Nghiên cứu động cơ phun xăng trực tiếp FORD ECOBOOST

LỜI CẢM ƠN
Để đồ này đạt kết quả tốt đẹp, chúng em đã nhận được sự hỗ trợ, giúp đỡ nhiều
người. Với tình cảm sâu sắc, chân thành, cho phép chúng em được bày tỏ lòng biết ơn sâu
sắc đến tất cả các cá nhân đã tạo điều kiện giúp đỡ trong quá trình học tập và nghiên cứu
đề tài.
Trước hết, cho chúng em xin gửi tới các thầy cô khoa Cơ khí Động lực trường Đại
học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM lời chào trân trọng, lời chúc sức khỏe và lời cảm ơn sâu
sắc. Với sự quan tâm, dạy dỗ, chỉ bảo tận tình chu đáo của thầy cơ, đến nay tơi đã có thể
hồn thành đề tài:
"Nghiên cứu động cơ phun xăng trực tiếp FORD-ECOBOOST".
Đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới thầy giáo– Th.S Đỗ Quốc Ấm
đã quan tâm giúp đỡ, hướng dẫn chúng em hoàn thành tốt đề tài này trong thời gian qua.
Chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn đến lãnh đạo Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật
TPHCM gián tiếp giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu đề tài.
Với điều kiện thời gian cũng như kinh nghiệm còn hạn chế của sinh viên nên đề
này khơng thể tránh được những thiếu sót. Chúng em rất mong nhận được sự chỉ bảo, đóng
góp ý kiến của các thầy cơ để chúng em có điều kiện bổ sung, nâng cao kiến thức của
mình, phục vụ tốt hơn công việc thực tế sau này.
Xin trân trọng cám ơn.
Nhóm sinh viên thực hiện
Nguyễn Kim Lương
Nguyễn Phú Thiện

1


MỤC LỤC
Phần mở đầu
Trang
Lời cảm ơn....................................................................... .......................................... i
Mục lục ....................................................................................................................... ii

Danh mục các chữ viết tắt .......................................................................................... v
Danh mục các hình………………………………………………………………….vii
Danh mục các bản ...................................................................................................... x
Phần nội dung
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .............................................................................................11
1.1 Lý do chọn đề tài .......................................................................................................11
1.2 Mục đích nghiên cứu .................................................................................................11
1.3 Giới hạn đề tài............................................................................................................11
1.4 Phương pháp nghiên cứu ...........................................................................................12
1.5 Các bước thực hiện ....................................................................................................12
CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG TRỰC TIẾP GDI…………13
2.1 Giới thiệu chung về động cơ phun xăng trực tiếp GDI .............................................13
2.1.1 Lịch sử ra đời của GDI ......................................................................................13
2.1.2 Kết cấu chung của động cơ phun xăng trực tiếp ...............................................15
2.1.2.1 Những đặc tính kĩ thuật của động cơ GDI .................................................16
2.1.2.2 So sánh động cơ phun xăng trực tiếp GDI và EFI ......................................17
2.1.2.3 Ưu điểm động cơ GDI so với động cơ EFI ................................................19
2.1.2.4 Nhược điểm của động cơ phun xăng trực tiếp GDI....................................22
2.2 Cấu tạo động cơ phun xăng trực tiếp GDI .................................................................23
2.2.1 Hệ thống cung cấp nhiên liệu ............................................................................23
2.2.1.1 Yêu cầu của hệ thống nhiên liệu .................................................................24
2.2.1.2 Hệ thống phân phối và ổn định áp suất phun .............................................26
2.2.1.3 Bơm nhiên liệu áp suất thấp (tiếp vận) .......................................................29
2.2.1.4 Bơm nhiên liệu áp suất cao ( bơm cao áp)..................................................29
2.2.1.5 Khảo sát kim phun nhiên liệu ....................................................................32
2.2.2 Đặc tính tia phun nhiên liệu...............................................................................40
2.2.2.1 Các điều kiện để phun sương ......................................................................41
2.2.3 Các dạng buồng cháy của động cơ GDI và các phương pháp hình thành hỗn
hợp: .............................................................................................................................42
2

2.2.3.1 Vị trí của kim phun và bugi ........................................................................42
2.2.3.2 Kết cấu đỉnh piston .....................................................................................50
2.2.3.3 Vấn đề muội than bám vào kim phun .........................................................52
CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG TRỰC TIẾP ECOBOOST ......55
3.1 Giới thiệu chung động cơ ecoboost ...........................................................................55
3.1.1 Tổng quan ..........................................................................................................55
3.1.2 Quá trình hình thành và phát triền .....................................................................55
3.1.3 Cấu hình và thơng số cơ bản của các động cơ EcoBoost phổ biến. ..................56
3.2 Các đặc điểm nổi bật trên động cơ EcoBoost thế hệ mới. .........................................59
3.2.1 Cấu Tạo .............................................................................................................59
3.2.2 Công nghệ mới trên động cơ ecoboost ..............................................................62
3.2.2.1 Công nghệ Ti-VCT .....................................................................................62
3.2.2.2 Turbo tăng áp ..............................................................................................65
3.2.2.3 Phun xăng trực tiếp GDTI ..........................................................................67
3.2.2.4 Một số tính năng khác trên động cơ ecoboost ............................................71
3.2.3 Hê ̣ thố ng nhiên liê ̣u ...........................................................................................72
3.2.3.1 Cấu trúc - nguyên lý ...................................................................................72
3.2.3.2 Bơm áp suất cao ..........................................................................................75
3.2.3.3 Kim Phun và ống phân phối nhiên liệu ......................................................77
3.2.4 Hê ̣ thố ng điề u khiể n điê ̣n tử trên đô ̣ng cơ ecoboost ..........................................80
3.2.4.1 Tổ ng Quan ..................................................................................................80
3.2.4.2 Các cảm biế n trên đô ̣ng cơ ecoboost ..........................................................83
Cảm biế n nhiê ̣t đô ̣ nước làm mát ........................................................................83
Cảm biế n áp suấ t tuyê ̣t đố i trên đường ố ng na ̣p MAP (kiểu điện dung) ............85
Cảm biế n vi tri
̣ ́ bướm ga .....................................................................................87
Cảm biến nhiệt độ khí nạp ..................................................................................89
Cảm biế n Oxy .....................................................................................................92

