Nghiên cứu khai thác hệ thống phun xăng điện tử trực tiếp GDI (gasoline direct injection)

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN


NHẬN XÉT CỦA GIÁO KIỂM DUYỆT
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................

.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
GIÁO VIÊN KIỂM DUYỆT


MỤC LỤC
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG..............................................4
PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ.................................................................................4
CHƯƠNG II: HỆ THỐNG PHUN XĂNG TRỰC TIẾP...........................23
CHƯƠNG III: NHỮNG HƯ HỎNG THƯỜNG GẶP..............................86
BẢO DƯỠNG VÀ SỬA CHỮA...................................................................86
ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG TRỰC TIẾP......................................................86
KẾT LUẬN....................................................................................................93
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................94

LỜI NÓI ĐẦU
Động cơ đốt trong ra đời đã đánh dấu một bước ngoặt lớn trong lịch sử
phát triển của ngành vận tải thế giới. Kể từ đó loài người đã dần đuợc cơ giới

hoá, được bớt đi những công việc lao động nặng nhọc mà trước đây họ chỉ
biết dùng sức người, sức ngựa hoặc sức động vật khác. Trải qua quá trình phát
triển lâu dài, động cơ ngày nay đã được hiện đại hoá rất nhiều và xu thế phát
triển một động cơ hiện đại có đầy đủ các tính năng ưu việt như: đạt đựơc công
suất lớn, có mức tiêu hao nhiên liệu thấp, tính kinh tế cao và đặc biệt là độ
độc hại trong khí thải phải phù hợp với những yêu cầu khắt khe. Đạt đuợc
những thành tựu này chính là nhờ việc ứng dụng của vi điều khiển vào kỹ
thuật điều khiển động cơ. Nhờ đó mà động cơ được chuyển đổi từ điều khiển
cơ khí sang điều khiển điện tử
Ngành công nghiệp ô tô Việt Nam tuy mới phát triển nhưng cũng đã đạt
được những thành tựu đáng kể. Tuy nhiên do trình độ kỹ thuật và cơ sở vật
chất còn tuơng đối ngèo nàn do vậy chúng ta không có đủ khả năng để sản
suất ra những chiếc động cơ hiện đại. Đại đa số các xe trên thị truờng chúng
ta sử dụng là dạng xe nhập và lắp ráp. Do vậy mà việc nghiên cứu khai thác
1


các xe ở Việt Nam là hết sức quan trọng. Nhất là ngày nay khi mà hệ thống
điều khiển trên xe đã trở lên rất phức tạp thì việc nghiên cứu khai thác chúng
càng quan trọng hơn.
Xuất phát từ những nhu cầu thực tế quan trọng đó, em được giao nhiệm
vụ đồ án tốt ngiệp với đề tài “Nghiên cứu khai thác hệ thống phun xăng
điện tử trực tiếp GDI (Gasoline Direct Injection)”. Đến nay đề tài đã được
hoàn thành bao gồm các nội dung chính như sau:
Chương I. Tổng quan về hệ thống phun xăng điện tử.
Chương II. Nghiên cứu hệ thống phun xăng trực tiếp GDI.
Chương III. Một số hư hỏng thường gặp, cách sửa chữa và kiểm tra.
Trong quá trình làm đồ án, em được sự gúp đỡ, chỉ bảo tận tình của
thầy hướng dẫn TS. Đỗ Tiến Dũng cùng các thầy trong khoa Kỹ Thuật ô tô &
Máy Động Lực nên đã có thể hoàn thành đồ án đúng tiến độ được giao.

Do hạn chế về mặt thời gian, năng lực bản thân đồng thời đây là những
hệ thống mới nên đồ án của em còn rất nhiều thiếu xót. Em rất mong nhận
được sự đóng góp của các thầy, các bạn để đồ án của em được hoàn chỉnh
hơn.
Em xin trân thành cảm ơn !

Thái Nguyên, ngày 06 tháng 06 năm 2016
Sinh viên thực hiện

Lý Văn Sơn
2


3


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG
PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ
1.1.

Hệ thống phun xăng điện tử

1.1.1. Khái niệm hệ thống phun xăng điện tử
Hệ thống phun xăng là hệ thống mà xăng được phun chủ động vào
đường nạp hoặc vào trong xy lanh động cơ với một áp suất và một lượng nhất
định để tạo hỗn hợp cháy có độ tơi cao theo yêu cầu của các chế độ làm việc
cụ thể của động cơ, nhằm nâng cao tính kinh tế và giảm ô nhiễm môi trường.
Hệ thống phun xăng có điểu khiển điện tử là hệ thống có thể điều khiển
được lượng nhiên liệu phun hoặc điều khiển được cả lượng nhiên liệu phun,
thời điểm phun và thời điểm đánh lửa phù hợp với chế độ làm việc và điều

kiện môi trường khai thác động cơ.
Cụ thể là
- Đối với trường hợp phun xăng vào đường nạp hoặc họng xupap nạp thì
có 2 dạng hệ thống phun:
+ Chỉ điều khiển được lượng phun.
+ Điều khiển cả lượng phun và thời điểm đánh lửa.
- Đối với trường hợp phun xăng trực tiếp vào xy lanh thì hệ thống điều
khiển đồng thời cả lượng phun, thời điểm phun và thời điểm đánh lửa.
Các hệ thống điều khiển chỉ điều khiển lượng nhiên liệu phun được gọi
là hệ thống phun kiểu Jectronic, các hệ thống điều khiển tích hợp cả lượng
xăng phun, thời điểm phun và thời điểm đánh lửa được gọi là hệ thống phun
xăng kiểu Motronic.

