Tìm hiểu hệ thống phun xăng trực tiếp

Đề Tài Tìm Hiểu Hệ Thống Phun Xăng Trực Tiếp

GVHD: Đỗ Quốc Ấm

LỜI CẢM ƠN
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh là niềm vinh dự và
tự hào mỗi sinh viên. Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh là
một trong những trường đào tạo ngành Cơng Nghệ Kỹ Thuật Ơ tơ - Cơ khí Động Lực
hàng đầu Việt Nam hiện nay. Theo học ngành Công Nghệ Kỹ Thuật và học tập trong mơi
trường khoa Cơ Khí Động Lực của trường, em đã được tạo điều kiện tốt nhất về cơ sở vật
chất cũng như nhận được sự giảng dạy nhiệt từ những thầy giàu kinh nghiệm như
GVC.Ths Đỗ Quốc Ấm, GVC.Ths Nguyễn Kim, ...và cũng như các thầy khác trong
khoa. Những điều đó đã giúp em rất nhiều trong q trình học tập ở trường. Và giờ đây,
khi hoàn thành xong đồ án tốt nghiệp, chúng em cảm thấy mình rút ra nhiều kinh nghiệm
thực tế quý giá và tổng kết lại những kiến thức đã học.
Hoàn thành đồ án tốt nghiệp này, chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến
thầy hướng dẫn GVC.Ths Đỗ Quốc Ấm đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ chúng em rất
nhiều trong suốt quá trình thực hiện. Dưới sự hướng dẫn của tận tình của thầy, em đã làm
quen và hiểu thêm về hoạt động học tập và nghiên cứu khoa học, từ đó có cái nhìn tổng
qt và sâu sắc hơn về những vấn đề em học tập trên lớp.
Xin chân thành cảm ơn thầy cô phản biện đã dành thời gian và cơng sức để đọc và
đóng góp những ý kiến quý báu giúp chúng em hoàn thiện nội dung của đồ án tốt nghiệp.
Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cơ khoa Cơ Khí Động Lực- Trường Đại Học
Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh và các bạn sinh viên lớp 131452 cùng gia
đình bạn bè đã động viên, góp ý và giúp đỡ để thực hiện đồ án.
Nhóm sinh viên thực hiện
Nguyễn Anh Tài
Lê Nhật Hoàng

SVTH: Nguyễn Anh Tài-Lê Nhật Hoàng

1


Đề Tài Tìm Hiểu Hệ Thống Phun Xăng Trực Tiếp

GVHD: Đỗ Quốc Ấm

TĨM TẮT
Ngành cơng nghiệp ơ tơ là một trong những ngành mũi nhọn ở các nước phát
triển, ảnh hưởng lớn đến nền kinh tế tồn cầu. Ngành cơng nghiệp ơ tơ ở nước ta phát
triển cịn khá non trẻ so với các nước phát triển, vì thế để đưa ngành công nghiệp ô tô đi
lên, chúng ta phải thực hiện các chính sách đi tắc đón đầu, học hỏi từ những nước phát
triển. Chúng ta phải tìm con đường tiếp thu nhanh và hiệu quả nhất trong công tác đào
tạo, giúp cho người học dễ dàng tiếp thu các kiến thức, kĩ thuật tiên tiến mà không tốn
nhiều thời gian.
Hệ thống điều khiển động cơ trong nhưng năm qua đã có những phát triển vượt
bậc nhằm giải quyết những vấn đề về môi trường, về tăng công suất động cơ, giảm tiêu
thụ nhiên liệu, tăng tính an tồn và tiện nghi trên ô tô.
Trong đề tài này, phần trình bày chúng em chủ yếu trình bày về tìm hiểu kết cấu,
hệ thống cung cấp nhiên liệu, hệ thống điều khiển động cơ các cảm tín hiệu đầu vào ra,
cảm biến, cơ cấu chấp hành hệ thống điều khiển động cơ, các chế độ hoạt động chính,
giúp cho người đọc có cái nhìn khái qt và hiểu rõ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của
động cơ phun xăng trực tiếp.
Trong quá trình thực hiện đề tài này, mặc dù có nhiều cố gắng nhưng khơng tránh
khỏi những thiếu sót nên chúng em rất mong nhận được đóng góp và chỉ dẫn của quý
thầy cô.

SVTH: Nguyễn Anh Tài-Lê Nhật Hoàng

2

Đề Tài Tìm Hiểu Hệ Thống Phun Xăng Trực Tiếp

GVHD: Đỗ Quốc Ấm

MỤC LỤC

BẢNG VIẾT TẮT
ATDC (After top dead center):

Sau điểm chết trên

BDC (Bottom dead center):

Điểm chết dưới

BMEP (Brake mean effective pressure):

Áp suất có ích trung bình

BSFC (Brake specific fuel consumption):

Suất tiêu hao nhiên liệu có ích

BTDC (Before top dead center):

Trước điểm chết trên

COV(Coefficient of variation):

Hệ số biến đối

CVT(Continuously variable transmission)

Hộp số vô cấp

DISC (Direct-injection stratified-charge):