Cảm biến vị trí trục khuỷu CKP (Crankshaft Position sensor) ...........................95
Cảm biến vị trí trục cam (CMP – Camshaft Position sensor) .............................96
Cảm biến kích nổ ................................................................................................98
Cảm biến lưu lượng khí nạp MAF (Mass air flow sensor) ...............................100
Cảm biến áp suất nhiên liệu ..............................................................................102
3.2.4.3 Các ma ̣ch điề u khiể n cơ bản .....................................................................104
Mạch khởi động ................................................................................................104
Mạch điều khiển bơm........................................................................................106
3


Mạch kim phun .................................................................................................108
Mạch điện đánh lửa ...........................................................................................110
Sơ đồ mạch điện tổng quát ................................................................................112
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ .......................................................................113
4.1 Kết Luận ..................................................................................................................113
4.2 ĐỀ NGHỊ .................................................................................................................113
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...............................................................................................114

4


Bảng kí hiệu viết tắt
Kí hiệu
A/F
A/C
ATDC
APP
BTDC
BDC

BMEP
BSFC
COPID
CKP
CMP
ECT
EFI
EGR
ECU
ETCREF

Tên
Air/Fuel
Air Conditioning
After Top Dead Center
Accelerator Pedal Position
Before top dead center
Bottom Dead Center
Brake Meansure Effective Pressure
Brake specific fuel consumption
Coil-on-plug
Crankshaft Position
Camshaft Position
Engine Coolant Temperature
Electronic fuel injection
Exhaust Gas Recirculation
Electronic Control Unit
Engine Coolant Temperature return

FRP

FSI
FMR
FID
GDTI
GDI
HO2S
HDP
IAT
INJ
IMEP

Fuel Rail Pump
Fuel Stratified Injection
Fuel metering vavle
Flame ionization detector
Gasonline direct turbo injection
Gasonline direct injection
Heated Oxygen Sensor
Hydraulic Pump
Intake Air Temperature
Injectior
Indicate Measure Effective
Pressure
Indicated Specific Fuel
Consumption
Indicated Specific Hydrocarbons
Indicated Specific Nitric Oxides
Knock Sensor
Mass Air Flow
Manifold Absolute Pressure

Powertrain Control Module
Signal Return
Spark Plug
Twin independent Variable Cam
Timing

ISFC
ISHC
ISNOx
KS
MAFT
MAP
PCM
SIGRTN
SP
Ti-VCT

Diễn giải
Tỉ lệ khơng khí với nhiên liệu
Điều hịa khơng khí
Sau điểm chết trên
Cảm biến vị trí bàn đạp ga
Trước điểm chết trên
Điểm chết dưới
Áp suất có ích
Brake specific fuel consumption
Bobin bố trí trên bugi
Cảm biến vị trí trục khuỷu
Cảm biến vị trí trục cam
Cảm biến nhiệt độ nước làm mát

Phun nhiên liệu điện tử
Van tuần hồn khí xả
Bộ điều khiên trung tâm
Mass của cảm biến nhiệt độ nước
làm mát
Bơm nhiêu liệu
Cháy phân tầng
Bộ điều tiết áp suất thấp (6-9kPa)
Máy dị ngọn lửa ion hóa
Phun xăng trục tiếp có sử dụng turbo
Phun xăng trục tiếp
Cảm biến Oxy
Bơm thủy lực
Cảm biến nhiệt độ khí nạp
Kim phun
Cơng suất chỉ thị trung bình
Chỉ số tiêu hao nhiên liệu biểu thị
Chỉ số khí hydrocarbon
Chỉ số khí NOx
Cảm biến kich nổ
Cảm biến lưu lượng khí nạp
Cảm biến chân khơng
Bộ điều khiển trung tâm
Mass cảm biến
Bugi
Điều khiển trục cam biến thiên kép

5

TDC
TP
UBHC
VVTi

Top dead center
Throttle Position
Unburned hydrocarbons
Variable Valve Timing

VTEC

Variable valve Timing and lift
Electronic Control
Reference Voltage
Wide Open Throttle

VREF
WOT

Điểm chết dưới
Cảm biến vị trí bướm ga
khí hydrocarbon khơng cháy
Hệ thống điều khiển xu-páp với góc
mở biến thiên thơng minh
Hê ̣ thớ ng phớ i khí đa điể m và kiể m
soát đô ̣ mở xu-páp điê ̣n tử
Điện áp (5V) cấp cho cảm biến
hoạt động mở rộng ga

6


DANH MỤC CÁC HÌNH
Trang
Hình 2.1: Mercedes – Benz 300SL 6 cylinder ...................................................................13
Hình 2.2: Động cơ GDI của Mitsubishi.............................................................................14
Hình 2.3: Động cơ V12 của BMW .....................................................................................14
Hình 2.4: Động cơ 2GR – FSE V6 của Toyota ..................................................................15
Hình 2.5: Hyundai-Theta-GDI-Turbo ...............................................................................15
Hình 2.6: Sơ đồ hệ thống GDI của Bosch .........................................................................16
Hình 2.7: So sánh về sự hình thành hỗn hợp của EFI và GDI ..........................................17
Hình 2.8: So sánh lượng nhiên liệu cần thiết cho việc khởi động động cơ .......................18
Hình 2.9: Chế độ nạp phân tầng và chế độ nạp đồng nhất hỗn hợp nghèo ......................19
Hình 2.10: Chế độ hỗn hợp nghèo .....................................................................................19
Hình 2.11: Tổn thất nhiệt qua thành xy lanh .....................................................................20
Hình 2.12: Đồ thị minh họa so sánh giữa GDI và các động cơ khác ................................20
Hình 2.13: Chuyển động nạp trong chế độ đồng nhất ......................................................21
Hình 2.14: Đồ thị kiểm sốt lượng khí thải NOx ...............................................................21
Hình 2.15: Phun nhiên liệu trực tiếp vào xi lanh ..............................................................21
Hình 2.16: Đồ thị cơng suất và momen xoắn ....................................................................22
Hình 2.17: Sơ đồ hệ thống nhiên liệu của động cơ GDI ...................................................24
Hình 2.18: Minh họa các bộ phận hệ thống nhiên liệu GDI của bosh ..............................26
Hình 2.19: Cấu trúc đường ống phân phối........................................................................26
Hình 2.20: Cấu trúc van điều khiển áp suất……………………………………………..27
Hình 2.21: Cấu tạo cảm biến áp suất nhiên liệu ...............................................................28
Hình 2.22: Tính hiệu điện áp cảm biến .............................................................................28
Hình 2.23: Cấu trúc bơm tiếp vận .....................................................................................29
Hình 2.24: Các kiểu của bơm phổ biến trên GDI ..............................................................30
Hình 2.25: Cấu tạo bơm 3 piston.......................................................................................30

