Luận văn thạc sĩ khảo sát và tính kiểm nghiệm hệ thống phun xăng trực tiếp trên động cơ skyactive g2 0l trên ô tô mazda cx 5

..

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ GIAO THƠNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

KHẢO SÁT VÀ TÍNH KIỂM NGHIỆM HỆ THỐNG
PHUN XĂNG TRỰC TIẾP TRÊN ĐỘNG CƠ
SKYACTIVE - G2.0L TRÊN Ô TÔ MAZDA CX-5

Người hướng dẫn:
Sinh viên thực hiện:

TS. NGUYỄN QUANG TRUNG
CAO TRUNG HUY

Đà Nẵng, 2020


Khảo sốt và tính kiểm nghiệm hệ thống phun xăng trực tiếp trên ơ tơ Mazda CX-5

LỜI NĨI ĐẦU
Ngày nay cùng với sự phát triển của xã hội thì phương tiện giao thơng cũng phát
triển khơng ngừng kéo theo đó là vấn đề ô nhiễm môi trường mà những phương tiện này
thải ra ngày càng trầm trọng, thậm chí ảnh hưởng lớn đến sức khỏe con người. Bên cạnh
đó sự gia tăng giá đột biến của giá xăng dầu và tiêu chuẩn của khí thải của động cơ ơtơ
ngày càng khắt khe buộc các nhà khoa học trên thế giới khơng ngừng nghiên cứu tìm ra

biện pháp nhằm tiết kiệm nhiên liệu kèm theo giảm khí thải ở động cơ đốt trong. Nghành
công nghiệp ôtô đã cho ra đời rất nhiều loại ôtô với các tinh năng và công dụng khác
nhau. 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)
với hệ thống phun xăng trực tiếp. Hệ thống phun xăng trực tiếp GDI ra đời là một trong
những giải pháp cho vấn đề nói trên. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ
thuật, điện tử và tin học đã giúp nghành công nghiệp ôtô thiết kế chế tạo thành công các
hệ thống phun xăng trực tiếp GDI có kết cấu nhỏ gọn, độ chính xác cao, an tồn, hiệu
quả, vì vậy đã nâng cao được công suất động cơ, giảm được ô nhiễm mơi trường. Với
mục đích củng cố và mở rộng kiến thức chuyên môn, đồng thời làm quen với công tác
nghiên cứu khoa học góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng hệ thống nhiên liệu trên ô tô.
Em đã đựơc giao thực hiện luận văn tốt nghiệp với đề tài :“KHẢO SỐT VÀ TÍNH
KIỂM NGHIỆM HỆ THỐNG PHUN XĂNG TRỰC TIẾP TRÊN SKYACTIVE G2.0 TRÊN Ô TÔ MAZDA CX-5”.
Tuy nhiên trong quá trình nghiên cứu khảo sát, do thời gian và khả năng hiểu biết
cịn hạn chế nên khơng tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong được sự đóng góp ý kiến
bổ sung của các thầy cơ giáo để luận văn của em được hoàn thiện hơn.
Đà nẵng,ngày ,tháng ,năm 2020
Sinh viên thực hiện

Cao Trung Huy

Hướng dẫn: TS. Nguyễn Quang Trung

SVTH: Cao Trung Huy

Trang 1


Khảo sốt và tính kiểm nghiệm hệ thống phun xăng trực tiếp trên ơ tơ Mazda CX-5

MỤC LỤC
LỜI NĨI ĐẦU .................................................................................................................. 1
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ XE MAZDA CX-5 VÀ ĐỘNG CƠ SKYACTIVE ..... 4
1.1 Giới thiệu về xe Mazda CX-5 và động cơ Skyactiv-G: ................................................ 4
1.2 Giới thiệu về cơ cấu khuỷu trục-thanh truyền-piston .................................................. 5
1.3. Hệ thống phân phối khí ............................................................................................. 7
1.4. Hệ thống đánh lửa .................................................................................................... 8
1.5. Hệ thống bôi trơn .................................................................................................... 10
1.6 Hệ thống làm mát..................................................................................................... 11
Chương 2: KHẢO SOÁT HỆ THỐNG PHUN XĂNG TRỰC TIẾP TRÊN ĐỘNG
CƠ SKYACTIVE .......................................................................................................... 13
2.1 Phân tích hệ hống phun xăng trực tiếp trên động cơ Skyactive................................. 13
2.1.1 Giới thiệu chung về hệ thống phun xăng trực tiếp ................................................. 13
2.1.2 Sơ đồ hệ thống phun xăng trực tiếp trên động cơ Skyactiv .................................... 17
2.2 Kết cấu các chi tiết trong hệ thống phun xăng trực tiếp GDI .................................... 17
2.2.1 Bơm cao áp ........................................................................................................... 17
2.2.2.1 Điều khiển bơm cao áp....................................................................................... 19
2.2.2 Van điều chỉnh nhiên liệu FPRV ........................................................................... 20
2.2.3 Cảm biến ống rail FPS.......................................................................................... 21
2.2.4 Các đường ống cao áp và ống rail ........................................................................ 22
2.2.5 Kim phun .............................................................................................................. 22
2.2.6 Bơm xăng điện ...................................................................................................... 24
2.2.7 Lọc nhiên liệu ....................................................................................................... 25
2.2.8 ECU điều khiển ..................................................................................................... 26
2.3 Các cảm biến của hệ thống phun xăng trực tiếp GDI ............................................... 27
2.3.1 Cảm biến ôxy. (Oxygen sensor) ............................................................................ 27
2.3.2 Cảm biến nhiệt độ khí nạp.................................................................................... 28
2.3.3 Cảm biến vị trí bướm ga (TPS).............................................................................. 29
2.3.4. Cảm biến nhiệt độ nước làm mát.(ECT) ............................................................... 30

