CHƯƠNG 1. HỆ THỐNG PHUN XĂNG TRỰC TIẾP GDI. Giới thiệu: Trong chương này sẽ cung cấp cho nguời hoc những kiến thức về nhiệm vụ, yêu cầu, công dụng, nguyên lý làm việc của hệ thống phun xăng trực tiếp GDI, cũng như thể hiện khả năng phán đoán, phân tích, kiểm tra và chẩn đoán được các hiện tượng hư hỏng của các bộ phận, các hệ thống trên hệ thống phun xăng trực tiếp GDI Mục tiêu: - Trình bày được cấu tạo, nguyên lý hoạt động hệ thống phun xăng trực tiếp GDI. - Trình bày được nguyên lý hoạt động sơ đồ mạch điện hệ thống phun xăng trực tiếp GDI - Tìm kiếm sơ đồ mạch điện hệ thống phun xăng trực tiếp GDI.
- Vận dụng cấu tạo, nguyên lý hoạt động hệ thống phun xăng trực tiếp GDI vào sửa chữa thực tế - Có tinh thần tự giác, say mê học tập. Nội dung chính: 1. Cấu tạo hệ thống phun xăng trực tiếp GDI. GDI là từ viết tắt của cụm từ Gasonline direct injection.
Về cấu tạo của hệ thống nhiên liệu GDI 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 lương, áp suất). Dưới đây là một số cảm biến quan trọng: - Cảm biến lượng khí nạp: đo lượng không khí xy lanh hút vào. - Cảm biến oxy: đo lượng ôxy trong khí thải nhằm xác định nhiên liệu hòa trộn thừa hay thiếu xăng để ECU hiệu chỉnh khi cần thiết. - Cảm biến vị trí xupap: giúp ECU điều chỉnh lượng xăng phun vào phù hợp khi đạp ga.
- Cảm biến nhiệt độ nước làm mát: đo nhiệt độ làm việc của động cơ. - Cảm biến hiệu điện thế để ECU bù ga khi mở các thiết bị điện trong xe. - Cảm biến áp suất ống tiết liệu: nhằm giúp ECU đo công suất động cơ. - Cảm biến tốc độ động cơ: dùng để tính toán xung độ động cơ.
Hệ thống nhiên liệu GDI có nhiều ưu điểm hơn hệ thống EFI, nhưng để có thể trang bị hệ thống GDI, vật liệu sử dụng làm piston và xilanh phải có độ bền cao, do nhiệt sinh ra QLĐT-BM13-QT31 13 trong quá trình cháy cao hơn rất nhiều, ngoài ra việc chế tạo vòi phun cũng phức tạp hơn. Do vậy chi phí cho hệ thống nhiên liệu GDI cao hơn nhiều so với EFI. Có lẽ đây là một lý do quan trọng khiến hệ thống GDI không phổ biến như EFI. Hệ thống nhiên liệu của động cơ GDI về cơ bản bao gồm: bơm tạo áp suất phun, 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, bơm chuyển tiếp, van an toàn, … Hình 1.1: Cấu tạo cơ bản của hệ thống phun trực tiếp GDI.
Ở động cơ GDI, nhiên liệu được đưa trực tiếp vào buồng đốt ở kỳ nạp hoặc kỳ nén. Để đưa được nhiên liệu vào buồng đốt động cơ trong kỳ nén, hệ thống nhiên liệu phải đáp ứng được yêu cầu áp suất phun nhiên liệu của kim phun phải lớn hơn áp suất trong buồng đốt ở kỳ nén, đồng thời để nhiên liệu được phun tơi hòa trộn tốt với không khí trong buồng đốt thì áp suất phun đòi hỏi phải lớn hơn áp suất không khí trong buồng đốt ở kỳ nén rất nhiều.2: Ống phân phối và các kim phun QLĐT-BM13-QT31 14 Việc tạo hỗn hợp trong buồng đốt động cơ GDI liên quan trực tiếp đến quá trình cung cấp nhiên liệu. Nếu việc cung cấp nhiên liệu không đạt yêu cầu sẽ dẫn tới quá trình tạo hỗn hợp không tốt và quá trình cháy sẽ không phát huy hết công suất của động cơ, nhiên liệu không được đốt cháy hoàn toàn sẽ gây ra tiêu hao nhiên liệu và ô nhiễm môi trường. Yêu cầu của hệ thống nhiên liệu: - Yêu cầu của hệ thống nhiên liệu là phải cung cấp nhiên liệu với lượng chính xác, khi nhiên liệu phun vào buồng đốt phải được bốc hơi nhanh chống, và hoà trộn đều khắp buồng đốt.