4


1.1.2. Lịch sử hình thành và phát triển
Vào cuối thế kỷ XIX, người Đức đã cho phun nhiên liệu vào buồng
cháy nhưng không mang lại hiệu quả nên không được thực hiện. Đến năm
1887 người Mỹ đã có đóng góp to lớn trong việc triển khai hệ thống phun
xăng vào sản xuất, áp dụng trên động cơ tĩnh tại (nhiên liệu dùng trên động cơ
máy là dầu hỏa nên hay bị kích nổ và hiệu suất thấp), với sự đóng góp này đã
đưa ra một công nghệ chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu máy bay ở Đức.
Từ đó trở đi, hệ thống phun xăng được áp dụng trên các ô tô ở Đức và
nó đã thay dần động cơ sử dụng chế hòa khí. Hãng BOSCH đã áp dụng hệ
thống phun xăng trên ô tô hai thì bằng cách cung cấp nhiên liệu với áp lực cao
và sử dụng phương pháp phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng đốt nên giá
thành chế tạo cao và hiệu quả lại thấp với kỹ thuật này đã được ứng dụng
trong thế chiến thứ II.
Việc nghiên cứu ứng dụng hệ thống phun xăng bị gián đoạn trong 1

khoảng thời gian dài do chiến tranh, đến năm 1962 người Pháp phát triển nó
trên ô tô Peugeot 404.Họ điều khiển sự phân phối nhiên liệu bằng cơ khí nên
hiệu quả không cao và công nghệ vẫn chưa đáp ứng tốt. Đến năm 1966 hãng
BOSCH đã thành công trong việc chế tạo hệ thống phun xăng cơ khí. Trong
hệ thống này nhiên liệu được phun liên tục vào trước xupap nên có tên là KJetronic. K-Jetronic được đưa vào sản xuất và ứng dụng trên các xe của hãng
Mercedes và một số xe khác, là nền tảng cho việc phát triển hệ thống phun
xăng thế hệ sau này.

5


1.1.3. Phân loại hệ thống phun xăng điện tử
a. Theo cách điều khiển vòi phun.
Điều khiển bằng cơ khí: Trong hệ thống loại này việc dẫn động, điều
khiển, điều chỉnh định lượng hỗn hợp được thực hiện theo một số nguyên lý
cơ bản như động học, động lực học, cơ học chất lỏng…
Điều khiển bằng điện tử: Ở hệ thống phun xăng loại này một loạt các
cảm biến sẽ cung cấp thông tin dưới dạng tín hiệu điện cho một thiết bị tính
toán (ECU). Sau khi xử lý các thông tin này, ECU sẽ xác định lượng nhiên
liệu cần cung cấp cho động cơ theo một chương trình tính toán đã được lập
trình sẵn và chỉ huy sự hoạt động của các vòi phun xăng.
b. Theo số lượng điểm phun
Phun đơn điểm (Single Point Injection): Đây là loại phun trung tâm. Kim
phun được bố trí trên cánh bướm ga (phun trên đường ống nạp). Nhược điểm
của hệ thống này là tốc độ dịch chuyển của hòa khí tương đối thấp do nhiên
liệu được phun ở vị trí xa xupap hút và khả năng thất thoát trên đường ống
nạp.
Phun đa điểm (Muli Point Fuel Injection): Đây là hệ thống phun nhiên liệu
đa điểm, với mỗi kim phun cho từng xy lanh được bố trí gần xupap nạp. Ống
góp hút được thiết kế sao cho đường đi của không khí từ bướm ga đến xylanh

khá dài, nhờ vậy nhiện liệu phun ra được hòa trộn tốt với không khí nhờ xoáy
lốc. Nhiên liệu cũng không còn thất thoát trên đường ống nạp. Hệ thống phun
xăng đa điểm ra đời đã khắc phục được các nhược điểm cơ bản của hệ thống
phun xăng đơn điểm.

6


c. Theo cách thức phun
Phun gián tiếp, EFI (Electronic Fuel Injection): Vòi phun được bố trí trên
đường ống nạp hoặc ngay phía trước xupap nạp.

Hình 1.1: Hệ thống phun xăng gián tiếp, EFI
Phun trực tiếp, GDI (Gasoline Direct Injection): Vòi phun được bố trí trực
tiếp trong xy lanh.

1: Đường nạp, 2: Xupap nạp, 3: Bugi
4: Xupap thải, 5: Vòi phun xăng, 6: Piston
Hình 1.2: Hệ thống phun xăng trực tiếp GDI
7


d. Theo nguyên lý lưu lượng khí nạp
Hệ thống phun xăng dùng lưu lượng thể tích: Thiết bị này làm việc theo
nguyên tắc đo lực của dòng khí tác động lên một cửa đo quay quanh một trục
lắp trên đường nạp. Góc quay của nó phụ thuộc vào lưu lượng khí nạp và được
xác định bởi một điện kế. Như vậy, thiết bị sẽ cung cấp một tín hiệu điện tỷ lệ
với lưu lượng khí cho ECU.
Hệ thống phun xăng dùng lưu lượng kế khối lượng kiểu dây nóng: Một sợi
dây kim loại rất mảnh được căng ở một vị trí đo trong đường nạp. Khi lưu