Phun nhiên liệu trực tiếp & phân lớp

DISI (Direct-injection spark-ignited) :

Tên hệ thống GDI của Mazda

DV10 (Spray droplet size for which 10% of the fuel volume is in smaller droplets):
10% thể tích trong tia phun là hạt kích
thước nhỏ

SVTH: Nguyễn Anh Tài-Lê Nhật Hồng

3


Đề Tài Tìm Hiểu Hệ Thống Phun Xăng Trực Tiếp

GVHD: Đỗ Quốc Ấm

DV90 (Spray droplet size for which 90% of the fuel volume is in smaller droplets): 90%
thể tích trong tia phun là hạt kích thước

nhỏ
ECU (Electric control unit):

Bộ điều khiển điện tử

EFI (Electronic fuel ịnection):

Phun xăng điện tử

EGR (Exhaust gas recirculation) :

Hệ thống tuần hồn khí xả

EOI (End of injection):

Kết thúc phun.

GDI (gasoline direct injection):

Phun xăng trực tiếp

HC:

Hidrocacbon

IMEP (Indicated mean effective pressure):

Áp suất chỉ thị trung bình

ISFC (Indicated specific fuel consumption):

Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị

MBT (maximum brake torque):

Công suất tối đa

MPa:

Mega Pascal

MPI (Multi-point port injection ):

Phun xăng đa điểm

PFI (Port fuel injection):

Phun xăng trên đường ống nạp

SMD (Sauter mean diameter of a fuel spray):

Đường kính hạt nhiên liệu.

UBHC (Unburrn hydrocacbons):

Hydrocacbon không cháy

VVT (Variable valve timing):

Hệ thống điều khiển xu-pap

với góc mở biến thiên

WOT (Wide of throttle):
λ:

SVTH: Nguyễn Anh Tài-Lê Nhật Hoàng

Bướm ga mở hết
Hệ số dư lượng khơng khí

4


Đề Tài Tìm Hiểu Hệ Thống Phun Xăng Trực Tiếp

GVHD: Đỗ Quốc Ấm

DANH MỤC HÌNH ẢNH

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

1.1.Lý do chon đề tài
Theo các dự báo thì nguồn năng lượng hóa thạch hiện nay sẽ cạn kiệt trong vịng 50
năm nữa, vấn đề năng lượng đã trở thành mối quan tâm đặc biệt của các ngành cơng
nghiệp trong đó có cả ngành ô tô. Không chỉ vấn đề năng lượng mà vấn đề ô nhiễm môi
trường cũng đặc biệt được chú ý vì ơ tơ là nguồn phát thải khí CO 2 nhiều nhất. Vì thế các
nhà sản xuất ơ tô đã không ngừng nghiên cứu phát triển các công nghệ để giảm mức tiêu
thụ nhiên liệu và giảm mức phát thải của ơ tơ.

SVTH: Nguyễn Anh Tài-Lê Nhật Hồng

5


Đề Tài Tìm Hiểu Hệ Thống Phun Xăng Trực Tiếp

GVHD: Đỗ Quốc Ấm

Động cơ phun xăng trực tiếp được cho là một giải pháp tốt nhất trên động cơ sử dụng
xăng hiện nay. Nó đã được các nhà sản xuất ô tô hàng đầu trên thế giới nghiên cứu phát
triển và đã được ứng dụng tương đối rộng rãi trong thời gian gần đây.
Cùng với sự phát triển của ngành ô tô trong nước, việc tìm hiểu các công nghệ mới là
điều cần thiết. Nó giúp chúng ta tiếp cận được những kiến thức chun mơn mới cho sinh
viên. Vì thế chúng em sin thực hiện đề tài “TÌM HIỂU HỆ THỐNG PHUN XĂNG
TRỰC TIẾP” để góp phần nhỏ vào nền tảng kiến thức chuyên ngành ô tô Việt Nam.
1.2.Đối tượng phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là giới thiệu động cơ phun xăng trực tiếp điều khiển bằng
điện tử. Tuy nhiên do những hạn chế về kiến thức cũng như thời gian nên đề tài chỉ dừng
lại ở mức tìm hiểu kết cấu hệ thống nhiên liệu, hệ thống điều khiển điện tử của động cơ
và tìm hiểu cơ bản về cách thức hoạt động của động cơ này. Trên cơ sở này giúp người
đọc phát triển chuyên sâu thêm về chuyên đề này trong tương lai.
1.3.Mục tiêu và nhiêm vụ nghiên cứu
Mục tiêu:
•Tìm hiểu và xây dựng kiến thức về kết cấu và đặc điểm của động cơ phun xăng
trực tiếp.
Nhiệm vụ:
•Làm tài liệu tham khảo
•Góp phần vào nền tảng kiến thức chuyên môn về động cơ phun xăng trực tiếp.

1.4. Phương pháp nghiên cứu

Để hoàn thành đề tài chúng em đã kết hợp nhiều phương pháp nghiên cứu nhất là
phương pháp tham khảo tài liệu, thu thập thông tin từ internet. Tham khảo kiến thức từ
thầy cơ và những người có kinh nghiệm chun mơn. Trên cơ sở đó để chúng em hình
thành đề cương và hồn thành đề tài.