2.3.5. Cảm biến vị trí trục cam....................................................................................... 31
2.3.6 . Cảm biến vị trí góc quay trục khuỷu. ................................................................... 32
2.3.7 Cảm biến áp suất khí nạp ..................................................................................... 33
Hướng dẫn: TS. Nguyễn Quang Trung

SVTH: Cao Trung Huy

Trang 2


Khảo sốt và tính kiểm nghiệm hệ thống phun xăng trực tiếp trên ô tô Mazda CX-5

2.3.8 Cảm biến lưu lượng khí nạp. ................................................................................. 34
2.5.8. Cảm biến vị trí bàn đạp ga ................................................................................... 36
CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN NHIỆT ĐỘNG CƠ SKYACTIVE VÀ TÍNH KIỂM
NGHIỆM HỆ THỐNG PHUN XĂNG ......................................................................... 38
3.1 Tính tốn nhiệt ......................................................................................................... 38
3.2 Tính tốn các thơng số của chu trình ....................................................................... 40
3.2.1 Tính q trình nạp ................................................................................................ 40
3.2.2 Tính q trình nén................................................................................................. 41
3.2.3 Tính q trình cháy ............................................................................................... 42
3.2.4 Tính q trình giản nở .......................................................................................... 43
3.2.5 Các thơng số đặc trưng cho chu trình làm việc của động cơ ................................. 44
3.3 Xác định lưu lượng khí nạp ...................................................................................... 45
3.4 Tính tốn vịi phun ................................................................................................... 49
3.5 So sánh đánh giá hiệu quả khi động cơ sử dụng công suất cực đại........................... 49
3.6 So sánh đánh giá hiệu quả ......................... Lỗi! Thẻ đánh dấu không được xác định.
CHƯƠNG 4: VẬN HÀNH VÀ QUY TRÌNH BẢO DƯỠNG SỬA CHỬA CÁC CHI
TIẾT TRONG HỆ THỐNG PHUN XĂNG TRỰC TIẾP ........................................... 55
4.1 Bảo dưỡng kỹ thuật hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp GDI trên ô tô ...................... 55

4.1.1 Bảo dưỡng thường xuyên ...................................................................................... 55
4.1.2 Bảo dưỡng cấp một ............................................................................................... 55
4.1.3 Bảo dưỡng cấp hai ................................................................................................ 55
4.1.4 Các công việc khi bảo dưỡng kỹ thuật ................................................................... 55
4.2 Các hư hỏng của hệ thống cung cấp nhiên liệu trên ô tô .......................................... 56
4.2.1 Các hư hỏng của bộ lọc nhiên liệu ........................................................................ 56
4.2.2 Các hư hỏng của vòi phun..................................................................................... 56
4.3 Kiểm tra chẩn đoán bằng thiết bị. ............................................................................ 56
KẾT LUẬN .................................................................................................................... 57

Hướng dẫn: TS. Nguyễn Quang Trung

SVTH: Cao Trung Huy

Trang 3


Khảo sốt và tính kiểm nghiệm hệ thống phun xăng trực tiếp trên ô tô Mazda CX-5

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ XE MAZDA CX-5 VÀ ĐỘNG CƠ SKYACTIVE
1.1 Giới thiệu về xe Mazda CX-5 và động cơ Skyactiv-G:
Các thông số kỹ thuật của xe và động cơ:
Động cơ Skyactiv-G do hãng MAZDA sản xuất, được lắp trên xe Mazda CX-5.
Cùng với các trang thiết bị tiêu chuẩn là những cải tiến về các trang thiết bị nội, ngoại
thất làm cho Skyactiv-G 2.0L có những tính năng vượt trội so với các dòng xe đương
thời. Về ngoại thất, được thiết kế theo ngôn ngữ Kudo, những đường nét khỏe khoắn, đèn
xi nhan được bố trí trên gương chiếu hậu có thiết kế sắc lẹm và giúp phương tiện dễ nhận
biết hơn khi tín hiệu này sáng, đèn sương mù sám mờ lắp chìm mang lại tầm nhìn tốt hơn
cho người điều khiển. Bên trong cabin, bảng điều khiển trung tâm cụm đồng hồ dễ nhìn
thực tế, sử dụng vật liệu cao cấp cùng với ánh sáng xanh của các nút điều khiển giúp

người lái dễ dàng quan sát đảm bảo tính an toàn khi điều khiển xe. Hệ thống phanh gồm
phanh ABS bốn kênh,bốn cảm biến, phân bố lực phanh điện tử. Sáu túi khí cùng dây đai
an tồn đảm bảo an toàn tối đa cho người lái và hành khách khi xảy ra va chạm.
Xe được trang bị động cơ Skyactiv-G, một trong những động cơ có tính năng vượt
trội so với những động cơ đương thời. Skyactiv-G là động cơ xăng với 4 xilanh được đặt
thẳng hàng, 16 xupáp. Các xupáp đựợc dẫn động trực tiếp từ cam. Cam được đặt trên nắp
máy, gồm 2 trục cam dẫn động xupáp (S-VVT). Skyactiv-G 2.0L tích hợp hệ thống điều
khiển van biến thiên lưu lượng dầu OCV (Oil-Flow Control Valve) cho phép tối ưu hóa
thời gian, tiết kiệm được nhiên liệu.