Hệ thống buồng đốt của động cơ GDI được thiết kế có các vách dẫn hướng để nhiên liệu khi phun vào sẽ được dẫn hướng va chạm vào lớp không khí và được bốc ra từng lớp tạo điều kiện thuận lợi cho việc bốc hơi và hoà trộn tạo hỗn hợp đồng nhất. - Hệ thống nhiên liệu còn phải đáp ứng được điều kiện tạo hỗn hợp phân lớp khi động cơ hoạt động chế độ tải nhỏ. Yêu cầu của áp suất phun: Để kim phun có thể phun vào buồng đốt vào kỳ nén thì áp suất nhiên liệu phải từ 4. Các kim phun được bố trí chung hệ thống common rail, hệ thống này phải đảm bảo được việc tạo áp suất như yêu cầu vừa nêu và ổn định trong lúc kim hoạt động (vì trong quá trình phun có thể làm sụt áp suất trên đường ống sẽ ảnh hưởng đến chất lượng quá trình phun nhiên liệu).
Đối với dòng nhiên liệu được phun vào buồng đốt nếu áp suất thấp nhiên liệu sẽ bốc hơi và hoà trộn không tốt, tuy nhiên nếu phun với áp suất quá cao dòng nhiên nhiêu sẽ xuyên qua khối khí có thể va chạm vào thành của buồng đốt cũng không tốt cho việc bốc hơi. Yêu cầu của kim phun: Kim phun nhiên liệu của động cơ GDI được bố trí trực tiếp trong buồng đốt. Kim phun là một nhân tố cấu thành buồng đốt của động cơ GDI : một mặt, nó quyết định khoảng không gian thời gian và vị trí của dòng nhiên liệu cung cấp cho buồng đốt. Mặt khác, nó quyết định lượng nhiên liệu cấp vào buồng đốt để tạo ra tỷ lệ hỗn hợp chính xác và tạo ra vùng hỗn hợp đậm dễ cháy xung quanh bugi tại thời điểm đánh lửa.
So với kim phun nhiên liệu ở động cơ PFI, thì yêu cầu đối với kim phun động cơ GDI đòi hỏi cao hơn nhiều. Trong thời gian ngắn từ 0.0 ms phải đưa được lượng nhiên liệu từ 5 đến 60 mg vào buồng đốt và phải đạt được những yêu cầu trên. Mặt khác, vì kim phun được bố trí trực tiếp trong buồng đốt nên nó phải đáp ứng được các yêu cầu tương tự như kim phun của động cơ Diesel (loại buồng đốt thống nhất). QLĐT-BM13-QT31 15 Phun nhiên liệu: Các nhà chế tạo ô tô đã chế tạo ra những kim phun xăng có áp suất rất cao 50 KG/cm2, đây là loại kim phun lý tưởng.
Ở cùng một thời điểm nó tạo được dòng xoáy lốc lớn nên phun ra những tia nhiên liệu rất mịn: đây cũng chính là đặc điểm về kim phun của GDI. Sự phun xăng trực tiếp khác với hệ thống phun xăng trên đường nạp ở sự điều khiển của kim phun. Nó cần một áp suất lớn do áp suất phun lớn để thắng được áp suất trong lòng xi lanh động cơ (trong buồng cháy) ở cuối kỳ nén. Kim phun phải hoạt động nhanh nhạy hơn từ 4 đến 5 lần so với các kim phun cổ điển do thời gian phun ngắn nhất ở chế độ cháy tầng.