1.5.Kế hoạch thực hiện
• Thu thập tài liệu từ internet, sách tham khảo, thư viện...
• Phân tích nghiên cứu tài liệu dựa trên yêu cầu của đề tài
• Tham khảo ý kiến giáo viên hướng dẫn
• Chọn lọc sắp xếp kiến thức

SVTH: Nguyễn Anh Tài-Lê Nhật Hoàng

6


Đề Tài Tìm Hiểu Hệ Thống Phun Xăng Trực Tiếp

GVHD: Đỗ Quốc Ấm

• Viết thuyết minh và soạn bài trình chiếu
• Hướng dẫn, chỉnh sửa của giáo viên hướng dẫn
• Hồn thiện đề tài
• Báo cáo

CHƯƠNG 2. ĐỘNG CƠ GDI
2.1. Giới thiệu động cơ GDI
2.1.1. Động cơ GDI là gì ?
Động cơ GDI là động cơ đốt trong phun nhiên liệu vào trong buồng đốt có tên gọi
là động cơ phun xăng trực tiếp Gasoline direct injection (GDI) hay đánh lửa phun xăng

trực tiếp spark-ignited direct injection (SIDI) và phun nhiên liệu phân tầng fuel stratified
injection (FSI).

SVTH: Nguyễn Anh Tài-Lê Nhật Hoàng

7


Đề Tài Tìm Hiểu Hệ Thống Phun Xăng Trực Tiếp

GVHD: Đỗ Quốc Ấm

Hình 2.1: Động cơ GDI

2.1.2. Lịch sử hình thành động cơ GDI
Vào cuối thế kỷ 19 một kỹ sư người Pháp ông Stévaan đã nghĩ ra cách phân phối
nhiên liệu khi dùng một máy nén khí. Sau đó một thời gian người Đức đã cho phun nhiên

SVTH: Nguyễn Anh Tài-Lê Nhật Hoàng

8


Đề Tài Tìm Hiểu Hệ Thống Phun Xăng Trực Tiếp

GVHD: Đỗ Quốc Ấm

liệu vào buồng đốt, nhưng việc này không đạt được hiệu quả cao nên không được thực
hiện.
Đến năm 1887 người Mỹ đã có đóng góp to lớn trong việc khai triển hệ thống

phun xăng vào sản xuất, áp dụng trên động cơ tĩnh tại.
Đầu thế kỷ 20, người Đức áp dụng hệ thống phun xăng trên động cơ 4 thì tỉnh tại
(nhiên liệu dùng trên động cơ máy là dầu hoả nên hay bị kích nổ và hiệu suất rất 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 hồ khí. Hãng BOSCH đã áp dụng hệ thống phun xăng trên ơ tơ
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 một khoảng thời
gian dài do chiến tranh, đến 1962 người Pháp phát triển nó trên ơ tơ 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 xu-pap
nạp nên có tên là K-Jetronic (K- konstant-liên tục, Jetronic-phun). 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.

SVTH: Nguyễn Anh Tài-Lê Nhật Hoàng

9


Đề Tài Tìm Hiểu Hệ Thống Phun Xăng Trực Tiếp

GVHD: Đỗ Quốc Ấm

Hình 2. 2: Mẫu xe Peugoet 404 và động cơ của xe
Vào năm 1981 hệ thống K-jetronic được cải tiến thành hệ thống KE-Jetronic và nó

được sản xuất hàng loạt vào năm 1984 và được trang bị trên các xe của hãng Mescedes.
Dù đã được thành công lớn trong ứng dụng hệ thống K-Jetronic và KE-Jetronic
trên ô tô, nhưng các kiểu này có khuyết điểm là bão dưỡng sữa chữa khó và giá thành chế
tạo rất cao. Vì vậy các kỹ sư đã không ngừng nghiên cứu và đưa ra các loại khác như
Mono-jetronic, L-Jetronic, Motronic.
Đến năm 1984 người Nhật mua bản quyền của hãng BOSCH đã ứng dụng hệ
thống phun xăng L-Jetronic và D-jetronic trên các xe của hãng Toyota gọi là EFI
(Electronic Fuel Injection). Đến năm 1987 hãng Nissan dùng L-Jetronic thay cho bộ chế
hồ khí của xe Nissan sunny. Song song với việc phát triển của hệ thống phun xăng, hệ
thống điều khiển đánh lửa theo chương trình ESA (Electronic Spane Advance) cũng đã
được sử dụng vào những năm đầu thập kỹ 80 và loại tích hợp, tức điều khiển cả phun
xăng và đánh lửa của Hãng BOSCH đặt tên là Motronic.