Hình 2.26: Cấu trúc bơm một piston của huyndai ............................................................31
Hình 2.27: Cấu tạo bơm một piston...................................................................................31
Hình 2.28: Sơ đồ mạch bơm 1 piston ................................................................................32
Hình 2.29: Cấu tạo kim phun một tia phun, kiểu xốy ......................................................34
Hình 2.30: Kim phun một tia phun, kiểu xốy miệng phun phía ngồi .............................34
Hình 2.31: Kim phun nhiều lỗ GDI ...................................................................................35
7


Hình 2.32: Bảng so sánh 3 loại kim phun..........................................................................36
Hình 2.33: Hình dạng tia phun của các loại kim phun .....................................................36
Hình 2.34: Hiệu suất của quỹ đạo phun ............................................................................37
Hình 2.35: Hình dạng đầu vịi phun của 3 loại kim phun .................................................38
Hình 2.36: Ảnh hưởng của áp suất và nhiệt độ buồng cháy, góc phun, áp suất nhiên liệu
vào kích thước hạt ở khoảng cách 30mm tính từ đầu vịi phun .........................................39
Hình 2.37: Sự thâm nhập của tia phun vào các điều kiện khác nhau ..............................40
Hình 2.38: Mối quan hệ giữa vị trí kim phun và bugi trong buồng đốt ............................43
Hình 2.39: Các kiểu bố trí kim phun và bugi.....................................................................44
Hình 2.40: Kết cấu bố trí kim phun,bugi và các xupáp của động cơ GDI FORD ............46
Hình 2.41: Kích thước tối đa của xupáp cho vị trí của kim phun và bugi.........................47
Hình 2.42: So sánh giữa tia phun và đỉnh piston với góc nghiêng và thẳng đứng ...........48
Hình 2.43: Đồ thị ảnh hưởng của góc phun nghiêng tới lượng nhiên liệu va chạm trên
các bề mặt khác nhau của hệ thống động cơ Nissan GDI .................................................48
Hình 2.44: Ảnh hưởng của góc nghiêng tia phun vào hiệu suất động cơ GDI .................49
Hình 2.45: Ảnh hưởng của góc nghiêng tia phun và chỉ số tiêu thụ nhiên liệu, khí thải ..49
Hình 2.46: Kết cấu đỉnh piston ..........................................................................................50
Hình 2.47: Hỗn hợp nhiên liệu hịa trộn trên đỉnh piston .................................................51
Hình 2.48: Ảnh hưởng của đỉnh piston vào hiệu suất động cơ của NISSAN tại tốc độ
động cơ là 1600v/p .............................................................................................................51
Hình 2.49: Ảnh hưởng của hốc lõm piston vào hiệu suất và lượng khí thải trên động cơ

GDI của mercedesbenz ......................................................................................................52
Hình 2.50: Các loại muội than xuất hiện ở miệng vịi phun ..............................................53
Hình 3.1: Các mẫu đợng cơ ...............................................................................................56
Hình 3.2: Động cơ EcoBoost 3.5L V6 ...............................................................................56
Hình 3.3: Động cơ EcoBoost 2.0L I4 ................................................................................57
Hình 3.4: Động cơ EcoBoost 1.6L I4 ................................................................................58
Hình 3.5: Động cơ EcoBoost 1.0L I3 ................................................................................58
Hình 3.6: Kết cấu của động cơ ecoboost ...........................................................................59
Hình 3.7: Lốc máy động cơ ecoboost ................................................................................60
Hình 3.8: Piston và xylanh động cơ ecoboost ...................................................................60
Hình 3.9: Vị trí kim phun trong xy lanh .............................................................................61
Hình 3.10: Turbo tăng áp ..................................................................................................61
Hình 3.11: Đai cam được ngâm trong dầu ........................................................................62
Hình 3.12: Cơng nghệ Ti-VCT ...........................................................................................62
Hình 3.13: Bộ điều khiển áp suất dầu ................................................................................63
8


Hình 3.14: Khi góc trục cam ở vị trí ban đầu ....................................................................64
Hình 3.15: Cơng nghệ Ti-VCT điều khiển xu-páp đóng muộn ..........................................64
Hình 3.16: Cấu tạo turbo tăng áp ......................................................................................65
Hình 3.17 Sơ đồ hoạt động turbo tăng áp .........................................................................66
Hình 3.18: Phần nạp khí của Turbo ..................................................................................66
Hình 3.19: Phần cánh tuabin bên khí xả ...........................................................................67
Hình 3.20: Phun xăng trực tiếp .........................................................................................67
Hình 3.21: Phun nhiêu liệu ................................................................................................69
Hình 3.22: Kim phun..........................................................................................................70
Hình 3.23: Nước làm mát được đưa vào làm mát động cơ ...............................................71
Hình 3.24: Cổ hút khí nạp gắn trực tiếp trên đầu xy-lanh ................................................72
Hình 3.25: Sơ đồ khối của hệ thống nhiên liệu .................................................................72