Hình 1-1: Hình chiếu đứng động cơ Skyactiv-G

Hướng dẫn: TS. Nguyễn Quang Trung

SVTH: Cao Trung Huy

Trang 4


Khảo sốt và tính kiểm nghiệm hệ thống phun xăng trực tiếp trên ô tô Mazda CX-5

Bảng 1.1: Bảng thông số kỹ thuật xe Mazda CX-5
Tên thông số kỹ thuật

Thứ tự

Giá trị

1

Dài x Rộng x Cao (mm x mm x mm)

4550 x 1840 x 1680

2

Chài dài cơ sở (mm)

2700

3

Khoảng sáng gầm(mm)

200

4

Khối lượng khơng tải(kg)

1550

5

Khối lượng tồn tải(kg)

2058

6

Dung tích nhiên liệu(L)

56

7

Dung tích khoang hành lý(L)

505

8

Hộp số(cấp)

6

9

Dung tích xi lanh(cc)

1998

10

Cơng suất cực đại(Hp/rpm)

113/6200

11

Mô men xoắn cực đại(Nm/rpm)

194/4100

12

Hệ thống treo trước

McPherson

13

Hệ thống treo sau

Liên kết đa điểm

14

Hệ thống phanh trước

Đĩa thơng gió

15

Hệ thống phanh sau

Đĩa đặc

16

Kích thước lốp

225/55R19

17

Mâm xe(inch)

19

18

Hệt hóng dẫn động

Cầu trước

19

Hệ thống chống bó cứng phanh ABS

Có

20

Hệ thống phân phối lực pahnh điện tử EBD

Có

21

Hệ thống hỗ trực lực phanh khẩn cấp BA

Có

1.2 Giới thiệu về cơ cấu khuỷu trục-thanh truyền-piston
Động cơ Skyactiv-G trên xe Mazda CX-5 sử dụng cụm piston-thanh truyền dạng
lệch tâm, có ưu điểm làm giảm lực ngang tác dụng lên piston, làm giảm đường kính cổ
trục, tăng độ cứng vảy piston, giảm lực bung của xéc măng. Piston được làm bằng hợp
Hướng dẫn: TS. Nguyễn Quang Trung

SVTH: Cao Trung Huy

Trang 5


Khảo sốt và tính kiểm nghiệm hệ thống phun xăng trực tiếp trên ơ tơ Mazda CX-5

kim nhơm có đường kính 83.5(mm), đỉnh piston bằng để tránh tổn thất nhiệt. Xéc măng
số 1, 2 có phân biệt mặt trên.

Hình 1-2: Nhóm piston động cơ Skyactiv-G
Thanh truyền của động cơ được đúc bằng thép hợp kim, kết cấu thanh truyền được
mô tả như dưới đây:
Bảng 1.2: Thông số của cụm thanh truyền
Hạng mục

Skyactiv-G 2.0

Khoảng cách đầu to và đầu nhỏ thanh truyền(mm)

155.2

Độ dày(mm)

21.0

Khối lượng(g)

461

Hướng dẫn: TS. Nguyễn Quang Trung

SVTH: Cao Trung Huy

Trang 6


Khảo sốt và tính kiểm nghiệm hệ thống phun xăng trực tiếp trên ơ tơ Mazda CX-5

Hình 1.3. Nhóm thanh truyền động cơ Skyactiv-G
Động cơ sử dụng trục khuỷu có kết cấu có 4 khuỷu trục, mỗi khuỷu trục gồm cổ
trục, má khuỷu, cổ biên và đối trọng. Vật liệu sản xuất là thép hợp kim được mơ tả như
hình bên dưới:

Hình 1.4. Trục khuỷu động cơ Skyactiv-G
1.3. Hệ thống phân phối khí
Động cơ Skyactiv-G (CX-5) sử dụng hệ thống phân phối khí dạng DOHC. Cơ cấu
phối khí điều khiển đồng thời góc mở và đóng của xupáp nạp, thải bằng điện tử có hai
trục cam dẫn động.
Hướng dẫn: TS. Nguyễn Quang Trung

SVTH: Cao Trung Huy

Trang 7


Khảo sốt và tính kiểm nghiệm hệ thống phun xăng trực tiếp trên ơ tơ Mazda CX-5

Hình 1.5. Hệ thống phân phối khí trên động cơ Skyactiv-G
Với cơ cấu điều khiển thời điểm phân phối thông minh được sử dụng trên cam nạp
và cam xả nhằm cải thiện hiệu suất nhiên liệu từ đó giảm thiểu độ ơ nhiễm mơi trường.
Cam nạp sử dụng cảm biến vị trí cam nạp( Intake CMP sensor).Cam xả sử dụng cảm biến
vị trí cam xả( Exhaust CMP sensor).
Ngoài ra, cơ cấu phân phối dùng trục cam có bề mặt được gia cơng với độ nhẵn cao.
Xupáp sử dụng bạc đạn bi kim tại cò mổ làm giảm tải trọng đặt lên lò xo xupáp. Sên cam
được sử dụng có độ cứng cao giúp giảm sức căng lên sên cam.
1.4. Hệ thống đánh lửa
Hệ thống đánh lửa trong động cơ Skyactive trên xe Mazda CX-5 là loại đánh lửa
trực tiếp (đánh lửa trực tiếp đơn chiếc), nghĩa là mỗi bugi sẽ được đánh lửa bởi một bơ
bin đánh lửa và có thự tự đánh lửa là 1-3-4-2. Bugi đánh lửa được dùng loại có số hiệu là
PE011810, được thể hiện như hình bên dưới.