SVTH: Nguyễn Anh Tài-Lê Nhật Hoàng

10


Đề Tài Tìm Hiểu Hệ Thống Phun Xăng Trực Tiếp

GVHD: Đỗ Quốc Ấm

Vào năm 1955, Mercedes – Benz đầu tiên ứng dụng phun xăng trực tiếp vào
buồng cháy của động cơ 6 xi lanh (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 q trình tạo hỗn hợp ngồi
động cơ thì q trình tạo hỗn hợp trong buồng đốt cũng khơng khả quan hơn nhưng kết
cấu và giá thành thì cao hơn nhiều.

Hình 2. 3: Động cơ 6 xi lanh của Mercesdes-Benz 300SL
Mãi đến năm 1996, với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật điện tử, động cơ xăng
ứng dụng phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng đốt được Mitsubishi Motors đưa trở lại thị
trường tại Nhật với tên mới đó là GDI (Gasoline direct injection), và tiếp theo đó nó xuất
hiện tại châu Âu vào năm 1998. Mitsubishi đã áp dụng kỹ thuật này sản xuất hơn 400.000
động cơ cho dòng xe 4 chỗ đến trước năm 1999.

SVTH: Nguyễn Anh Tài-Lê Nhật Hoàng

11


Đề Tài Tìm Hiểu Hệ Thống Phun Xăng Trực Tiếp

GVHD: Đỗ Quốc Ấm

Tiếp theo sau, là hàng loạt các hãng nổi tiếng như PSA Peugeot Citron, Daimler
Chrysler (với sự cho phép của Mitsubishi) cũng đã áp dụng kỹ thuật này cho dịng động
cơ của mình vào khoảng năm 2000 – 2001. Volkswagen/Audi cũng cho ra mắt động cơ
GDI vào năm 2001 nhưng dưới tên gọi FSI (Fuel Stratified Injection). BMW không chịu
thua kém đã cho ra đời động cơ GDI V12.
Các nhà sản xuất xe hàng đầu như General Motors cũng đã áp dụng kỹ thuật GDI
cho động cơ của mình để cho ra đời dịng xe mới vào những năm 2002. Và sau cùng đó là
Toyota cũng phải từ bỏ việc tạo hỗn hợp ngoài động cơ để chuyển sang tạo hỗn hợp trong
buồng đốt và đã ra mắt thị trường với động cơ 2GR – FSE V6 vào đầu năm 2006.
Xu hướng phát triển của các nhà sản xuất ơ tơ hiện nay là nghiên cứu hồn thiện
q trình hình thành hỗn hợp cháy để đạt được sự cháy kiệt, tăng tính kinh tế nhiên liệu
và giảm được hàm lượng độc hại của khí xả thải ra mơi trường. Công nghệ phun nhiên
liệu trực tiếp GDI (Gasoline Direct Injection) là một giải pháp. Bộ chế hịa khí giờ đã trở

nên lạc hậu. Vào những năm 70 của thế kỷ trước, việc hình thành hỗn hợp khí trong động
cơ xăng vẫn được thực hiện nhờ bộ chế hồ khí, còn đối với động cơ Diesel được thực
hiện nhờ bộ bơm cao áp kim phun kiểu Bosch. Đến nay, thời của chế hồ khí ngự trị đã
qua từ lâu, và ngay cả hệ phun xăng điện tử kiểu cũ (phun xăng đơn điểm) cũng lùi vào dĩ
vãng. Kiểu phun xăng điện tử đa điểm với mỗi xi lanh một vòi phun và phun vào ngay
phía trước họng xu-pap nạp đã lên ngôi và đang dần trở nên phổ thông, kể cả ở các xe
trung bình chứ khơng chỉ có trên các xe cao cấp như trước kia.
Tuy nhiên, vào năm 1996 hãng Mitsubishi lần đầu tiên giới thiệu kiểu phun xăng
trực tiếp vào buồng cháy GDI trên dòng xe Galant Legnum, và là một bước tiến kỳ diệu
trong việc nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu. Với công nghệ GDI, khi động cơ hoạt
động ở chế độ tải trọng nhỏ hỗn hợp xăng và khơng khí được hịa trộn ở trạng thái lỗng
tới mức khó tưởng tượng, cịn khi ở chế độ tải trọng trung bình và lớn thì xăng được phun

SVTH: Nguyễn Anh Tài-Lê Nhật Hoàng

12


Đề Tài Tìm Hiểu Hệ Thống Phun Xăng Trực Tiếp

GVHD: Đỗ Quốc Ấm

vào buồng cháy làm hai lần: Lần phun đầu tiên gọi là lần phun mồi được phun ở đầu q
trình nạp, cịn lần phun chính được thực hiện ở cuối q trình nén.