Hình 3.26: Cấ u tạo hê ̣ thố ng nhiên liê ̣u áp suấ t thấ p ........................................................73
Hình 3.27: Cấ u tạo hê ̣ thố ng nhiên liê ̣u áp suấ t thấ p ........................................................74
Hình 3.28: Bơm cao áp ......................................................................................................75
Hình 3.29: Cấu tạo bơm cao áp của hệ thống nhiên liệu ..................................................75
Hình 3.30: Nguyên lý hoạt động bơm cao áp ....................................................................76
Hình 3.31: Ống phân phối và kim phun nhiên liệu ............................................................77
Hình 3.32: Kim phun và ố ng phân phố i nhiêu liê ̣u............................................................77
Hình 3.33: Cấu tạo kim phun nhiên liệu ............................................................................78
Hình 3.34: Phun xăng trực tiếp .........................................................................................80
Hình 3.35: Vi ̣ trí các chi tiế t trên động cơ từ phía trước ...................................................81
Hình 3.36: Vi ̣ trí các chi tiế t trên đợng cơ từ phía sau ......................................................82
Hình 3.37: Cảm biến nhiệt độ nước làm mát.....................................................................83
Hình 3.38: Mạch điê ̣n cảm biế n nhiê ̣t đợ nước làm mát ...................................................83
Hình 3.39 Đường đặc tính tuyến của cảm biến nhiệt độ nước ..........................................84
Hình 3.40: Cảm biến áp suất MAP ....................................................................................85
Hình 3.41: Cảm biến áp suất điện dung ............................................................................86
Hình 3.42: Nguyên lý áp kế điện dung...............................................................................86
Hình 3.43: Mạch điện cảm biến áp suất đường ống nạp ..................................................87
Hình 3.44: Tín hiệu cảm biến TPS .....................................................................................88
Hình 3.45: Mạch điện cảm biến vị trí bướm ga .................................................................88
Hình 3.46 : Đặc tuyến của cảm biến vị trí bướm ga .........................................................89
Hình 3.47: Cảm biến nhiệt độ khí nạp ...............................................................................89
Hình 3.48: Mạch điện của cảm biến nhiệt độ ....................................................................90
9


Hình 3.49: Đặc tính của IAT .............................................................................................91
Hình 3.50: Cấu tạo cảm biến ơxy .....................................................................................92
Hình 3.51: Sơ đồ hoạt động cảm biến Oxy ........................................................................93
Hình 3.52: Tín hiệu điện áp cảm biến oxy .........................................................................94

Hình 3.53: Đặc tính của cảm biến oxy ..............................................................................94
Hình 3.54 Cảm biến CKP ..................................................................................................95
Hình 3.55: Tín hiệu cảm biến CKP (Hall) .........................................................................95
Hình 3.56: Sơ đồ mạch điện cảm biến CKP ......................................................................96
Hình 3.57: Cảm biến CMP ................................................................................................96
Hình 3.58: Dạng xung cảm biến CMP ..............................................................................97
Hình 3.59: Sơ đồ mạch điện cảm biến CMP .....................................................................97
Hình 3.60: Cách bố trí của cảm biến kích nổ ....................................................................98
Hinh 3.61: Điều khiển đánh lửa khi phát hiện động cơ có hiện tượng kích nổ .................98
Hình 3.62: Đồ thị biểu diễn tần số kích nổ ........................................................................99
Hình 3.63: Sơ đồ mạch điện cảm biến KSL .......................................................................99
Hình 3.64: Cảm biến MAF ..............................................................................................100
Hình 3.65: Nguyên lý hoạt động cảm biến MAF .............................................................100
Hình 3.66: Tín hiệu cảm biến MAF .................................................................................101
Hình 3.67: Sơ đồ mạch điện MAF ...................................................................................101
Hình 3.68: Sơ đồ nguyên lý cảm biến kích nổ .................................................................102
Hình 3.69: Mạch điện tổng quát………………………………………………………..103
Hình 3.70: Sơ đồ mạch khởi động ...................................................................................104
Hình 3.71: Sơ đồ mạch điều khiển bơm nhiên liệu ..........................................................106
Hình 3.72: Mạch kim phun ..............................................................................................108
Hình 3.73: Sơ đồ mạch đánh lửa .....................................................................................110
Hình 3.74: Mạch điện tổng quát ......................................................................................112
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1: Nhiệt độ và giá trị của điện trở của ECT ..........................................................85
Bảng 3.2: Giá trị của IAT ..................................................................................................93

10


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Lý do chọn đề tài
 Ơtơ đã trở thành một phương tiện vận chuyển thông dụng và hữu hiệu trong
bất cứ ngành nghề nào của nền kinh tế quốc dân như: Khai thác tài nguyên, dich
vụ công cộng, xây dựng cơ bản, quân sự, và đặc biệt là nhu cầu ngày càng cao của
con người… Một chiếc ô tô hiện đại ngày ngay phải đáp ứng được các nhu cầu về
tính tiện nghi, an tồn, kinh tế, thẩm mỹ và thân thiện với môi trường, v.v…Các nhà chế
tạo ơtơ nói chung và hãng xe Ford nói riêng đã khơng ngừng cải tiến và hồn thiện
chúng bằng việc đưa kỹ thuật điều khiển điện tử tiên tiến nhằm đáp ứng những nhu cầu đó.
 Hiện nay ngành cơng nghệ ơ tơ đã có những bước phát triển vượt bậc, các vấn đề
về tiết kiệm nhiên liệu và bảo vệ mội trường luôn được đặt lên hàng đầu. Ford là một trong
những hãng xe tiên phong và tích cực nhất trong việc bào vệ môi trường thông qua việc
ứng dụng nhiều công nghệ tiên tiến tiết kiệm nhiên liệu giảm khí CO2. Điển hình là Ford
đã cho ra đời ngày càng nhiều động cơ xanh Ecoboost. Nói đến các chiếc xe được trang bị
động cơ Ecoboost tại Việt Nam phải kể đến fiesta 1.0L, đây cũng là thế hệ đầu tiên có mặt
tại Việt Nam vào năm 2014. Ngồi ra, nhằm cập nhật những cơng nghệ mới và tăng tính
trực quan hóa trong giảng dạy và học tập, với mục đích nâng cao chất lượng dạy và học.
Chính vì lẽ đó, người nghiên cứu như chúng tơi quyết định nghiên cứu về động cơ xanh
Ecoboost (GDTI) với mong muốn giúp các bạn sinh viên dễ dàng tiếp thu để việc học có
hiệu quả cao hơn.
1.2 Mục đích nghiên cứu
 Giúp người nghiên cứu cũng cố lại kiến thức đã được học trong suốt chương trình
học. Đồng thời tiếp cận với công nghệ mới nhất đã được ứng dụng trên xe ơ tơ ngày nay,
đó là những kiến thức thực tế rất cần thiết của một người kỹ sư cơ khí động lực.
1.3 Giới hạn đề tài
 Đề tài chỉ giới hạn ở việc giới thiệu về động cơ phun xăng trực tiếp GDI và qua đó
nghiên cứu về động cơ phun xăng trực tiếp Ecoboost được sử dụng trên xe Fiesta, các công
nghệ mới được ứng dụng trên động cơ. Đồng thời trình bày các cơ cấu cơ khí và hệ thống
điều khiển điện động cơ cũng như các cảm biến trên động cơ Ecoboost.