Vì vậy một điện áp cao khoảng 90-100V cung cấp cho hệ thống nhiên liệu để giới hạn cường độ dòng điện cao có thể đạt đến 20A trong mạch điện (vì dòng điện quá lớn sẽ làm tăng kích thước các thiết bị điện và linh kiện điện tử). Hiệu điện thế cao này chỉ được sử dụng trong thời gian ngắn để nhấc ty kim của kim phun, còn việc giữ ty kim mở thì được thực hiện ở hiệu điện thế 12V. Trong những loại động cơ trước đây, hỗn hợp: Nhiên liệu + không khí phân tán không hoàn hảo nên sự phóng tia lửa điện ở các bugi là rất khó. Tuy nhiên, điều này được động cơ GDI khắc phục.
Hơn nữa sự tiết kiệm nhiên liệu còn được thực hiện bởi sự sắp xếp theo lớp của hỗn hợp khi nhiên liệu được phun ra ở cuối kỳ nén, lúc này hỗn hợp nhiên liệu ở mức cực loãng. Ở mẫu động cơ này, hỗn hợp nhiên liệu có độ đậm đặc tốt nhất khi nó xếp thành từng lớp ngay ở điện cực của bougie. Sự cháy cực kỳ ổn định của hỗn hợp nhiên liệu cực loãng với tỉ lệ (không khí/xăng) = 1/40: Với hỗn hợp được tạo thành từng lớp của động cơ GDI, đảm bảo cháy được hỗn hợp không khí + xăng cực loãng (sự đốt cháy nhanh chóng và ổn định : không làm giãm hiệu quả đốt cháy động cơ).Tỉ lệ của hỗn hợp cực loãng (không khí/xăng) = 40/1 (55/1). Các loại kim phun: Về cơ bản, thì kim phun hiện nay của loại động cơ GDI không thay đổi nhiều.
Các nhà sản suất chủ yếu phát triển về việc độ tán nhỏ tia nhiên liệu khi phun. Bằng thực nghiệm, người ta chứng minh được góc độ phun tốt nhất của chùm tia phun từ 300 – 900. Để điều khiển kim phun, người ta dùng thay đổi điện áp hoặc thay đổi cường độ dòng điện cấp cho cuộn solenoid. Tuy nhiên, ở kim phun động cơ GDI sử dụng phương pháp điều khiển điện áp (về ưu nhược điểm của các phương pháp điều khiển này được đánh giá ở động cơ PFI).
Để kim phun nhấc lên và nhiên liệu được phun vào đòi hỏi phải có thời gian từ lúc cấp điện đến khi ty kim nhấc lên và khi ty kim đóng cũng cần có thời gian để đóng lại hoàn QLĐT-BM13-QT31 16 toàn (thời gian này gọi là thời gian chết). Trong 1 chu trình hoạt động của động cơ thời gian để kim phun cấp nhiên liệu vào động cơ là rất ngắn (từ 0.0 ms nhất là khi động cơ hoạt động tốc độ cao) vì vậy, thời gian chết của kim phun cần phải được tính toán chính xác và cần thiết kế kim phun sao cho dòng điện cảm ứng do cuộn solenoid gây ra là nhỏ nhất. Đồng thời trong quá trình nhấc kim dòng nhiên liệu phun vào động cơ có thể làm thay đổi áp suất trên đường ống (common rail) và trong quá trình đóng kim đột ngột cũng làm dao động áp suất trong đường ống. 300 trước điểm chết trên 600 trước điểm chết trên 900 trước điểm chết trên Hình 1.3: Sự phun nhiên liệu của kim phun ở các góc độ quay trục khuỷu Kim phun một lỗ phun: Với áp suất phun từ 7.0 đến 10MPa, đường kính lỗ phun từ 14 μm đến 23 μm, tia phun được phun ra dạng hình nón (góc đỉnh từ 250 đến 1500), dòng nhiên liệu phun vào buồng đốt cuộn xoáy.
Trong quá trình ty kim nhấc lên mở lỗ phun nhưng không mở hoàn toàn mà chỉ từ 10 – 90 % đường kính của lỗ phun (DV90 – DV10).