Hình 2. 4: Dịng xe Galant Legnum của Mitsubishi
Kể từ 1998, động cơ GDI được sản xuất tương đối rộng rãi với nhiều dòng như:
-Toyota: dùng hệ thống GDI D4 với động cơ SZ, NZ, 1AZ-FSE, 3GR-FSE (trên Lexus
GS300). Đặc biệt với động cơ 2GR-FSE V6 (trên Lexus IS 350) dùng công nghệ phun
nhiên liệu tiên tiến hơn đó là kết hợp giữa phun trực tiếp và phun gián tiếp trên cùng một

xi lanh (một kim phun gián tiếp kiểu cũ với áp suất thấp và một kim phun trực tiếp áp
suất cao), hệ thống này được gọi là D-4S.
Renault: Động cơ 2.0 IDE (Injection Direct Essence) lắp trên xe Megane, Laguna.
Volkswagen gọi công nghệ GDI là FSI (Fuel Stratified Injection) với các dòng động
cơ : Lupo 1.4L FSI 16 soupape I4 105 HP, 2.0L FSI 16 soupape turbo tăng áp, ... Về sau
xu thế của Volkswagen khi sản xuất là dùng công nghệ FSI.

SVTH: Nguyễn Anh Tài-Lê Nhật Hoàng

13


Đề Tài Tìm Hiểu Hệ Thống Phun Xăng Trực Tiếp

GVHD: Đỗ Quốc Ấm

Hình 2. 5: Động cơ Lupo 1.4L FSI 16 valve I4 105 HP và 2.0L FSI 16 valve turbo

PSA Peugeot Citrn (cịn gọi cơng nghệ GDI là HPi), với dòng động cơ : EW10D
2.0L 16 soupape 140 HP mua bản quyền công nghệ từ Mitsubishi Motor, lắp trên xe
Citroën C5 và Peugeot 406.
Alfa Romeo (gọi GDI là JTS –Jet Thrust Stoichiometric) ứng dụng công nghệ này
cho hầu hết các động cơ của Alfa.
BMW ban đầu ứng dụng công nghệ GDI cho động cơ N73 V12, tuy nhiên còn nhiều
khiếm khuyết như áp suất phun nhiên liệu thấp, không thể đưa động cơ về chế độ nghèo
xăng. Về sau hãng khắc phục bằng động cơ N52 I6. Động cơ N52 I6 được PSA hợp tác
với BMW lắp trên xe Mini Cooper S.
GM với động cơ : Ecotec 2.2L 155 HP lắp trên xe Opel, Vauxhall Vectra, Signum.
2.0L Ecotec kết hợp với công nghệ VVTi cho New Opel GT, Pontiac Solstice GXP,
Saturn Sky Red Line, xe thể thao Chevrolet Cobalt, Chevrolet HHR. Động cơ 3.6L LLT

lắp trên Cadillac STS, Cadillac CTS...
Mercedes – Benz (gọi GDI là CGI), phát triển động cơ dùng công nghệ GDI và lắp
trên CLS 350.

SVTH: Nguyễn Anh Tài-Lê Nhật Hoàng

14


Đề Tài Tìm Hiểu Hệ Thống Phun Xăng Trực Tiếp

GVHD: Đỗ Quốc Ấm

Mazda (gọi là DISI – Direct Injection Spark Ignition), với các động cơ lắp trên
Mazda 6, Mazda 3, xe thể thao Mazda CX-7.
Theo các chuyên gia đánh giá, loại động cơ GDI giúp tiết kiệm được 15% nhiên
liệu so với động cơ phun xăng điện tử EFI thông thường. Tuy vậy, động cơ GDI cũng
phải giải quyết một số vấn đề nan giải: Do nhiệt độ quá trình cháy tăng nhanh nên hàm
lượng ơxit nitơ trong khí xả khá lớn, do đó phải sử dụng bộ xử lý khí xả (Catalyser) nhiều
thành phần để tách NO2 thành khí nitơ và ôxi để giải quyết vấn đề ô nhiễm mơi trường.
Động cơ phun xăng trực tiếp cịn thường sử dụng đồng thời với các kỹ thuật khác như
VVT, VVT-i, luân hồi khí xả EGR… để đạt hiệu quả kinh tế và môi trường cao.

2.1.3. Cơ sở khoa học của động cơ GDI
Hiện nay sự tăng giá đột biến của xăng dầu, và tiêu chuẩn về khí thải của động cơ
ôtô 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. Nhiều
giải pháp được đưa ra, một trong những giải pháp được xem là thành công nhất hiện nay
(áp dụng cho động cơ sử dụng nhiên liệu xăng) đó là cho ra đời động cơ GDI (hỗn hợp
được tạo bên trong buồng đốt của động cơ, với sự nạp và cháy phân lớp).

So sánh giữa động cơ sử dụng nhiên liệu xăng (tạo hỗn hợp bên ngoài) và động cơ
sử dụng nhiên liệu Diesel (tạo hỗn hợp bên trong buồng đốt) ta thấy rằng: cùng một công
suất phát ra nhưng suất tiêu hao nhiên liệu ở động cơ Diesel thấp hơn đối với động cơ
xăng. Một phần là do đặc tính của nhiên liệu khác nhau, nhưng cái chính ở đây là q
trình tạo hỗn hợp và đốt cháy hỗn hợp của 2 loại động cơ này rất khác biệt nhau. Tuy
nhiên, chúng ta chưa thể ứng dụng động cơ Diesel cho xe du lịch được là vì động cơ này
có một số nhược điểm: tiếng ồn ở động cơ này cao so với động cơ xăng, khả năng tăng
tốc của động cơ này thấp hơn động cơ xăng, và đặc biệt là khí thải ở động cơ này cao hơn
đối với động cơ xăng.
Gần ba thập kỷ nay, người ta ln tìm cách kết hợp những ưu điểm của động cơ
xăng và Diesel để có thể cho ra đời một loại động cơ mới có thể đáp ứng được các nhu
cầu về khí thải, suất tiêu hao nhiên liệu, khả năng tăng tốc, tiếng ồn, … như đã nêu trên.