11

1.4 Phương pháp nghiên cứu
 Để đề tài được hoàn thành chúng em đã kết hợp nhiều phương pháp nghiên cứu.
Trong đó đặc biệt là phương pháp tham khảo tài liệu, thu thập thông tin từ nhiều nguồn
khác nhau từ đó tìm ra những ý tưởng mới để hình thành đề cương của đề tài.
1.5 Các bước thực hiện
 Tham khảo tài liệu.
 Thu thập thông tin liên quan trên internet.
 Nghiên cứu chương trình học mơn động cơ I, II
 Viết báo cáo.

12


CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG TRỰC TIẾP GDI
2.1 Giới thiệu chung về động cơ phun xăng trực tiếp GDI
2.1.1 Lịch sử ra đời của GDI
 GDI là từ viết tắt của cụm từ Gasonline direct injection chỉ các loại động cơ phun
xăng trực tiếp. Trong loại động cơ này, xăng được phun thẳng vào buồng cháy của các xilanh, khác hẳn nguyên lý phun xăng vào đường nạp của các động cơ phun xăng điện tử
thông dụng. GDI được giới thiệu trong sản xuất máy bay ở trong chiến tranh thế giới thứ
II, bởi những nhà thiết kế người Đức (Daimler Benz) và Liên xô cũ (KB khimavtomatika).
Hệ thống phun xăng trực tiếp được phát triển bởi Bosch và được giới thiệu bởi Goliath và
Gutbrod năm 1952. Vào năm 1955, Mercedes – Benz đầu tiên ứng dụng phun xăng trực
tiếp vào buồng cháy của động cơ 6 cylinder (Mercedes – Benz 300SL) với thiết bị bơm tạo
áp suất phun của Bosch. Tuy nhiên, việc ứng dụng này bị quên lãng do vào thời điểm đó
các thiết bị điện tử chưa được phát triển và ứng dụng nhiều cho động cơ ôtô nên việc điều
khiển phun nhiên liệu của động cơ thuần tuý bằng cơ khí và việc tạo hỗn hợp phân lớp cho
động cơ chưa được nghiên cứu như ngày nay. Vì vậy, so với quá trình tạo hỗn hợp ngồi
động cơ thì q trình tạo hỗn hợp trong buồng đốt cũng không khả quan hơn nhưng kết cấu

và giá thành thì cao hơn nhiều.

Hình 2.1: Mercedes – Benz 300SL 6 cylinder
 Mãi đến năm 1996, với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật điện tử, hệ thống phun
xăng trực tiếp mới xuất hiện trở lại trên thị trường ô tô. Mitsubishi Motors là hãng đầu tiên
có động cơ GDI ở thị trường Nhật Bản trên mẫu Galant/Legnum’s 4G93 1.8L 4 xilanh
13


thẳng hàng, mẫu này sau đó được bán ở Châu Âu năm 1997 với xe Mitsubishi Carisma
nhưng nhiên liệu chứa lưu huỳnh cao ở Châu Âu dẫn đến những vấn đề về khí xả và hiệu
suất chất đốt thấp hơn mong đợi.

Hình 2.2: Động cơ GDI của Mitsubishi
 Năm 1997, họ cũng giới thiệu động cơ GDI 6 xilanh đầu tiên, đó là động cơ 6G74
3.5L V6. Mitsubishi đã ứng dụng rộng dãi công nghệ này, sản xuất hơn 1 triệu động cơ
GDI cho bốn công ty khác năm 2001. Volkswagen/Audi cho ra mắt kiểu động cơ kiểu GDI
vào năm 2001 nhưng lấy tên gọi là FSI (Fuel Stratified Injection), BMW cũng cho ra đời
động cơ GDI V12.

Hình 2.3: Động cơ V12 của BMW
 Cả PSA Peugeot Citroen và Hyundai Motors đều được cấp phép công nghệ GDI của
Mitsubishi năm 1999 và sau đó sử dụng trên động cơ V8 GDI đầu tiên. Các nhà sản xuất
14


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 đã chuyển
sang nghiên cứu tạo hỗn hợp trong buồng đốt và đã ra mắt thị trường với động cơ 2GR –
FSE V6 vào đầu năm 2006.

Hình 2.4: Động cơ 2GR – FSE V6 của Toyota

Hình 2.5: Hyundai-Theta-GDI-Turbo
2.1.2 Kết cấu chung của động cơ phun xăng trực tiếp
 Về kết cấu chung của động cơ GDI cũng tương tự như động cơ EFI. Điểm khác
nhau cơ bản là ở hệ thống buồng cháy, hệ thống nhiên liệu, hệ thống điều khiển và đánh
lửa (ECU). Ở bộ xử lý khí thải thì 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 ở chế độ hỗn hợp nghèo.