lượng khí thay đổi thì nhiệt độ và điện trở của dây cũng thay đổi theo. Một
mạch điện tử cho phép điều chỉnh tự động dòng điện đốt nóng dây. Dòng điện
này sẽ tỷ lệ với lưu lượng khí nạp vào trong xy lanh động cơ. Theo nguyên tắc
này, việc đo nhiệt độ khí có thể không còn cần thiết nữa, vì lưu lượng khối
lượng được đo trực tiếp nên độ chính xác của phép đo không bị ảnh hưởng bởi
những dao động của nhiệt độ khí như phương pháp trên.
Hệ thống phun xăng dùng lưu lượng kế thể tích: Thiết bị này làm việc theo
nguyên tắc đo lực của dòng khí tác động lên một cửa đo quay quanh một trục
lắp trên đường nạp. Góc quay của nó phụ thuộc vào lưu lượng khí nạp và được
xác định bởi một điện kế. Như vậy, thiết bị sẽ cung cấp một tín hiệu điện tỷ lệ
với lưu lượng khí cho ECU. Để tăng độ chính xác của phép đo, người ta sử
dụng thêm một nhiệt kế để đo nhiệt độ không khí trong đường nạp.
Hệ thống phun xăng dùng lưu lượng kế khối lượng kiểu dây nóng: Một sợi
dây kim loại rất mảnh được căng ở một vị trí đo trong đường nạp. Khi lưu
lượng khí nạp thay đổi thì nhiệt độ và điện trở của dây cũng thay đổi theo. Một
mạch điện tử cho phép điều chỉnh tự động dòng điện đốt nóng dây. Dòng điện
này sẽ tỷ lệ với lưu lượng khí được nạp vào trong xy lanh động cơ. Theo
nguyên tắc này, việc đo nhiệt độ khí có thể không còn cần thiết nữa, vì lưu
8


lượng khối lượng được đo trực tiếp, nên độ chính xác của phép đo không bị
ảnh hưởng bởi những dao động của nhiệt độ khí như phương pháp trên.
Hệ thống phun xăng dùng lưu lượng kế khối lượng kiểu tấm nóng: Hệ
thống này hoạt động theo nguyên lý tương tự như hệ thống trên. Việc thay thế
dây kim loại bằng 2 tấm kim loại gốm mỏng cho phép tăng độ bền vững của
thiết bị đo và hạn chế ảnh hưởng do bụi hoặc rung động. Hai tấm kim loại
gốm này có điện trở phụ thuộc nhiệt độ được mắc thành cầu điện trở, một
dùng để đo lưu lượng và một dùng để đo nhiệt độ khí.
Hệ thống phun xăng đo lưu lượng kiểu áp suất – tốc độ: Ở hệ thống

phun xăng loại này, lượng khí nạp được xác định thông qua áp suất tuyệt đối
trong đường ống nạp và chế độ tốc độ của động cơ, dựa vào các thông số hay
đặc tính chuẩn đã được xác định từ trước (có tính đến biến thiên áp suất trong
quá trình nạp). Các đầu đo được sử dụng thường là cảm biến áp suất kiểu áp
điện – điện trở, kết hợp với nhiệt kế để đo nhiệt độ khí nạp. Trong thực tế, khi
khởi động động cơ, do nhiệt độ thấp nên mật độ không khí tăng, ở cùng một
áp suất thì lượng khí nạp thực tế sẽ lớn hơn lượng tính toán, dẫn đến hỗn hợp
nhạt có thể gây chết máy. Dựa trên thông tin về nhiệt độ không khí do cảm
biến cung cấp, ECU sẽ tăng lượng xăng phun ra khi nhiệt độ khí nạp thấp.
Phép đo lưu lượng kiểu này thường được áp dụng cho các hệ thống phun xăng
một điểm (hệ thống Bosch mono- Jetronic). Với phương án sử dụng cảm biến
kiểu áp suất – tốc độ có một số ưu điểm như: kết cấu đơn giản,dễ lắp đặt điều
chỉnh, giá thành hạ; ít gây thêm sức cản khí động phụ trên đường nạp. Tuy
nhiên nó có một số nhược điểm như: không đo trực tiếp lưu lượng khí và nhạy
cảm với dao động áp suất và nhiệt độ trên đường nạp.
Hệ thống phun xăng dùng lưu lượng kế siêu âm theo hiệu ứng
Karrman – Vortex: Một cơ cấu đặc biệt được lắp trên đường nạp nhằm tạo ra

9


các chuyển động xoáy lốc của không khí ở một vị trí xác định. Số lượng các
vòng xoáy lốc sẽ tỷ lệ với lưu lượng thể tích. Một nguồn sóng siêu âm đặt trên
thành ống nạp, phát sóng có tần số xác định theo phương vuông góc với dòng
chảy không khí. Tốc độ lan truyền của sóng siêu âm xuyên qua dòng khí phụ
thuộc vào lượng khí chuyển động xoáy. Một thiết bị nhận sóng siêu âm sẽ đo
tốc độ này và gửi tín hiệu điện đến bộ điều khiển trung tâm.
1.2.

Nguyên lý làm việc của hệ thống phun xăng điện tử

1.2.1. Sơ đồ cấu tạo

Hình 1.3. Sơ đồ cấu tạo hệ thống phun xăng điện tử
1- Hộp than hoạt tính
2- Modul chẩn đoán dò lọt xăng
3. Van thông hơi
4- Bơm không khí thứ cấp
10


5- Van cấp không khí thứ cấp
6- Cảm biến đo lưu lượng không khí cùng với cảm biến nhiệt độ
7- Cảm biến áp suất trong đường nạp
8- Đoạn ống nạp có kích thước hình học được thay đổi
9- Ống phân phối xăng
10- Vòi phun điện từ
11- Cảm biến và cơ cấu chấp hành thay đổi pha phối khí
12- Cuộn đánh lửa cùng với bugi
13- Cảm biến pha của trục cam
14- Cảm biến góc mở của bướm ga
15- Van điều chỉnh chạy không tải, sấy nóng
16- Bướm ga
17- Van hồi lưu khí thải
18- Cảm biến kích nổ
19- Cảm biến nhiệt độ động cơ
20- Cảm biến Lamđa trước bộ xử lý khí thải
21- ECU
22- Cảm biến tốc độ động cơ
23- Bộ xử lý khí thải xúc tác 3 chức năng