Hướng dẫn: TS. Nguyễn Quang Trung

SVTH: Cao Trung Huy

Trang 8


Khảo sốt và tính kiểm nghiệm hệ thống phun xăng trực tiếp trên ơ tơ Mazda CX-5

Hình 1-6: Hệ thống đánh lửa trực tiếp trên động cơ Skyactiv-G
Quá trình đánh lửa của hệ thống
Hệ thống điều khiển bao gồm các cảm biến để xác định tình trạng làm việc của đơng
cơ, ECM tính tốn thời điểm và thời gian phun cho phù hợp với tín hiệu các cảm biến,
truyền tín hiệu đánh lửa đến IC đánh lửa và tác động điều khiển lượng nhiên liệu phun cơ
bản dựa trên các tín hiệu ECM.
Các cảm biến xác định lưu lượng khơng khí nạp, số vịng quay động cơ, tải động cơ,
nhiệt độ nước làm mát và sự tăng tốc-giảm tốc. Cảm biến gửi tín hiệu về ECM, sau đó
ECM sẽ hiệu chỉnh thời gian phun và gửi tín hiệu đến các kim phun thông qua bộ biến
đổi điện áp EDU, các kim phun nhiên liệu vào đường ống nạp, lượng nhiên liệu phun tùy
thuộc vào thời gian tín hiệu từ ECM.
Thời gian đánh lửa được điều khiển bởi hệ thống điều khiển thời gian đánh lửa bằng
điện tử. thời gian đánh lửa được tính tốn liên tục theo điều kiện động cơ dựa trên giá trị
thời điểm đánh lửa tối ưu được lưu giữ trong máy tính, dưới dạng một bản đồ ESA. So
với điều khiển đánh lửa cơ học của các hệ thống thơng thường thì điều khiển bằng ESA
có độ chính xác cao hơn và khơng cần đặt thời điểm đánh lửa kết quả giúp tiết kiệm
nhiên liệu và tang công suất phát ra.

Hướng dẫn: TS. Nguyễn Quang Trung

SVTH: Cao Trung Huy

Trang 9


Khảo sốt và tính kiểm nghiệm hệ thống phun xăng trực tiếp trên ô tô Mazda CX-5

1.5. Hệ thống bôi trơn
Động cơ sử dụng xích dẫn động bơm dầu loại mới, giảm được lực kéo bơm dầu giúp

tối ưu hóa mạch dầu để giảm tổn thất áp lực trong hệ thống. Ngồi ra, hệ thống cịn sử
dụng ống phân phối dầu loại giảm lực cản dòng chảy.
Van solenoid điều khiển áp lực dầu trong hệ thống bôi trơn, áp lực dầu hồi được
điều khiển bởi cơ cấu thủy lực (2 cấp độ hồi).
Hệ thống bôi trơn sử dụng điều khiển áp lực dầu hai cấp độ giúp làm giảm lực cản
mạch dầu và giảm áp đầu vào các thiết bị.

Hình 1-7: Sơ đồ hệ thống bôi trơn trên động cơ Skyactiv-G
Áp lực dầu hệ thống sử dụng (kPa) [rpm]: 110-175 [1,500]
Loại bơm có thơng số áp lực mở đường dầu hồi (kPa) [rpm] là 300-430 [4,500], loại
Hướng dẫn: TS. Nguyễn Quang Trung

SVTH: Cao Trung Huy

Trang 10


Khảo sốt và tính kiểm nghiệm hệ thống phun xăng trực tiếp trên ô tô Mazda CX-5

bánh răng (Trochoid)
Loại lọc có thơng số áp lực mở đường dầu tắt (kPa) là 78-118
Dưới đây là sơ đồ đường đi của dầu bơi trơn trong hệ thống:

Hình 1-8: Sơ đồ đường đi của bôi trơn trên động cơ Skyactiv-G
1.6 Hệ thống làm mát
Sử dụng hệ thống làm mát dung dịch và quạt điện. Dung tích 8.1L. Sử dụng bơm ly
tâm và dẫn động đai. Van hằng nhiệt loại sáp, nhiệt độ mở van 80.5-83.5 C, nhiệt độ mở
van tối đa 95C, độ mở van tối đa 8.5mm
Két nước loại Colgate(Sealed) của nhà cung cấp Visteon. Nắp két nước có áp suất
mở van 90-110Kpa

Quạt két nước thuộc loại dẫn động điện của nhà cung cấp Bosch, đường kính quạt
390mm và có 7 cánh. Bộ cánh bơm cái tiến được làm từ plastic làm giảm lực cản mạch
dẫn nước làm mát.