15


Hình 2.6: Sơ đồ hệ thống GDI của Bosch
1-Thùng xăng, 2-Bơm tiếp vận, 3-ECU, 4-Bộ điều khiển bướm ga, 5-Đường ống nạp,
6-Cảm biến lưu lượng khí nạp, 7-Hộp cácbon, 8-Kim phun, 9-Bơm cao áp, 10-Cuộn đánh
lửa,11-Bàn đạp, 12-Cảm biến oxy, 13-Cảm biến nhiệt độ nước,
14-Bộ xúc tác, 15-Cảm biến tốc độ
2.1.2.1 Những đặc tính kĩ thuật của động cơ GDI :
 Kết cấu đường ống nạp tạo được sự lưu thơng của lượng gió tối ưu nhất.
 Hình dạng piston lồi, lõm tạo thành buồng cháy tốt nhất, tạo được sự hịa trộn nhiên
liệu- khơng khí tối ưu nhất.
 Bơm xăng cao áp cung cấp xăng có áp suất cao đến kim phun và phun trực tiếp vào
xi lanh động cơ.
 Kim phun nhiên liệu có áp suất phun cao (khoảng chừng 5-10MPa), chuyển động
xốy lốc kết hợp với khơng khí tạo thành hịa khí (xăng-khơng khí) tốt nhất.
 Ở chế độ tải nhỏ, nhiên liệu được phun ở cuối quá trình nén. Ở chế độ đầy tải nhiên
liệu được phun trong q trình nạp.
 Tiêu hao nhiên liệu ít hơn (khoảng 35% so với động cơ xăng EFI hiện nay).
16

2.1.2.2 So sánh động cơ phun xăng trực tiếp GDI và EFI
 Sự khác biệt chính giữa động cơ EFI và động cơ GDI là trong việc hình thành hỗn
hợp được minh họa như hình 2.7. Trong động cơ EFI, kim phun được gắn trên đường ống
nạp gần với cổ góp hút riêng của xilanh trước xupap nạp và nhiên liệu được phun vào trong
đường ống nạp của mỗi xi-lanh, hỗn hợp (nhiên liệu-khơng khí) được hình thành phía ngồi
buồng đốt. Cịn ở động cơ GDI thì kim phun nhiên liệu được gắn trực tiếp vào trong buồng
cháy với áp suất phun lớn và xăng được phun thẳng vào buồng cháy của các xi-lanh. Như
vậy hệ thống GDI hỗn hợp (nhiên liệu-khơng khí) sẽ hình thành bên trong buồng cháy.
Trong quá trình phun, nhiên liệu được phun theo các giai đoạn khác nhau tùy theo chế độ
tải.

Hình 2.7: So sánh về sự hình thành hỗn hợp của EFI và GDI
 Cấu tạo:

▪ Động cơ phun xăng trực tiếp GDI bao gồm những bộ phận hoạt động ở áp suất
cao: bơm nhiên liệu áp suất cao (ở áp suất 4-20MPa), áp suất đường ống phân phối cao
(4-13 MPa), có thêm cảm biến áp suất nhiên liệu, các chất xúc tác, ở bộ xử lý khí thải thì
có bố trí thêm một bộ xúc tác nữa, đỉnh piston là lồi-lõm…

▪ Động cơ EFI: áp suất bơm khoảng chừng 0.5MPa, áp suất đường ống phân phối từ
0.25-0.3MPa, đỉnh piston thường là đỉnh bằng hoặc lồi…
 Phun trực tiếp xăng vào xi-lanh của động cơ GDI loại bỏ màng nhiên liệu tích hợp
trên đường nạp và việc nhiên liệu làm ướt thành xilanh tại cổng nạp, trong khi việc điều
khiển khả năng phun nhiên liệu cho mỗi lần đốt tốt hơn động cơ EFI. Động cơ GDI cung
cấp khả năng đốt cháy nghèo tốt hơn, ít sự khơng đồng nhất giữa các xilanh trong tỷ lệ
khơng khí-nhiên liệu.
17

 Phun trực tiếp xăng với việc làm giàu kinh tế nhiên liệu khi khởi động lạnh ít hơn
hoặc khơng cần làm đậm nhiên liệu và giảm đáng kể lượng khí hydro cacbon khơng cháy
(UBHC) trong q trình chuyển tải. Một ví dụ việc so sánh về số lượng nhiên liệu cần thiết
để bắt đầu khởi động động cơ GDI và EFI được cung cấp trong hình 2.8. Khá hiển nhiên
rằng động cơ GDI địi hỏi nhiên liệu ít hơn nhiều để khởi động động cơ và đó là sự khác
biệt trong các yêu cầu nhiên liệu tối thiểu trở nên lớn hơn khi giảm nhiệt độ mơi trường
xung quanh.

Hình 2.8: So sánh lượng nhiên liệu cần thiết cho việc khởi động động cơ
 Một hạn chế khác của động cơ EFI là việc điều chỉnh bướm ga để kiểm soát khả
năng tải trọng động cơ. Mặc dù việc điều chỉnh bướm ga là một cơ chế tốt và đáng tin cậy
để kiểm soát tải trọng động cơ EFI nhưng sự mất mát nhiệt động lực học khi điều chỉnh ga
là khá lớn. Bất kỳ hệ thống nào mà có điều chỉnh mức độ tải sẽ dẫn tới sự mất mát nhiệt
động lực học đi kèm với tổn thất trong chu kỳ bơm và sẽ dẫn tới suy giảm hiệu suất nhiệt
ở mức độ thấp của tải trọng động cơ. Cịn động cơ GDI khơng dùng bướm ga để điều chỉnh
lượng khí nạp như động cơ xăng dùng chế hồ khí (Việc phân lớp hỗn hợp khơng phải là
tối ưu ở tất cả các chế độ hoạt động của động cơ nên sẽ có việc lựa chọn chế độ hịa trộn
hỗn hợp phù hợp với điều kiện hoạt động động cơ, cịn "khơng dùng bướm ga để điều chỉnh
lượng khí nạp" là trong trường hợp chọn chế độ phân lớp hỗn hợp. Lúc này bướm ga sẽ
gần như là nằm song song thành ống nạp và ít cản gió trên đường nạp) nên đường nạp
thơng thống như đường nạp của động cơ Diezel. Động cơ GDI thay đổi lượng nhiên liệu
phun vào buồng cháy tuỳ thuộc vào công suất cần thiết. Nguyên lý điều chỉnh này cũng
giống như nguyên lý làm việc của động cơ diesel là điều chỉnh nhiên liệu để có các tỷ lệ
hồ khí khác nhau.
18