24- Giao diện chẩn đoán
11


25- Đèn check
26- Giao diện với ECU của xe
27- Giao diện với ECU của hệ thống truyền động
28- Giao diện mạng cục bộ
29- Thùng xăng
30- Cảm biến áp suất trong thùng xăng
31- Đường dẫn nhiên liệu
32- Bơm xăng, bầu lọc xăng và bộ điều chỉnh áp suất xăng
33- Cảm biến Lamđa sau bộ xử lý khí thải.
1.2.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống phun xăng điện tử
-

Chế độ khởi động lạnh: bướm ga đóng, động cơ nhiệt quay bởi máy

khởi động nhiệt. Khí nạp đi qua cảm biến lưu lượng gió vòi phun chính phun
nhiên liệu với lưu lượng nhỏ, vòi phun khởi động lạnh phun bổ sung tạo hỗn
hợp đậm. Khi động cơ đã hoạt động, vòi phun khởi động lạnh tự tắt, động cơ
chuyển sang chế độ không tải.
-

Chế độ không tải: bướm ga vẫn đóng van khí phụ mở đường khí qua

bướm ga theo 3 mức độ: nhỏ, vừa và lớn.
+ Mở nhỏ ứng với chế độ làm việc không toàn tải của động cơ, giữ cho
động cơ làm việc ổn định, không bị tắt máy, lượng xăng phun từ vòi chính
nhỏ.

+ Mở vừa ứng với chế độ động cơ kéo thiết bị phụ tiêu hao công suất (điều
hòa, đèn chiếu sáng..) lượng xăng từ vòi chính tăng lên.
+ Mở lớn dùng cho chế độ chuyển sang có tải.

12


-

Chế độ có tải: bướm ga mở lớn, lưu lượng khí cấp vào nhiều, lượng

xăng phun ra phụ thuộc vào tín hiệu từ các cảm biến.
1.3.

Ưu, nhược điểm của hệ thống phun xăng điện tử

1.3.1. Ưu điểm
- Giảm mức tiêu hao nhiên liệu cho động cơ: hệ thống phun xăng cho
phép định lượng nhiên liệu rất chính xác, phù hợp với hai điều kiện làm việc
của động cơ, có tính đến các yếu tố vận hành như: điều kiện môi trường (nhiệt
độ, áp suất, độ ẩm), tình trạng kỹ thuật, sự cố và các yếu tố khác như mức độ
độc hại khí thải của động cơ. Việc phun xăng vào xupap nạp cho phép phân
bố tốt hỗn hợp hòa khí cho từng xy lanh và tránh được các vấn đề hay gặp
phải ở bộ chế hòa khí cổ điển trước đây, nhất là hiện tượng hơi xăng ngưng
đọng trên đường nạp và tình trạng hỗn hợp không đồng nhất (đậm nhạt không
đều ở các xy lanh khác nhau). Trên một số hệ thống phun xăng hiện đại còn
có thể cho phép điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp của từng vòi phun để
tính đến tình trạng hao mòn của từng xy lanh riêng biệt.
- Tăng công suất cho động cơ: Ở động cơ phun xăng sức cản khí động
trên đường được giảm bớt do không có bộ chế hòa khí. Kết cấu đường nạp có

thể được tối ưu hóa để nạp đầy tối đa trong mọi chế độ vận hành. Bộ điều
khiển trung tâm của một số hệ thống hệ thống phun xăng hiện đại (Bsoch
Motronic, Marelli Weber, Poerburg Ecojec M, Siemens fenix 4,…) điều khiển
đồng thời cả hai hệ thống (phun xăng và đánh lửa). Nhờ đó, cho phép tối ưu
hóa cả hai quá trình này để tăng hiệu suất của động cơ.
- Động cơ làm việc tốt và ổn định ở mọi chế độ hoạt động: Các quá trình
điều khiển bằng điện – điện tử có quán tính rất nhỏ. Hiệu quả gia tốc đạt được
gần như tức thời do xăng được phun ngay gần xupap nạp. Đồng thời, có thể
rút ngắn và tối ưu hóa quá trình khởi động, sấy nóng động cơ; tăng độ làm
việc ổn định của động cơ ở chế độ không tải. Khi sử dụng hệ thống phun
xăng, động cơ hoạt động tốt trong mọi điều kiện địa hình và thời tiết, không
13


phụ thuộc vào tư thế của xe (lên xuống dốc cao và cua gấp…).
- Khí thải thân thiện với môi trường: Do xăng được phun ra dưới dạng
sương mù (đường kính hạt chỉ vài trăm μm) nên hỗn hợp nhiên liệu - không
khí được chuẩn bị tốt hơn, phân phối đều hơn trong các xy lanh nên động cơ
vận hành tốt hơn. Việc sử dụng tín hiệu từ cảm biến Lamda kết hợp với bộ xử
lý khí thải cho phép đạt được hỗn hợp chuẩn ở các chế độ làm việc mong
muốn của động cơ và giảm đến mức cho phép các thành phần độc hại trong
khí thải.
1.3.2. Nhược điểm
Ngoài những ưu điểm trên. Hệ thống phun xăng còn có một số điểm hạn
chế so với hệ thống nhiên liệu xăng dùng bộ chế hòa khí.
- Cấu tạo của hệ thống phức tạp, yêu cầu khắt khe về chất lượng xăng và
không khí (chất lượng lọc phải rất tốt), công tác bảo dưỡng sửa chữa khó, đòi
hỏi trình độ chuyên môn cao.
- Giá thành còn đắt.
- Độ tin cậy phụ thuộc nhiều vào hệ thống điều khiển.