Hướng dẫn: TS. Nguyễn Quang Trung

SVTH: Cao Trung Huy

Trang 11


Khảo sốt và tính kiểm nghiệm hệ thống phun xăng trực tiếp trên ơ tơ Mazda CX-5

Hình 1-9: Sơ đồ hệ thống làm mát trên động cơ Skyactiv-G
1- Bình chứa nước làm mát; 2- Mô tơ quạt số 2; 3-Mô tơ quạt số 1; 4- Bơm nước
5- Van hằng nhiệt; 6- Két nước làm mát; 7-Nắp két nước
Bảng 1.3: Thông số hệ thống làm mát
Hạng mục

Thông số

Loại hệ thống làm mát

Dung dịch, quạt điện

Dung tích (L)
Bơm nước
Van hằng nhiệt

8,1

Loại

Ly tâm, dẫn động bằng đai

Loại

Sáp

Nhiệt độ mở van (ºC)

80,5-83,5

Nhiệt độ mở tối đa van (ºC)
Độ mở van tối đa (mm)
Két nước

Nhà cung cấp

Quạt két nước

8,8 or more
Visteon

Loại
Nắp két nước

95

Colgate (Sealed)

Áp suất mở van (kPa)

90-100

Nhà cung cấp

BOSCH

Loại

Dẫn động bằng điện

Số cánh

7

Đường kính quạt (mm)
Hướng dẫn: TS. Nguyễn Quang Trung

SVTH: Cao Trung Huy

390
Trang 12


Khảo sốt và tính kiểm nghiệm hệ thống phun xăng trực tiếp trên ơ tơ Mazda CX-5

CHƯƠNG 2: KHẢO SỐT HỆ THỐNG PHUN XĂNG TRỰC TIẾP TRÊN ĐỘNG
CƠ SKYACTIVE
2.1 Phân tích hệ hống phun xăng trực tiếp trên động cơ Skyactive

2.1.1 Giới thiệu chung về hệ thống phun xăng trực tiếp
Phun xăng trực tiếp (GDI) là phương pháp hình thành hịa khí khi xăng được phun
trực tiếp vào buồng cháy bằng vịi phun áp suất cao.

Hình 2-1: Sơ đồ ngun lý hệ thống phun xăng trực tiếp của động cơ
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 phun phải lớn hơn áp suất trong
buồng đốt ở kỳ nén, đồng thời để nhiên liệu được phun tơi hịa trộn tốt với khơng khí
trong buồng đốt thì áp suất phun địi hỏi phải lớn hơn áp suất khơng 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 q trình
tạo hỗn hợp khơng tốt và q trình cháy sẽ khơng phát huy hết cơng suất của động cơ,
nhiên liệu khơng được đốt cháy hồn tồn 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
Hướng dẫn: TS. Nguyễn Quang Trung

SVTH: Cao Trung Huy

Trang 13


Khảo sốt và tính kiểm nghiệm hệ thống phun xăng trực tiếp trên ô tô Mazda CX-5

TCCS (Texeco controlled combustion system). dùng cho động cơ Diesel, hệ thống
PROCO (Fordpro grammed 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.
Mục đích
Để ngăn chặn nóng lên tồn cầu này chúng ta cần giảm lượng khí CO2 gây hiệu ứng
nhà kính và để giảm khí CO2 sinh ra chúng ta cần nhanh chóng chế tạo ra những động cơ
thải ra ít CO2 hơn những động cơ truyền thống.Động cơ GDI được chế tạo đảm bảo thân
thiện với môi trường bằng cách giải quyết vấn đề thường đi kèm với những động cơ trước
đây như là những giới hạn về công xuất, giá cả và thiết kế của nó. Cơng nghệ GDI giúp
cải thiện 10-30% hiệu suất tiêu hao nhiên liệu so với những động cơ phun xăng truyền
thống.
Cách vận hành
Về cơ bản chế độ vận hành của hệ thống phun xăng trực tiếp sử dụng 2 loại vận
hành chí: Chế độ vận hành (với hịa khí) phân lớp và chế độ vận hành đồng nhất
Chế độ vận hành phân lớp
Khi momen xoắn thấp và tốc độ quay động cơ đến khoảng 3000 hoặc 3500
vịng/phút đơng cơ có thể vận hành với hịa khí phân lớp. Theo đó, nhiên liệu được phun
vào kỳ nén trong buồng đốt ngay trước thời điểm đánh lửa. Do khoảng thời gian cịn đến
khi đánh lửa ngắn, nhiên liệu khơng thể hịa trộn đều với khơng khí và phân bố đồng đều
trong buồng đốt.
Dưới tác dụng của dòng xoắn ( hoặc cuộn) khơng khí trong buồng đốt, nhiên liệu
hịa trộn với khơng khí tạo thành đám mây hịa khí và được vách đỉnh piston dẫn hướng
đến khu vực đầu bugi( phương thức vách dẫn hướng). Bên trong đám mây khí, tỉ lệ hỗn
hợp khoảng 0,95-1. Bến ngồi đám mây hịa khí rất nhạt.

Hướng dẫn: TS. Nguyễn Quang Trung

SVTH: Cao Trung Huy

Trang 14

Khảo sốt và tính kiểm nghiệm hệ thống phun xăng trực tiếp trên ơ tơ Mazda CX-5

Hình 2.2 Chế độ vận hành phân lớp
Trong phương pháp dẫn hướng hịa khí bằng tia phun, hịa khí phân lớp được hình
thành nhờ van phun phun nhiên liệu vào khu vực đầu bugi và hịa trộn với khơng khí có ở
đó thành một đám mây hịa khí cháy được. Bên ngồi đám mây hịa khí rất nhạt.
Để giảm lượng NOx sinh ra trong lúc cháy, lượng khí thải hồi lưu tùy lúc có thể lên
đến 40% thể tích khí nạp. Do van bướm ga mở hoàn toàn trong chế độ vận hành phân
lớp, momen xoắn động cơ được điều chỉnh bằng cách thay đổi tỷ lệ khơng khí- nhiên
liệu.
Chế độ vận hành đồng nhất
Khi momen xoắn lớn hoặc tốc độ quay động cơ lớn động cơ vận hành với hịa khí
đồng nhất có =1 hoặc để đạt được công suất tối đa với <1. Cảnh hướng dòng trong
đường ống nạp được mở để tăng khả năng nộp đầy xylanh. Ngoài ra nhiên liệu được
phun sớm hơn trong kỳ hút. Nhờ đó khơng khí và nhiên liệu có đủ thời gian để hịa trộn
tốt và phân bố đều trong buồng đốt trước khi được đánh lửa( hịa khí đồng nhất)

