ tải đầy và tạo hỗn phân
lớp nghèo ở tải nhỏ (tỷ lệ air / fuel từ 20:1 đến 25:1).
Mitsubishi đã sử dụng bộ xúc tác xử lý khí thải kép (bộ
xúc tác đầu sử dụng chất iridium tác dụng khi hỗn hợp
nghèo, bộ sau sử dụng chất platium nhằm làm giảm chất
thải ô nhiễm khi động cơ hoạt động chế độ tải lớn). Vì vậy,
xe sử dụng động cơ GDI này sẽ tiết kiệm nhiên liệu hơn so
với xe sử dụng động cơ PFI cùng loại khi hoạt động trong
thành thò (vì động cơ thường xuyên hoạt động chế độ tải
thấp).

Hình 2.6 – 1 Sơ đồ kết cấu động cơ GDI Mitsubishi với kiểu
hệ thống buồng đốt Wall – Guide.

Hình 2.6 – 2 Mô hình đôäng cơ GDI Mitsubishi cắt bổ.
Với kiểu tạo hỗn hợp bên trong, tỷ số nén ở động cơ
GDI có thể đạt được 12:1, khi đó momen của động cơ tăng hơn
10% so với động cơ PFI cùng loại (hình 2.6 – 4). Cũng nhờ việc
tạo hỗn hợp bên trong buồng đốt, khả năng tăng áp cho
động cơ GDI dễ dàng hơn ở động cơ PFI, khi đó có thể tăng
23


thể tích không khí nạp cho động cơ này khoảng 5% so với loại

PFI. Điều này được kiểm nghiệm ở động cơ Mitsubishi GDI, I – 4,
1.8L (hình 2.6 – 3).

Hình 2.6 – 3 Sơ đồ đôäng cơ GDI Mitsubishi 1.8L, I – 4.

Hình 2.6 – 4 Đồ thò 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:
Động cơ GDI được Toyota cho ra đời đầu tiên đó là động
cơ D – 4, với kiểu hệ thống buồng đốt Wall – Guide (hình 2.6 –
5). Dòng nhiên liệu khi phun vào buồng đốt sẽ được cuộn
xoáy hòa trộn vào không khí nhờ vào chuyển động của
dòng không khí nạp vào, hình dạng đỉnh đầu và chuyển
động của piston. Toyota trang bò hệ thống nạp VVT – i (variable –
valve – timing – intelligent) được điều khiển bởi động cơ điện DC
cho động cơ này (hình 2.6 – 6).

Hình 2.6 – 5 Hệ thống buồng đốt động cơ GDI Toyota D – 4 thế
hệ thứ nhất.

24


Hình 2.6 – 6 Sơ đồ kết cấu động cơ GDI Toyota D – 4 thế hệ thứ
nhất.
Hỗn hợp tạo ra được chia ra làm 4 chế độ:
- Khi động cơ hoạt động ở không tải (chạy cầm
chừng), hỗn hợp được tạo ra phân lớp nghèo (tỷ lệ air / fuel
từ 25:1 đến 50:1), động cơ hoạt động với hỗn hợp cực nghèo.

- Khi động cơ hoạt động ở tải nhẹ (chạy trong đô thò),
hỗn hợp tạo ra 1 khu vực đồng nhất và một khu vực phân
lớp (tỷ lệ air/fuel từ 20:1 đến 30:1). Để tạo được hỗn hợp
này, nhiên liệu được phun vào 2 lần trong 1 chu trình của
động cơ: một là trong kỳ nạp, và một vào kỳ nén.
- Khi động cơ hoạt động ở tải vừa, hỗn hợp tạo ra
đồng nhất (tỷ lệ air/fuel từ 15:1 đến 23:1).
- Và cuối cùng, ở chế độ toàn tải, hỗn hợp cũng
được tạo ra đồng nhất nhưng tỷ lệ air/ fuel từ 12:1 đến 15:1.
Để phun nhiên liệu vào buồng đốt, Toyota đã sử dụng
hệ thống common –rail với áp suất từ 8 MPA – 13 MPA. Ngoài
ra, Toyota còn bố trí thêm kim phun phụ ở đường ống nạp khi
động cơ khởi động.
Với hệ thống VVT – i và sự tăng tỷ số nén của động
cơ đạt đến 10:1, công suất của động cơ GDI này tăng hơn
10% nhưng nhiên liệu tiêu thụ giảm khoảng 2% so với động
cơ PFI cùng kết cấu. Cũng tương tự như Mitsubishi, Toyota đã
gắn bộ xúc tác dual – catalytic cho động cơ này nên hàm
lượng khí thải ô nhiễm cũng giảm đáng kể.
Toyota đã cho ra đời thế hệ
thứ hai động cơ GDI vào năm
1999, với kết cấu buồng đốt như
hình 2.6 – 7.

Hình 2.6 – 7 Kết cấu buồng đốt động cơ
Toyota GDI thế hệ thứ hai.
25