Tuy nhiên, với đà phát triển hiện nay của kỹ thuật phun xăng, với sự giảm
giá thành liên tục của các linh kiện, thiết bị điện tử và nhất là với những quy
định càng ngày càng ngặt nghèo về mức độ độc hại của khí xả, các hệ thống
phun xăng sẽ ngày càng được sử dụng rộng rãi trên các phương tiện cơ giới
đường bộ.
1.4.

Một số hệ thống được trang bị trên hệ thống phun xăng điện tử

1.4.1. Hệ thống phân phối khí
- Bướm ga : Bàn đạp chân ga được kết nối với bướm ga thông qua cơ
cấu dẫn động thanh hoặc dẫn động cáp. Vị trí của bàn đạp chân ga sẽ xác định
độ mở của bướm ga. Độ mở này sẽ điều khiển lượng không khí nạp vào xy
lanh động cơ.
14


- Van điều chỉnh chạy không tải, sấy nóng: Van này cho phép không khí
nạp đi vòng qua bướm ga với một lưu lượng xác định. Đây là biện pháp để
giữ tốc độ động cơ ở mức không đổi khi chạy không tải cầm chừng. Để thực
hiện việc này, ECU của động cơ sẽ điều khiển tiết diện lưu thông của rãnh
không tải nối tắt qua bướm ga.
- Cảm biến xác định chế độ tải của động cơ: Tải động cơ là một thông
số vận hành quan trọng đối với quá trình điều khiển động cơ bằng điện tử. Nó
là thước đo lượng khí nạp có trong xy lanh tại thời điểm cháy. Đây là thông số
quyết định cho việc tính toán thời gian phun.
- Cảm biến lưu lượng khí nạp: Cảm biến lưu lượng khí nạp được bố trí
ở giữa bầu lọc không khí và bướm ga. Nó xác định lưu lượng (tính theo m 3/h)
của không khí nạp. Khi khí nạp tác động trực tiếp một lực lên cửa đo của cảm
biến lưu lượng sẽ làm nó lệch đi một góc. Góc lệch của cửa đo tỷ lệ với lưu

lượng khí nạp vào xy lanh. Tín hiệu góc lệch này được biến đổi thành tín hiệu
điện áp thông qua bộ điện áp. Trong trường hợp tính đến sự thay đổi tỷ trọng
của khí nạp theo nhiệt độ thì cảm biến áp lưu lượng khí nạp được tích hợp
thêm cảm biến nhiệt độ. Tín hiệu của cảm biến nhiệt độ khí nạp được ECU sử
dụng để tính toán hệ số hiệu chỉnh. Trước đây, cảm biến lưu lượng khí nạp là
một bộ phận tiêu chuẩn của hệ thống Motronic nhưng hiện nay nó dần được
thay thế bởi cảm biến khối lượng khí nạp.
- Cảm biến khối lượng khí nạp: Cảm biến khối lượng khí nạp cũng được
bố trí giữa bầu lọc không khí và bướm ga để xác định khối lượng (tính theo
kg/h) không khí nạp vào xy lanh. Cảm biến khối lượng khí nạp kiểu sợi đốt và
kiểu màng nóng là các cảm biến kiểu tải trọng nhiệt. Chúng hoạt động theo
cùng một nguyên lý là dòng khi nạp khi đi qua phần tử nóng của cảm biến sẽ
lấy nhiệt từ nó. Cường độ dòng điện cấp cho phần tử cảm biến để nó có nhiệt
độ không đổi sẽ tỷ lệ với khối lượng khí nạp thổi qua nó. Mạch đo của cảm
biến sẽ xử lý cường độ dòng điện và tạo ra một tín hiệu điện áp tương ứng.

15


Trong cảm biến khối lượng khí nạp kiểu sợi đốt phần tử cảm biến là một dây
platin mỏng và còn được gọi là “sợi đốt”. Trong cảm biến khối lượng khí nạp
kiểu màng nóng, phần tử đo là một tấm platin mỏng, còn gọi là “màng nóng”,
được đặt cùng với các bô phận khác của cảm biến trong một vỏ gốm. Cảm
biến khối lượng khí nạp kiểu màng nóng còn có khả năng nhận diện và tính
toán cả lượng khí “thổi ngược” qua cảm biến.
- Cảm biến áp suất không khí trong đường ống nạp: Cảm biến áp suất
khí nạp được lắp trên đường nạp và đo áp suất tuyệt đối trong đường nạp. Dựa
vào giá trị áp suất trong đường nạp, nhiệt độ khí nạp và tốc độ động cơ sẽ tính
toán được khối lượng khí nạp vào trong xy lanh.
- Cảm biến vị trí bướm ga: Cảm biến vị trí bướm ga dùng để xác định vị

trí của bướm ga và tạo ra một tín hiệu ra dạng tương tự. Tín hiệu này thường
chỉ được sử dụng như là tín hiệu tải thứ cấp. Nó cung cấp những thông tin bổ
sung cho chức năng động lực học, cho việc xác định khoảng vận hành của
động cơ (chế độ không tải, bướm ga mở nhỏ, bướm ga mở lớn). Nó cũng là
tín hiệu tải dự phòng khi tín hiệu tải chính bị lỗi. Nếu cảm biến vị trí bướm ga
được sử dụng là tín hiệu tải chính thì nó cần có độ chính xác cao hơn (có thể
sử dụng hai bộ đo điện thế và ổ đỡ của van có chất lượng cao). Khối không
khí nạp vào động cơ được tính toán từ hai yếu tố là độ mở của bướm ga và tốc
độ động cơ. Sự thay đổi tỷ trọng khí nạp theo nhiệt độ sẽ được xét đến thông
qua việc đo nhiệt độ khí nạp.
- Hệ thống tuần hoàn khí thải: Việc tuần hoàn khí thải sẽ làm tăng hàm
lượng khí trơ trong lượng khí nạp mới đi vào trong xy lanh động cơ. Hệ thống
tuần hoàn khí thải sẽ tạo đường nối giữa hệ thống thải với đường nạp của
động cơ. Sự thay đổi về độ mở của van tuần hoàn khí thải sẽ điều khiển lượng
khí thải được hút ngược trở lại xy lanh (tỷ lệ khí thải tuần hoàn). Việc tuần
hoàn khí thải sẽ làm giảm nhiệt độ cháy cực đại và giảm hàm lượng NOx trong
khí thải. Độ mở của van tuần hoàn khí xả được điều khiển trực tiếp bởi tín