SVTH: Nguyễn Anh Tài-Lê Nhật Hoàng

15


Đề Tài Tìm Hiểu Hệ Thống Phun Xăng Trực Tiếp

GVHD: Đỗ Quốc Ấm

Khi xem xét quá trình tạo hỗn hợp và đốt cháy hỗn hợp ở động cơ Diesel ta nhận thấy có
các ưu điểm: hỗn hợp được tạo bên trong buồng đốt, cũng nhờ vào sự tạo hỗn hợp này
mà động cơ Diesel có thể hoạt động khi hệ số dư lượng khơng khí (λ) từ 1.4 – 1.8 (cũng
là nguyên nhân nồng độ NOx ở khí thải của động cơ Diesel cao hơn của động cơ xăng).
Do đặc tính của hai nhiên liệu khác nhau nên q trình hình thành tâm cháy cũng khác
nhau, vì vậy động cơ xăng PFI (Port Fuel Injection) không thể hoạt động với tỷ lệ (λ) như
trên. Vấn đề đặt ra cần phải có một phương pháp tạo hỗn hợp khác với phương pháp PFI.

xốy

Kim phun

Bu-gi

Đỉnh piston

Hình 2. 6: Hệ thống buồng đốt MAN-FM
Hình 2.6 Hệ thống buồng đốt MAN – FM Dựa trên cơ sở của các kiểu buồng cháy
MAN – FM (Maschinenfabrik Auguburg – Nurnberg), PROCO (Ford programmed

SVTH: Nguyễn Anh Tài-Lê Nhật Hoàng

16


Đề Tài Tìm Hiểu Hệ Thống Phun Xăng Trực Tiếp

GVHD: Đỗ Quốc Ấm

combustion control), hệ thống điều khiển TCCS (Texaco Controlled Combustion System)
các nhà nghiên cứu cho ra đời kiểu buồng cháy phun nhiên liệu trực tiếp & phân lớp đầu
tiên (DISC: direct – injection, stratified – charge). Với kiểu buồng cháy này, động cơ có
thể hoạt động được khi tỷ lệ A/F vào khoảng 20:1. Đây quả là một bước tiến nhảy vọt cho
động cơ xăng, và là tiền đề cho các thế hệ sau của động cơ GDI. Nhờ vào sự phát triển
của điện tử, tin học cách đây hơn hai thập kỷ thế hệ động cơ xăng PFI ra đời đã thay thế
động cơ xăng sử dụng bộ chế hịa khí, và ưu điểm vượt trội của loại động cơ xăng PFI mà
chúng ta đã biết. Cũng gần đây, sự xuất hiện của động cơ GDI cũng đã dần dần thay thế
động cơ PFI.

2.1.4. So sánh động cơ GDI với động cơ PFI
Động cơ PFI nhiên liệu được phun vào cổng nạp của mỗi xi lanh. Vì phun trên
đường ống nạp nên có thời gian trễ giữa thời điểm phun và hình thành hịa khí. Do có
thời gian trễ nên khi khởi động lạnh có hơi nhiên liệu bám trên đường ống nạp gây cản
trở quá trình nạp nhiên liệu và lỗi đo lưu lượng khí nạp làm cho lượng nhiên liệu nạp vào
nhiều hơn mức cần thiết. Đối với động cơ GDI hiện tượng này được khắc phục vì nhiên
liệu được phun trực tiếp vào buồng đốt tránh được nhiên liệu đọng trên đường ống nạp,
đồng thời lượng nhiên liệu phun vào được kiểm soát một cách chính xác hơn và thời gian
phun chính xác hơn.
Hình 2. 7: So sánh lượng nhiên liệu khí khởi động lạnh của GDI và PFI
Do nhiên liệu được phun trực tiếp và kết cấu của buồng đốt, động cơ GDI có thể
hoạt động với tỉ lệ A/F rất lỗng. Lượng UBHC (unburned hydrocacbons) trong khởi
động lạnh cũng thấp hơn so với động cơ PFI và khả năng hoạt động tức thời của động cơ
được tăng cường.
Nhiên liệu được phun trực tiếp và được điều khiển bằng máy tính nên nhiên liệu
có thể phun vào bất kì thời điểm nào.

SVTH: Nguyễn Anh Tài-Lê Nhật Hoàng

17


Đề Tài Tìm Hiểu Hệ Thống Phun Xăng Trực Tiếp

GVHD: Đỗ Quốc Ấm

Trong động cơ GDI áp suất nhiên liệu phun cao nên nhiên liệu được phun tơi hơn
so với PFI. Kích thước hạt nhiên liệu chỉ là 16 microns so với 120 microns của PFI tức là
nhiên liệu được phun tơi hơn. Tuy nhiên, việc phun vào xi lanh khơng đảm bảo rằng sẽ

khơng có màng nhiên liệu được hình thành.