2.1.2.3 Ưu điểm động cơ GDI so với động cơ EFI:
 Ưu điểm:

 Điều khiển được lượng xăng cung cấp rất chính xác, hệ số nạp cao như động cơ
diesel và thậm chí hơn hẳn động cơ diesel.
 Động cơ có khả năng làm việc được với hỗn hợp cực loãng Air/Fuel = 30-55.
 Cụ thể:
 Ở chế độ nạp phân tầng và chế độ nạp đồng nhất hỗn hợp nghèo:

Hình 2.9: Chế độ nạp phân tầng và chế độ nạp đồng nhất hỗn hợp nghèo
 Trong các chế độ hoạt động này, xe hoạt động dưới tỷ số  trong khoảng 1.55-3. Cụ
thể động cơ hoạt động tại tỷ số lambda từ 1,6 đến 3 trong chế độ nạp phân tầng và khoảng
1,55 trong chế độ nạp đồng nhất hỗn hợp nghèo điều này cho phép bướm ga mở thêm làm
giảm sức cản do khơng khí gây ra. Như vậy tính kinh tế nhiên liệu được nâng cao.
 Chế độ hỗn hợp nghèo:

Hình 2.10: Chế độ hỗn hợp nghèo
19


 Tổn thất nhiệt qua thành xy lanh giảm:

Hình 2.11: Tổn thất nhiệt qua thành xy lanh
 Trong chế độ nạp phân tầng, sự cháy duy nhất chỉ trong khu vực xung quanh bugi,
có nghĩa là sự mất nhiệt ít hơn ở các thành xy lanh và hiệu quả nhiệt cao hơn.

Hình 2.12: Đồ thị minh họa so sánh giữa GDI và các động cơ khác
 Kiểm sốt khí thải: những nhà chế tạo ơ tơ ln tìm mọi cách để đốt cháy một hỗn
hợp nhiên liệu loãng nhằm giảm thiểu cũng như kiểm sốt lượng khí thải NOx.
 Ngày nay, động cơ GDI đã giảm được 97% lượng khí thải này, điều này đạt được
do có sự tham gia bởi bộ ln hồi khí xả EGR và q trình cháy ổn định hơn.

20

Hình 2.13: Chuyển động nạp trong chế độ đồng nhất
 Do sự chuyển động xốy lốc của khí nạp trong buồng xy lanh, động cơ có khả năng
ln hồi khí thải cao lên đến 25% khi hoạt động ở chế độ nạp đồng nhất khí nạp với tốc độ
luân hồi khí thải thấp, bướm ga được mở rộng hơn. Điều này cho phép lượng khơng
khí vào dễ dàng hơn, qua đó làm giảm thiệt hại khi giảm ga.

Hình 2.14: Đồ thị kiểm sốt lượng khí thải NOx
 Tỷ số nén cao:

Hình 2.15: Phun nhiên liệu trực tiếp vào xi lanh
21


▪ Bằng cách phun nhiên liệu trực tiếp vào xi-lanh, nhiệt từ khơng khí được hấp thụ
bởi nhiên liệu và do đó làm mát khơng khí. Điều này làm giảm xu hướng kích nổ của động
cơ và cho phép tỉ lệ nén được tăng lên. Dẫn tới một tỷ số nén cao hơn các động cơ
khác và làm tăng hiệu suất nhiệt. So với động cơ EFI thì động cơ GDI tăng thêm được 10%
công suất và momen xoắn động cơ .

Hình 2.16: Đồ thị cơng suất và momen xoắn
 Sự tiêu hao nhiên liệu tối ưu nhất:

▪ Tiêu thụ nhiên liệu ít hơn, tối ưu hơn và hiệu suất cao hơn. Thời điểm phun được
tính tốn rất chính xác nhằm đáp ứng được sự thay đổi tải trọng của động cơ.

▪ Q trình cháy với hỗn hợp cực lỗng: Ở tốc độ cao (trên 120 Km/h), động cơ “GDI”
sẽ đốt 1 hỗn hợp nhiên liệu cực loãng, tiết kiệm được lượng nhiên liệu tiêu thụ. Ở chế độ
này, nhiên liệu được phun ra cuối kỳ nén: tỉ lệ hỗn hợp là cực lỗng (khơng khí/nhiên liệu

= 30-40 (35-55 bao gồm EGR)).

▪ Ở chế độ công suất cực đại: Khi động cơ GDI hoạt động ở chế độ tải lớn, tồn tải
thì nhiên liệu được phun vào xi lanh động cơ trong kỳ nạp, sự cháy hoàn hảo hơn, nhiên
liệu được cháy sạch, cháy kiệt, động cơ làm việc êm dịu và khơng có tiếng gõ.
2.1.2.4 Nhược điểm của động cơ phun xăng trực tiếp GDI
 Chỉ có lợi khi chạy ở tải vừa và nhỏ, khi chạy toàn tải thì hỗn hợp khá đậm.
22