16


hiệu PWM (pulse-width modulation) từ ECU, thông qua một cơ cấu chấp
hành kiểu điện khí nén. Gần đây, van tuần hoàn khí xả cũng có thể được điều
khiển trực tiếp bằng điện và có khả năng hồi tiếp vị trí. Chính vì vậy, nó có
khả năng kiểm soát chính xác độ mở của van. Mức độ tuần hoàn khí xả cho
phép chủ yếu phụ thuộc vào tình trạng và điều kiện vận hành của động cơ (ví
dụ như nhiệt độ động cơ). Nếu mức độ tuần hoàn khí thải quá lớn, quá trình
cháy xảy ra muộn, thâm chí động cơ bị “mất lửa” và gây ra hiện tượng vận
hành không ổn định của động cơ. Những điều này cần được tính đến khi tính
toán mức độ tuần hoàn khí thải cho một loại động cơ riêng biệt

- Đường ống nạp thay đổi hình dạng: Đường nạp có khả năng thay đổi
hình dạng có thể được sử dụng để tăng cường khả năng tăng áp quán tính cho
động cơ. Với việc sử dụng đường nạp có khả năng thay đổi hình dạng sẽ tăng
khả năng nạp đầy và do vậy sẽ cải thiện đặc tính mô men của động cơ. Hình
dạng đường nạp được thay đổi bởi ECU của động cơ, thông qua tín hiệu điện
hoặc bằng các cánh được điều khiển bằng điện khí nén và phụ thuộc vào trạng
thái vận hành của động cơ (nhất là tốc độ và chế độ tải).
- Tăng áp bằng tua bin khí thải: Tăng áp bằng tua bin khí thải là một
biện pháp khác để tăng lượng môi chất nạp và cải thiện đặc tính mô men của
động cơ. Bộ tua bin máy nén được bố trí trên đường thải của động cơ. Trong
quá trình đi qua máy nén, khí nạp bị sấy nóng. Do vậy, trong một số trường
hợp nó được làm mát trước khi đi vào động cơ. Áp suất khí tăng áp được điều
chỉnh theo trạng thái vận hành của động cơ. Tại chế độ tốc độ cao và mô men
xoắn yêu cầu lớn, lượng khí thải ra từ động cơ quá lớn (dẫn đến áp suất khí
tăng áp nạp vào xylanh lớn) và có thể dẫn đến hiện tượng quá tải cho động cơ
nếu không có biện pháp xử lý phù hợp. Khi đó, một phần khí thải sẽ không đi
qua bộ tua bin mà đi qua van xả. Do vậy, sẽ giới hạn tốc độ của tua bin cũng
như áp suất khí tăng áp trong đường nạp. Độ mở của van xả được kiểm soát
bởi van kiểm soát áp suất khí tăng áp (điều khiển bằng điện khí nén). Van
17


kiểm soát áp suất khí tăng áp được điều khiển bởi ECU thông qua tín hiệu
kiểu PWM.
- Cơ cấu phối khí thông minh (Variable Valve Timing): Cơ cấu phối khí
thông minh có thể thay đổi pha phối khí tùy theo chế độ vận hành của động cơ
nhằm mục đích tăng mô men xoắn đầu ra và giảm lưọng khí thải độc hại.
Thông qua việc thay đổi pha của trục cam nạp, sẽ làm thay đổi góc trùng điệp
và do vậy sẽ làm thay đổi tỷ lệ khí trơ trong hỗn hợp môi chất nạp vào xylanh.
1.4.2. Hệ thống nhiên liệu

- Bơm nhiên liệu: Bơm nhiên liệu sử dụng trong hệ thống M-Motronic là
dạng bơm điện. Bơm sẽ chuyển nhiên liệu từ thùng chứa qua đường ống, với
áp suất nhiên liệu được xác định bởi bộ điều chỉnh áp suất. Trong các hệ
thống cũ, bơm nhiên liệu được đặt ngoài thùng xăng trên đường truyền nhiên
liệu.
- Bầu lọc nhiên liệu: Bầu lọc có nhiệm vụ lọc tạp chất, cặn bẩn ra khỏi
nhiên liệu, giúp bảo vệ các bộ phận của hệ thống phun xăng khỏi bị tắc nghẽn
và hư hỏng. Bầu lọc nhiên liệu có thể lắp trên đường ống cấp hoặc bố trí trong
thùng nhiên liệu.
- Bộ điều chỉnh áp suất nhiên liệu: Bộ điều chỉnh áp suất giữ cho áp
suất nhiên liệu trong hệ thống ở mức xác định trước, thông qua việc xả lượng
nhiên liệu thừa về thùng chứa. Trong hệ thống phun có đường nhiên liệu hồi,
bộ điều chỉnh áp suất thường được lắp ở cuối dàn phân phối. Bộ điều chỉnh áp
suất sử dụng tín hiệu độ chân không trong đường nạp để đảm bảo sự chênh
lệch không đổi về áp suất giữa vòi phun và đường nạp. Trong hệ thống phun
không có đường nhiên liệu hồi, áp suất trong mạch phun được giữ có mức
chênh lệch không đổi so với áp suất môi trường. Khi đó, sự thay đổi về mức
chênh lệch giữa áp suất nhiên liệu và áp suất trong đường nạp sẽ được xét đến
khi tính toán thời gian phun. Với hệ thống kiểu này, bộ điều chỉnh áp suất
thường được tích hợp trong thùng chứa. Tùy theo kiểu của hệ thống phun
18