Hình 2.3 Chế độ vận hành đồng nhất
Hướng dẫn: TS. Nguyễn Quang Trung

SVTH: Cao Trung Huy

Trang 15


Khảo sốt và tính kiểm nghiệm hệ thống phun xăng trực tiếp trên ô tô Mazda CX-5

Ở chế độ vận hành đồng nhất, momen xoắn động cơ dược thay đổi bằng cách điều chỉnh
lượng hịa khí, có nghĩa là lượng khơng khí nạp được điều chỉnh bằng van bướm ga. Sự

hình thành hịa khí và q trình cháy diễn ra sau đó giống như trường hợp phun nhiên liệu
vào đường ống nạp.
Những ưu điểm của phun xăng trực tiếp(GDI)
Nhiên liệu lỏng được phun trực tiếp vào buồng đốt và chỉ bay hơi ở đó, do đó giúp
làm giảm nhiệt độ trong buồng đốt và tăng công suất động cơ.
Kỹ thuật tạo hỗn hợp phân lớp cho phép động cơ tăng đáng kể lượng khí thải hồi
lưu.
Khi vận hành ở tải một phần, việc điều chỉnh chất lượng giúp đạt được áp suất hữu
dụng cao trong buồng đốt. Tổn hao tiết lưu được giảm thiểu nhờ van bướm ga được mở
hoàn toàn ở hỗn hợp phân lớp. Điều này giúp đạt được hiệu suất cao hơn và tiêu hao
nhiên liệu ít hơn.
Mức độ đậm của hịa khí lúc khởi động lạnh hay tăng tốc ít hơn khi phun gián tiếp.
Do đó động cơ phát thải ơ nhiễm ít hơn và tiêu thụ nhiên liệu ít hơn
Những nhược điểm của phun xăng trực tiếp
Chi phí thiết kế và chế tạo, điều chỉnh cao hơn đáng kể, nhất là khi vận hành với
hỗn hợp phân lớp
Lượng khí thải NOx tăng, thành phần lưu huỳnh có trong nhiên liệu làm giảm tác
dụng của bộ xúc tác xử lý NOx.

Hướng dẫn: TS. Nguyễn Quang Trung

SVTH: Cao Trung Huy

Trang 16


Khảo sốt và tính kiểm nghiệm hệ thống phun xăng trực tiếp trên ô tô Mazda CX-5

2.1.2 Sơ đồ hệ thống phun xăng trực tiếp trên động cơ Skyactiv

Hình 2.4 Sơ đồ hệ thống phun xăng trực tiếp trên động cơ Skyactive
Nhiên liệu được hút từ bình nhiên liệu bằng bơm và đưa qua bộ lọc nhiên liệu có
tác dụng hấp thụ các dao động nhỏ của áp suất nhiên liệu do sự phun nhiên liệu gây ra,
sau đó qua ống phân phối rồi đến bơm nhiên liệu áp lực cao để tăng áp suất cho nhiên
liệu và cuối cùng tới vòi phun phun trực tiếp vào buồng cháy . Nhiên liệu thừa được đưa
trở lại bình xăng qua ống hồi … Các vòi phun sẽ phun nhiên liệu vào đường ống nạp tùy
theo các tín hiệu phun được ECU tính tốn.
2.2 Kết cấu các chi tiết trong hệ thống phun xăng trực tiếp GDI
2.2.1 Bơm cao áp
Có thể nói bộ phận quang trọng đầu tiên trong hệ thống này là bơm cao áp, bơm cao
áp có nhiệm vụ nén nhiên liệu áp suất thấp từ bơm tiếp vận lên nhiên liệu áp suất cao để
tích trữ trong ống rail. Nhờ có cảm biến áp suất ống rail mà ECU nhận biết được áp suất
thực tế trong ống rail là bao nhiêu để điều chỉnh van FPRV( Fuel Pressure Regular Valve
Hướng dẫn: TS. Nguyễn Quang Trung

SVTH: Cao Trung Huy

Trang 17


Khảo sốt và tính kiểm nghiệm hệ thống phun xăng trực tiếp trên ô tô Mazda CX-5

: van điều áp) trên bơm cao áp. Sau đó ECU sẽ điều chỉnh kim phun nhiên liệu dưới áp
suất cao vào buồng đốt động cơ.