SVTH: Nguyễn Anh Tài-Lê Nhật Hồng

18


Đề Tài Tìm Hiểu Hệ Thống Phun Xăng Trực Tiếp

GVHD: Đỗ Quốc Ấm

Hình 2. 8: Sự khác nhau giữa động cơ GDI và PFI
Tỷ số nén của động cơ GDI được nâng cao hơn so với động cơ PFI nên công suất
của động cơ GDI lớn hơn 10% so với động cơ PFI cùng dung tích xi lanh và kết cấu của

SVTH: Nguyễn Anh Tài-Lê Nhật Hoàng

19


Đề Tài Tìm Hiểu Hệ Thống Phun Xăng Trực Tiếp

GVHD: Đỗ Quốc Ấm

hệ thống tăng áp cho động cơ GDI thiết kế được hồn thiện hơn do động cơ có thể hoạt
động với hỗn hợp cực nghèo.
Tuy nhiên động cơ GDI cũng có những hạn chế cần khắc phục để được sử dụng
rộng rãi:
• Những thay đổi đáng kể trong hệ thống phân phối và kiểm sốt nhiên liệu;
• Thời gian phun nhiên liệu ngắn hơn (đôi khi trong micro giây);

• Cháy nghèo nên khó kiểm sốt được lượng khí thải NOx;
• Hình thành nhiều bồ hóng do nhiệt độ khí nạp thấp;
• Năng lượng sử dụng cho kim phun tăng;
• Yêu cầu bảo dưỡng động cơ phức tạp hơn;
• Giá thành chi tiết cao;
• Các cơng nghệ mới địi hỏi phải đào tạo kỹ thuật viên;
• Ống phân phối phải làm bằng vật liệu chịu được áp suất cao.
Ưu điểm của động cơ GDI so với động cơ PFI là
• Tiết kiệm nhiên liệu nhiều hơn 8-22%;
• Động cơ nhỏ hơn nhưng moment xoắn và cơng suất cao hơn;
• Có thể phun nhiên liệu bất cứ lúc nào trong suốt 4 chu kỳ hoạt động;
• Xả sạch hơn;
• Tỉ số nén cao hơn;
• Hỗn hợp nhiên liệu nghèo trong khởi động lạnh;
• Chế độ nhiên liệu có thể điều chỉnh để đạt mục tiêu giảm phát thải;

SVTH: Nguyễn Anh Tài-Lê Nhật Hoàng

20


Đề Tài Tìm Hiểu Hệ Thống Phun Xăng Trực Tiếp

GVHD: Đỗ Quốc Ấm

• Giảm mức phát thải khí CO2;
• Giảm tổn thất bơm động cơ;
• Làm mát khí nạp trong xi lanh;
• Phun nhiên liệu tơi hơn;
• Giảm nhiệt độ thành xi lanh (lý thuyết A/C - chất lỏng áp suất cao chuyển thành

khí áp suất thấp);
•Kích nổ được kiểm sốt tốt hơn;
Từ đó ta nhận thấy rằng động cơ GDI đã khắc phục được những hạn chế trên động
cơ PFI hiện tại vừa tiết kiệm nhiên liệu vừa giảm ơ nhiễm mơi trường vì thế có thể nói
động cơ GDI sẽ là loại động cơ được sử dụng phổ biến trong tương lai gần.

2.2. Cấu tạo hệ thống GDI
Đông cơ GDI về cơ bản vẫn là động cơ bốn kì nhưng kết cấu buồng đốt, hệ thống
cung cấp nhiên liệu, hệ thống điều khiển động cơ (phun xăng đánh lửa) phức tạp hơn, q
trình kiểm sốt khí thải cũng nghiêm ngặt hơn với bộ xúc tác ba thành phần để xử lý khí
thải khi động cơ hoạt động ở chế độ cực nghèo.