xăng có thể có thêm bộ dập dao động áp suất.
- Hệ thống kiểm soát lượng nhiên liệu bay hơi: Nhiệm vụ của hệ thống
này là đảm bảo hơi nhiên liệu không bị thất thoát ra môi trường. Lượng nhiên
liệu bay hơi từ thùng chứa được hấp thụ bởi hộp chứa than hoạt tính trong hệ
thống thu hồi hơi nhiên liệu. Hơi nhiên liệu chứa trong hộp than hoạt tính
được hút đường nạp qua van dừng và sau đó vào xy lanh. Quá trình hút hơi
nhiên liệu này sẽ tái sinh khả năng hấp thụ của hộp chứa than hoạt tính. ECU

của động cơ sẽ điều khiển dòng khí sạch qua van tái sinh tuỳ thuộc vào tình
trạng vận hành của động cơ.
- Dàn phân phối nhiên liệu: Nhiên liệu do bơm điện cung cấp sẽ được
dẫn vào dàn phân phối, từ đây nhiên liệu được phân phối đến các vòi phun.
- Vòi phun xăng điện từ: vòi phun điện từ được bố trí nhô vào trong
đường nạp sao cho tia nhiên liệu phun trực tiếp vào diện tích phía trước nó
hoặc vào họng xu páp nạp. Tại đó nhiên liệu được hòa trộn với không khí tạo
hỗn hợp cháy. Mỗi vòi phun phụ trách việc cấp nhiên liệu cho một xy lanh.
Các vòi phun được điều khiển bởi ECU. Thời gian mở của vòi phun sẽ xác
định lượng nhiên liệu được cung cấp. Tuỳ thuộc vào kiểu phun, các vòi phun
có thể hoạt động đồng thời hoặc riêng biệt. Các hệ thống phun xăng thế hệ
mới chỉ sử dụng kiểu phun theo dãy hoặc phun cho mỗi xylanh riêng biệt.
Nhiên liệu được phun vào mỗi xy lanh một các chính xác về lượng phun và
thời điểm phun. Tầng tín hiệu điều khiển ra (Output-Stage module) sẽ cấp tín
hiệu điều khiển vòi phun và nó được tích hợp trong ECU.
1.4.3. Hệ thống đánh lửa
- Cuộn dây đánh lửa: Cuộn dây đánh lửa là bộ phận dự trữ năng lượng
điện để đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu và tạo cao áp cao theo yêu cầu (của hệ
thống đánh lửa) nhằm tạo ra tia lửa giữa hai cực của bugi. Cuộn dây đánh lửa
được gắn trực tiếp vào bugi. Nói cách khác, đây là hệ thống đánh lửa gồm bộ
chia cao áp tĩnh và cuộn dây đánh lửa đơn. Nó có cuộn đánh lửa tách biệt để
tạo cao áp cho mỗi xylanh. Hiện nay, hệ thống đánh lửa kép (dual-spark
19


ignition coil) cũng được sử dụng khá phổ biến (gồm 2 bugi được cung cấp cao
áp từ cùng một cuộn đánh lửa). Hệ thống đánh lửa dùng một cuộn đánh lửa sẽ
yêu cầu một bộ quay cơ khí để phân phối cao áp đến các bugi. Cấu hình này
không còn được sử dụng trên các hệ thống phun xăng thế hệ mới.
- Bugi: Bugi của hệ thống đánh lửa có chức năng tạo tia lửa điện để đốt

cháy hỗn hợp nhiên liệu trong xy lanh động cơ.
1.4.4. Hệ thống kiểm soát ô nhiễm
- Bộ xử lý khí thải kiểu xúc tác 3 đường: Bộ xử lý khí thải kiểu xúc tác
3 đường biến đổi những chất độc hại trong khí thải như: Cacbon monoxyt
(CO), Hydrocacbon (HC) và ôxít nitơ (NO x) thành hơi nước (H2O), nitơ phân
tử (N2) và Cacborn dioxyt (CO2).
- Cảm biến lamđa: Cảm biến lamđa sẽ đo hàm lượng ô xy dư trong khí
thải động cơ. Nó cung cấp thông tin về thành phần hỗn hợp cháy (mức độ
đậm nhạt) đã nạp vào xylanh trước đó. ECU của động cơ sẽ sử dụng thông tin
từ cảm biến lamđa để duy trì hỗn hợp hợp cháy có thành phần trung hòa (hệ
số dư lượng không khí λ=1). Với thành phần hỗn hợp cháy như vậy sẽ tạo
điều kiện thuận lợi nhất cho quá trình xử lý các chất ô nhiễm của bộ xử lý khí
thải.
- Hệ thống phun khí thứ cấp: Hệ thống phun khí thứ cấp có nhiệm vụ
phun không khí vào trong đường thải, trong một giai đoạn ngắn sau khi động
cơ khởi động, để đốt cháy tiếp lượng HC chưa cháy trên đường thải. Điều này
không chỉ giảm hàm lượng HC mà còn góp phần giảm thời gian sấy nóng
(thời gian “khởi động”) của bộ xử lý khí thải giúp nó nhanh chóng đạt đến
nhiệt độ vận hành. Lượng khí phun được cung cấp bởi bơm cấp không khí thứ
cấp. Đường ống phun khí được đóng bởi van khí thứ cấp khi bơm không hoạt
động. Cả hai bộ phận này đều được điều khiển bởi ECU của động cơ.
20


1.4.5. Hệ thống tự chẩn đoán
Các bộ phận chỉ có chi tiết số được sử dụng cho hệ thống tự chẩn đoán
OBD (On-Board Diagnosis). Điều luật kiểm soát ô nhiễm của bang California
(Mỹ) đặt yêu cầu rất cao đối với khả năng tự chẩn đoán của hệ thống phun
xăng điện tử. Một số hệ thống liên quan đến kiểm soát ô nhiễm chỉ có thể tiếp
cận chẩn đoán khi có sự trợ giúp của các bộ phận bổ sung.