Hình 2.5 Cấu tạo bơm cao áp
1: Xi lanh; 2: Đầu ra nhiên liệu; 3: Đầu vào nhiên liệu; 4: Bầu tích năng
5: Chỗ nối điện; 6:Solenoid;; 7: Lị xo
Bơm cao áp được dẫn động bởi trục cam, do đó bơm được đặt trên nắp giàn cị và
tiếp xúc với vấu cam trục cam. Thường thì bơm này được dẫn động bởi 2,3 hoặc 4 vấu

cam. Một số động cơ hình chữ V có thể có tới 2 bơm cao áp ( mỗi dãy 1 bơm).
Hướng dẫn: TS. Nguyễn Quang Trung

SVTH: Cao Trung Huy

Trang 18


Khảo sốt và tính kiểm nghiệm hệ thống phun xăng trực tiếp trên ô tô Mazda CX-5

2.2.2.1 Điều khiển bơm cao áp

Hình 2.6 Sơ đồ điều khiển bơm cao áp
Trong đó:
+B: Đường cung cấp cho ECU sau rơ le chính
FP+,FP-: Tín hiệu điều khiển van áp suất bơm cao áp
GND: nối mass
Bảng 2.1 Điều kiện làm việc của bơm
Relay ON/OFF

Điều kiện làm việc

ON

Khi thỏa một trong các điều kiện sau:

OFF

-

Công tắc ON( trong thời gian khoảng 1 giây)

-

Động cơ đang hoạt động

-

Trong khi động cơ đang làm việc

-

Động cơ dừng tạm thời bởi điều khiển i-stop

Động cơ dừng (ngoại trừ trường hợp dừng tạm thời bởi điều khiển istop)

Hướng dẫn: TS. Nguyễn Quang Trung

SVTH: Cao Trung Huy

Trang 19


Khảo sốt và tính kiểm nghiệm hệ thống phun xăng trực tiếp trên ô tô Mazda CX-5

Hiệu dụng

Tốc độ bơm

Điều kiện làm việc

95%

Tối đa

Khi thoải một trong các điều kiện sau:
-

Khi động cơ khởi động

-

Module điều khiển bơm nhiên liệu
gặp sự cố ( nếu điện áp thấp hơn
yêu cầu)

10-90%

Tùy thuộc vào tỷ lệ hiệu

-

Giá trị phản hồi từ cảm biến áp lực
nhiên liệu ( xác định lực bơm

dụng

nhiên liệu đang ở áp suất cao)
-

Điều khiển ở mọi tỉ lệ hiệu dụng
ngoại trừ 5% hoặc 95%

5%

0

Khi động cơ dừng( loại trừ trường hợp
dừng tạm thời theo điều khiển i-stop

2.2.2 Van điều chỉnh nhiên liệu FPRV
Trên bơm có một van solenoid điều khiển điện, thường gọi là van điều chỉnh áp
suất nhiên liệu FPRV. Van này nhìn chung có chức năng như van SCV( Suction Control
Valve) trên động cơ phun xăng điện tử. Van có 2 dây được điều khiển bởi hộp ECM động
cơ theo dạng điều chế độ rộng xung. Nếu van mở càng nhiều, lượng nhiên liệu nạp vào
bơm cao áp sẽ càng nhiều dẫn đến áp suất nhiên liệu tăng cao và ngược lại. Van này được
kiểm tra bằng cách đo điện trở nằm trong khoảng 0.5Ω kết hợp với việc kích hoạt trên
máy chuẩn đốn. Khi bạn kích hoạt, van di chuyển nghe tiếng click có nghĩa là van vẫn
còn hoạt động.
Về phần áp suất mà bơm cao áp này tạo ra sẽ có mức áp suất khác nhau tùy từng
loại bơm và từng loại xe. Áp suất buồng đốt của động cơ GDI cao hơn động cơ MPI,
động cơ MPI thơng thường có áp suất buồng đốt 9-13 bar thì với động cơ GDI: muốn
thắng được áp suất buồng đốt thì áp suất phun phải cao hơn rất nhiều thông thường từ
35kg/cm2 ở tốc độ không tải đến 160kg/cm2

Hướng dẫn: TS. Nguyễn Quang Trung

SVTH: Cao Trung Huy

Trang 20

Khảo sốt và tính kiểm nghiệm hệ thống phun xăng trực tiếp trên ơ tơ Mazda CX-5

Hình 2.12: Van điều chỉnh nhiên liệu.
1: Đường nhiên liệu ra; 2: Thông với đường ống nạp; 3: Lò xo; 4: Van; 5: Màng;
6: Đường nhiên liệu vào.
Nguyên lý làm việc
Nhiên liệu có áp suất từ dàn ống phân phối sẽ ấn màng (5) làm mở van (4). Lượng
nhiên liệu trở về phụ thuộc vào độ căng của lò xo màng, áp suất nhiên liệu thay đổi tuỳ
theo lượng nhiên liệu hồi. Ðộ chân khơng của đường ống nạp được dẫn vào buồng phía
chứa lò xo làm giảm sức căng lò xo và tăng lượng nhiên liệu hồi, do đó làm giảm áp suất
nhiên liệu. Nói tóm lại, khi độ chân khơng của đường ống nạp tăng lên (giảm áp), thì áp
suất nhiên liệu chỉ giảm tương ứng với sự giảm áp suất đó. Vì vậy áp suất của nhiên liệu
A và độ chân khơng đường nạp B được duy trì khơng đổi. Khi bơm nhiên liệu ngừng hoạt
động, lò xo (3) ấn van (4) đóng lại. Kết quả là van một chiều bên trong nhiên liệu và van
bên trong bộ điều áp duy trì áp suất dư trong đường ống nhiên liệu.
2.2.3 Cảm biến ống rail FPS
Cảm biến ống rail FPS( Fuel Pressure Sensor) thường được gắn ở đầu ống rail dùng
để đo áp suất nhiên liệu thực tế bên trong ống rail gửi tín hiệu về ECM dưới dạng điện
áp. Cảm biến ống rail có 3 dây: 1 dây dương 5V lấy từ hộp,1 dây mass và 1 dây tín hiệu
đưa về hộp.