 Giá thành cao.
 Phun dưới áp lực cao dễ tạo ra hiện tượng nhiên liệu bám vào buồng đốt.
 Cấu tạo phức tạp, có độ nhạy cảm cao và u cầu cao đối với chất lượng xăng và
khơng khí, khó bảo dưỡng sửa chữa.
 Do nhiên liệu được phun vào buồng đốt nên đòi hỏi áp suất phun phải lớn hơn rất
nhiều so với kiểu phun trên đường ống nạp, kết cấu kim phun phải đáp ứng được điều kiện
khắc nghiệt của buồng cháy, hệ thống điều khiển phun phức tạp hơn nhiều.Vật liệu sử dụng
làm piston và xilanh phải có độ bền cao, do nhiệt sinh ra trong q trình cháy cao hơn rất
nhiều.
 Có lẽ đây là các lý do quan trọng khiến động cơ GDI chưa phổ biến như EFI.
2.2 Cấu tạo động cơ phun xăng trực tiếp GDI
 Về cấu tạo của hệ thống phun xăng trực tiếp GDI là khá phức tạp nhưng nguyên tắc
cơ bản vẫn sử dụng các tín hiệu từ động cơ (qua các cảm biến) rồi xử lý tại bộ xử lý trung
tâm ECU để điều chỉnh vòi phun (thời điểm, lưu lượng, áp suất).
 Hệ thống bao gồm 3 phần chính :

▪ Hệ thống cung cấp nhiên liệu.
▪ Hệ thống phân phối khí.
▪ Hệ thống điều khiển và đánh lửa.
 Ngồi ra cịn có các hệ thống phụ khác: hệ thống khí thải, các thành phần cảm biến…

2.2.1 Hệ thống cung cấp nhiên liệu
 Hệ thống nhiên liệu của động cơ GDI về cơ bản bao gồm:

▪ Hệ thống phân phối và ổn định áp suất (common rail).
▪ Bơm tiếp vận.
▪ Bơm cao áp.
▪ Kim phun.
▪ Hệ thống điều khiển phun.
▪ Các thiết bị phụ khác như: thùng nhiên liệu, lọc, bơm, van an toàn, các đường ống…
23


 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 thì hệ thống nhiên liệu phải
đáp ứng được yêu cầu áp suất phun nhiên liệu của kim phun phải lớn hơn áp suất của khơng
khí 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 đòi hỏi phải lớn hơn áp suất trong buồng đốt ở kỳ nén rất
nhiều.Việc tạo ra hỗn hợp trong buồng đốt động cơ GDI liên quan trực tiếp đến quá trình
cung cấp nhiên liệu. Nếu cung cấp nhiên liệu khơng đạt u cầu sẽ dẫn tới q trình tạo
hỗn hợp khơng tốt, ảnh hưởng đến q trình cháy gây tiêu hao nhiên liệu, ơ nhiễm mơi
trường.

Hình 2.17: Sơ đồ hệ thống nhiên liệu của động cơ GDI
2.2.1.1 Yêu cầu của hệ thống nhiên liệu
 Hệ thống phun nhiên liệu trong động cơ GDI là một thành phần quan trọng cung
cấp các dòng chảy trong xi lanh để tạo ra một lượng hỗn hợp phù hợp cho từng chế độ hoạt
động của động cơ. Sự phun tơi nhiên liệu (phun nhiên liệu dưới dạng sương) cần phải được
tiến hành dưới mọi điều kiện hoạt động của động cơ. Một hệ thống nhiên liệu GDI cần phải
cung cấp ít nhất là hai và có thể là ba hoặc nhiều hơn các chế độ hoạt động khác nhau.
Đồng thời nó cần đáp ứng được cả 2 chức năng sau: phun trể cho sự nạp phân tầng tại chế

độ tải nhỏ, cũng như phun nhiên liệu trong kỳ nạp cho sự nạp đồng nhất tại chế độ toàn tải.
Tại chế độ tải nhỏ, khả năng phun sương hoặc sự pha trộn hỗn hợp (chùm hỗn hợp) tốt sẽ
24


tạo điều kiện dễ dàng cho sự hình thành hỗn hợp và điều khiển sự phân tầng.Tại chế độ
toàn tải (a well-dispersed fuel spray or mixture plume) khả năng phun phân tán hoặc chùm
hỗn hợp hợp là điều được mong muốn để đảm bảo khả năng nạp đồng nhất cho lượng phun
nhiên liệu lớn.
 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 khơng khí và được tách ra từng lớp tạo điều
kiện thuận lợi cho việc bốc hơi và hoà trộn tạo hỗn hợp đồng nhất.
 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 của
khơng khí 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 địi hỏi phải lớn hơn áp suất trong buồng đốt ở kỳ
nén rất nhiều. Hệ thống phun phải phun nhanh nhiên liệu vào cuối kỳ nén với áp suất xung
quanh lên tới 1MPa, việc này đòi hỏi áp suất phun nhiên liệu phải cao. Việc xác định áp
suất phun nhiên liệu trở nên rất quan trọng để mà có thể đạt được hiệu suất phun sương tốt.
Một áp suất phun nhiên liệu cao thì địi hỏi phải giảm bớt đường kính của vịi phun, trong
khi dùng một áp suất thấp thì sẽ làm giảm bớt tổn thất khi bơm, thời gian mồi bơm và giảm
được tiếng ồn khi phun. Việc sử dụng một áp suất phun rất cao, chẳng hạn như 20MPa
(Nếu áp suất quá thấp thì nhiên liệu sẽ bốc hơi và hịa trộn khơng tốt khi phun vào buồng
đốt, cịn khi áp suất q cao thì nhiên liệu có thể đi xuyên qua khối khí và va chạm với
thành buồng đốt, điều này không tốt) sẽ tăng cường tạo sương nhưng có thể sẽ tạo ra sự
phun thâm nhập, kết quả làm ướt thành xilanh.
 Dựa trên những phân tích đó, các điểm quan trọng liên quan đến hệ thống nhiên liệu
GDI là:
 Áp suất từ 4 -> 13MPa là áp suất thiết kế của đường ống nhiên liệu.
 Áp suất đường ống từ 5->10MPa thì được áp dụng ở hầu hết các hệ thống động cơ

GDI hiện tại.
 Tuổi thọ của bơm, tiếng ồn và chế độ mồi là các yếu tố quan trọng cần quan tâm khi
áp suất trên 8.5MPa.

25