1.4.6. Dữ liệu vận hành
Ngoài những cảm biến đã được đề cập ở trên, còn có một loạt cảm biến bổ
sung và các bộ tạo giá trị mong muốn nhằm thu thập dữ liệu vận hành của
động cơ. Ví dụ như:
- Cảm biến tốc độ động cơ: dùng để xác định vị trí trục khuỷu và tính
toán tốc độ động cơ.
- Cảm biến pha: dùng để định pha và xác định vị trí trục cam
- Cảm biến nhiệt độ động cơ và cảm biến nhiệt độ khí nạp được dùng để
tính toán các hiệu chỉnh liên quan đến nhiệt độ.
- Cảm biến kích nổ động cơ dùng để nhận diện hiện tượng kích nổ trong
động cơ.
1.4.7. Hệ thống phụ trợ
- Quạt làm mát: Tùy thuộc vào nhiệt độ của động cơ, ECU sẽ bật/tắt quạt
gió của hệ thống làm mát để hợp hỗ trợ việc làm mát và hạ thấp nhiệt độ động
cơ. Tuỳ thuộc vào hệ thống, quạt làm mát có thể có một vài chế độ tốc độ.
Trong những hệ thống điều khiển truyền thống, quạt làm mát được điều khiển
bởi van hằng nhiệt.
- Máy nén của điều hoà không khí: Một phần công suất khá lớn được
dùng để dẫn động máy nén của hệ thống điều hoà không khí. Phần công suất
21


này không có ích trong việc dẫn động phương tiện. Trong những chế độ vận
hành cần tối đa công suất của động cơ, hệ thống điều khiển động cơ có thể
tạm ngắt máy nén của hệ thống điều hòa không khí.
1.4.8. Giao tiếp thông tin
- Giao diện CAN: Phụ thuộc vào mức độ trang bị của phương tiện, hệ
thống có thể lắp đường truyền dùng giao diện CAN (chi tiết 28). Chuẩn giao
diện CAN cung cấp khả năng trao đổi dữ liệu giữa hệ thống với các hệ thống
điện tử khác trên xe (ABS, ECU của hệ thống truyền lực).

-

Đèn chỉ báo hỏng hóc/lỗi: đèn chỉ báo lỗi được tích hợp trong bảng

điều khiển của thiết bị hoặc panel điều khiển (bố trí trên ca bin). Nó chỉ thị
cho người lái nếu có trục trặc/hư hỏng trong hệ thống.
- Tín hiệu lượng tiêu thụ nhiên liệu: Hệ thống tính toán luợng tiêu thụ
nhiên liệu từ thời gian phun và chuyển thông tin này qua bộ điều khiển dưới
dạng tín hiệu số. Dữ liệu về lượng tiêu thụ nhiên liệu cũng có thể được gửi
qua chuẩn giao tiếp CAN.
- Giao diện chẩn đoán: Khi xe được kiểm tra/sửa chữa, giao diện chẩn
đoán được sử dụng để kết nối với thiết bị kiểm tra hệ thống. Thiết bị này có
thể đọc được tất cả các lỗi đã được lưu trữ trong hệ thống tự chẩn đoán trong
khi động cơ vận hành. Trước đây, dữ liệu lỗi chỉ có thể đọc thông qua hệ
thống đèn nháy. Hiện nay, thông tin về lỗi có thể đựợc xem dưới dạng text
bằng các thiết bị kiểm tra động cơ.

22


CHƯƠNG II: HỆ THỐNG PHUN XĂNG TRỰC TIẾP
Hệ thống phun xăng trực tiếp GDI (Gasoline Direct Injection): là hệ
thống phun xăng điện tử có vòi phun được bố trí trên đường ống nạp hoặc
ngay phía trước xupap nạp.
2.1.

Lịch sử ra đời hệ thống phun xăng trực tiếp

Vào năm 1955, Mercedes – Benz đầu tiên ứng dụng phun xăng trực tiếp
vào buồng cháy của động cơ 6 xy lanh với thiết bị bơm tạo áp suất phun

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 thuần túy
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.
Năm 1996, với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật điện tử, động cơ xăng ứng
dụng nhiên liệu trực tiếp vào buồng đốt được Mitsubishi Motors đưa trở lại thị
trường tại Nhật với tên mới đó là GDI 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 xe nổi tiếng như PSA Peugeot, Daimler
Chrysler (với sự cho phép của Mitsubishi) cũng đã áp dụng kỹ thuật này cho
động cơ của mình vào khoảng năm 2000 – 2001. 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 ra đời động cơ GDI V12.
Các nhà sản xuất xe hàng đầu thế giới cũng dần áp dụng kỹ thuật GDI cho
động cơ của mình để cho ra đời những dòng xe mới vào năm 2002. Sau đó
Toyota cũng phải từ bỏ việc tạo hỗn hỗn hợp ngoài động cơ để chuyển sang
23