Hướng dẫn: TS. Nguyễn Quang Trung

SVTH: Cao Trung Huy

Trang 21

Khảo sốt và tính kiểm nghiệm hệ thống phun xăng trực tiếp trên ô tô Mazda CX-5

Chức năng
ECM dựa vào tín hiệu này để điều khiển lượng phun nhiên liệu vào buồng đốt động
cơ. Điều khiển van FPRV như đã nói ở trên tùy thuộc vào từng chế độ hoạt động của
động cơ. Giảm sát van FPRV có hoạt động tốt hay khơng

Hình 2.8 Cảm biến ống rail
2.2.4 Các đường ống cao áp và ống rail
Tất cả các đường ống được làm từ thép hợp kim không gỉ chống ăn mịn về hóa
học. Ống rail bên ngồi hay cịn gọi là ống sáo, thuật ngữ rail này lấy từ hệ thống phun
dầu điện tử Common Rail vì hình dạng của nó tương tự bên hệ thống phun dầu và nhiệm
vụ cũng là để tích trữ nhiên liệu áp suất cao từ bơm cao áp lên.
2.2.5 Kim phun
Một chi tiết cực kì quan trọng trong hệ thống này là kim phun. Không giống như
động cơ phun xăng thông thường, kim phun GDI được thiết kế với độ chính xác và phun
áp suất cao hơn rất nhiều.
Nếu như động cơ phun xăng đa điểm MPI, kim phun phun vào trước đường ống
nạp thì động cơ GDI, kim phun phun thẳng trực tiếp vào buồng đốt của động cơ giống
như động cơ Diesel.
Ở động cơ MPI, kim phun được cấp nguồn dương sẵn 12V và được điều khiển
mass. Còn trên GDI cả 2 dây kim phun được điều khiển bởi hộp ECM.
Hướng dẫn: TS. Nguyễn Quang Trung

SVTH: Cao Trung Huy

Trang 22


Khảo sốt và tính kiểm nghiệm hệ thống phun xăng trực tiếp trên ơ tơ Mazda CX-5

Hình 2.9 Kết cấu kim phun cao áp
1:Cụm vòi phun ;2:Thân vòi phun; 3:Đệm cao su; 4:Piston O; 5 Lò xo;
6:Solenoid; 7:Chỗ nối điện ; 8: Lọc nhiên liệu; 9:Đệm cao su.
Hiện nay kim phun có 2 loại: bằng cuộn từ và bằng Piezo. Tuy nhiên Piezo là kim
phun loại mới nên độ phổ biến không bằng kim phun loại cuộn từ. Đối với kim phun
cuộn từ điện áp mở kim khoảng 50-60 VDC tùy loại. Cịn đối với Piezo thì điện áp vào
khoảng 105 VDC. Vì vậy hãy cực kỳ cẩn thận khi sửa chữa kim phun, trường hợp nếu
muốn thử bằng đèn Led thì phải dùng điện trở vài kilo ơm trở lên và phải cẩn trọng trong
việc cách điện . Để kiểm tra kim phun người ta thường dùng phương pháp đo điện trở.
Điện trở tiêu thụ từ 1.25 ôm ở 20 độ C
Hướng dẫn: TS. Nguyễn Quang Trung

SVTH: Cao Trung Huy

Trang 23


Khảo sốt và tính kiểm nghiệm hệ thống phun xăng trực tiếp trên ô tô Mazda CX-5

Cảnh báo khi sửa chửa động cơ GDI:
Ln chắc rằng khơng có áp suất cao trong hệ thống khi tháo lắp ( để biết được áp
suất bao nhiêu có thể xem thơng số áp suất bằng thiết bị chuẩn đoán). Một số máy chuẩn
đoán có chức năng xả áp, có thể tham khảo trong phần chức năng đặc biệt.
Trường hợp phải xả áp thủ công, nên tham khảo thật kỹ hướng dẫn của nhà sản
xuất.Có thể thảo relay bơm để động cơ hoạt động đến khi tắt hẳn. Chú ý bơm cao áp phải
luôn được cấp nhiên liệu khi quay , nếu bơm cao áp chỉ quay mà không cấp nhiên liệu sẽ
gây giảm tuổi thọ bơm. Khi tháo và lắp lại bơm cao áp, phải sử dụng vịng đệm mới,
khơng dùng lại bu-lơng.
Khi tháo kim phun ra ngồi phải có nắp đậy lại. Trong trường hợp tháo nắp đậy kim

phun, phải hoàn thành lắp ráp trong vòng 1h. Nếu tháo kim phun mà không đậy lại trong
1 thời gian dài, phớt kim phun có thể bị nớt ra và gây khó khăn khi lắp vào.
2.2.6 Bơm xăng điện
Kết cấu và nguyên lý hoạt động:
Bơm nhiên liệu là loại bơm cánh gạt được đặt trong thùng xăng, do đó loại bơm này
ít sinh ra tiếng ồn và rung động hơn so với loại trên đường ống. Các chi tiết chính của
bơm bao gồm: Mơ tơ, hệ thống bơm nhiên liệu, van một chiều, van an tồn và bộ lọc
được gắn liền thành một khối.

Hình 2.10: Kết cấu của bơm xăng điện.
1:Van một chiều; 2:Van an tồn; 3:Chổi than; 4:Rơto; 5:Stato; 6,8:Vỏ bơm;
7,9:Cánh bơm; 10:Cửa xăng ra; 11:Cửa xăng vào.

Hướng dẫn: TS. Nguyễn Quang Trung

SVTH: Cao Trung Huy

Trang 24