SVTH: Nguyễn Anh Tài-Lê Nhật Hoàng

21


Đề Tài Tìm Hiểu Hệ Thống Phun Xăng Trực Tiếp

GVHD: Đỗ Quốc Ấm

26
27
28
29
30
Hình 2. 9: Sơ đồ hệ thống GDI
1: Bộ thu hồi hơi nhiên liệu

16: Cảm biến nhiệt độ khí

xả
2: Van cấp hơi nhiên liệu
3: Bơm cao áp
4: Khoang chân khơng

17: Cảm biến áp suất
18: Cảm biến kích nổ
19: Bướm ga điện tử

5: Van solinoid

20: Cảm biến áp suất môi trường

6: Van xả

21: Module bàn đạp ga

7: Cảm biến lưu lượng khí nạp

22: Bơm nhiên liệu

8: Van solenoid

23: Cảm biến tốc độ

9: Bu-gi

24: Cảm biến ô xy

SVTH: Nguyễn Anh Tài-Lê Nhật Hoàng

22


Đề Tài Tìm Hiểu Hệ Thống Phun Xăng Trực Tiếp

10: Van một chiều
11: Cảm biến nhiệt độ khí nạp từ turbo

GVHD: Đỗ Quốc Ấm

25: Bộ xúc tác
26: ECU

12: Hệ thống giải nhiệt

27: Mạng CAN

13: Turbocharger

28: Đèn báo chẩn đoán

14: Cảm biến oxy

29: Giao diện chẩn đoán

15: Cổng xả

30: ECU mã hóa khóa động

cơ
Sự ra đời của động cơ GDI là một bước tiến qua trọng trong quá trình phát triển của
động cơ xăng. Động cơ GDI có kích thước nhỏ hơn, cơng suất động cơ lớn hơn, hạn chế
khí thải gây ô nhiễm môi trường, và giảm thiểu tối đa tiêu hao nhiên liệu. Tuy nhiên để
có được những bước tiến trên thì động cơ phải đạt được những yêu cầu cao hơn về điều
kiện làm việc như chịu được tải, áp suất cao hơn và nhiệt động học lớn hơn. Cấu trúc
buồng đốt cũng phải thay đổi để có thể đáp ứng được các yêu cầu hình thành nhiên liệu
trong buồng đốt.
2.2.1. Hệ thống nhiên liệu
Hệ thống nhiên liệu của động cơ GDI về cơ bản bao gồm: Bơm tiếp vận nhiên
liệu, bơm cao áp, hệ thống phân phối và ổn định áp suất (common rail), kim phun, hệ
thống điều khiển phun, và các thiết bị phụ khác như: thùng nhiên liệu, lọc, van an toàn...
Ở động cơ GDI, nhiên liệu được phun 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 là 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.

SVTH: Nguyễn Anh Tài-Lê Nhật Hoàng

23


Đề Tài Tìm Hiểu Hệ Thống Phun Xăng Trực Tiếp

GVHD: Đỗ Quốc Ấm
Cảm biến áp suất nhiên liệu

Kim phun

Bơm cao áp
Cảm biến áp suất nhiên liệu
Bộ điều áp
Lọc

Module nhiên liệu
Bơm tiếp vận

Hình 2. 10: Hệ thống nhiên liệu động cơ GDI

2.2.1.1. Yêu cầu hệ thống nhiên liệu
Trong những năm gần đây, những tiến bộ đáng kể trong điều khiển phun nhiên
bằng máy tính giúp cho hoạt động của động cơ GDI ngày càng hoàn thiện. Hệ thống
phun nhiên liệu trong một động cơ GDI là một thành phần quan trọng kết hợp với dịng
khí trong xi lanh để tạo hỗn hợp mong muốn trong toàn bộ phạm vi hoạt động của động
cơ. Hệ thống nhiên liệu phải cung cấp được một lượng nhiên liệu chính xác, khi phun vào
buồng đốt, nhiên liệu bốc hơi nhanh và hòa trộn khắp buồng đốt. Phun tơi nhiên liệu tốt
phải được tạo ra cho mọi điều kiện hoạt động. Hệ thống GDI cần cung cấp nhiên liệu cho
ít nhất hai và có thể ba hoặc nhiều chế độ hoạt động riêng biệt. Khi không có bướm ga,
vận hành một phần tải, hệ thống phải có khả năng phun nhanh vào cuối kì nén một áp lực

SVTH: Nguyễn Anh Tài-Lê Nhật Hoàng

24


Đề Tài Tìm Hiểu Hệ Thống Phun Xăng Trực Tiếp

GVHD: Đỗ Quốc Ấm

lên đến 1,0 MPa, một áp suất phun nhiên liệu tương đối cao. Áp suất phun nhiên liệu
được xác định là rất quan trọng để có được cả lượng phun hiệu quả và yêu cầu mức phun
tơi. Hệ thống phun nhiên liệu cho động cơ GDI phải có khả năng phun trễ để hình thành
quá trình nạp phân tầng (late injection for stratified-charge combustion) tại một phần tải,
cũng như phun trong suốt kì nạp để tạo sự nạp đồng nhất (injection during the intake
stroke for homogeneous-charge combustion) khi đầy tải. Tại một phần tải phun tơi kết
hợp hoặc hịa khí được hình thành nhanh và kiểm sốt sự phân tầng. Từ đó ta có những
yêu cầu của hệ thống nhiên liệu GDI:
• Áp suất nhiên liệu phải đạt 4,0-13,0 MPa;
• Áp suất phải được duy trì ổn định trong suốt q trình hoạt động;
• Cung cấp một lượng nhiên liệu chính xác;
• Nhiên liệu phải được phun tơi;
• Phải đáp ứng được điều kiện tạo hỗn hợp khác nhau ở các chế độ hoạt động khác nhau.

2.2.1.2. Bơm tiếp vận

Hình 2. 11: Bơm tiếp vận.

SVTH: Nguyễn Anh Tài-Lê Nhật Hoàng

25