CHƯƠNG I: TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHUN XĂNG TRÊN Ô TÔ 1.1 Lịch sử phát triển hệ thống cung cấp nhiên liệu của ô tô: Động cơ đốt trong là loại động cơ sử dụng lực đẩy do nhiên liệu cháy nổ để đẩy piston bên trong xilanh, chuyển động tịnh tiến của piston làm quay trục cơ sau đó làm bánh xe chuyển động nhờ xích tải hoặc trục chuyển động. Cácloại nhiên liệu phổ biến nhất cho ôtô là xăng và điesel. Về lịch sử phát triển của hệ thống phun xăng có một số mốc đáng chú ý dưới đây: - Vào năm 1860, Lenoir gắn động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu xăng và bộ chế hòa khí đơn giản (đã được cải tiến từ động cơ của Jean Joseph, một kỹ sư người Bỉ xin cấp bằng sáng chế chiếc xe động cơ đốt trong tác động kép, đánh lửa điện sử dụng nhiên liệu khí than năm 1860) vào một chiếc xe ba bánh và thực hiện thành công chuyến đi mang tính lịch sử với quãng đường 50 dặm. - 1862: Kỹ Sư người Pháp ông Alphonse Beau De Rochas đệ đơn cấp bằng sáng chế động cơ bốn kỳ số 52593 ngày 16 tháng 01 năm 1862 (nhưng đãkhông sản xuất).
- 1864: Siegfried Marcus, Kỹ Sư người Áo đã chế tạo một loại động cơ xilanh với bộ chế hòa khí rất thô sơ và sau đó gắn lên một chiếc xe ngựa và đã vận hành thành công trên quãng đường đá dài 500 foot (152,4m). Vài năm sau đó, Marcus thiết kế một chiếc xe có thể vận hành với tốc độ 10 dặm/giờ và một số sử gia cho rằng đây mới chính là chiếc xe sử dụng động cơ xăng đầu tiên trên thế giới. - 1876: Nikolas August Otto phát minh thành công và được cấp bằng sáng chế động cơ bốn kỳ thì hai loại động cơ này thường được gọi là “Chu kỳ Otto” và ngay sau khi thành công với động cơ này ông đã đưa ra nó vào sử dụng cho xe gắn máy. Cống hiến của Otto trong lịch sử được phát triển sử dụng rộng rãi cho đến tận ngày nay cho tất cả các xe chạy nhiên liệu lỏng.
Nikolas August Otto (sinh 10 tháng 6 năm 1832 tại Holzhausen ander Haide, Nassau - mất 26 tháng 1 năm 1891 tại Cologne) là một nhà phát minh người Đức, ông là người đã phát minh ra động cơ đốt trong đầu tiên có thể đốt cháy trực tiếp nhiên liệu một cách hiệu quả trong buồng piston. Dù trước đó đã có vài loại động cơ đốt trong được phát minh (ví dụ như của Estienne Lenoir), tuy nhiên những loại động cơ đó không dựa trên bốn chu kỳ quay riêng biệt. Lý thuyết về bốn chu kỳ quay đã hình thành vào khoảng giai đoạn có sự ra đời phát minh của Otto, nhưng ông là người đầu tiên áp dụng thành công vào thực tế. 1 GVHD: Cao Đào Nam SVTH: Nguyễn Tấn Huy - 1885: Vào năm 1885, Gottleib Daimler cùng với đối tác của mình là Wilhl Mayback cải tiến động cơ đốt trong của Otto và đệ đơn cấp bằng sáng chế cho phát kiến này và đây chính là nguyên mẫu động cơ xăng hiện nay.
Gottlieb Daimler phát minh loại động cơ có thể được coi như là nguyên mẫu của động cơ xăng hiện với xilanh thẳng đứng và sử dụng bộ chế hòa khí (cấp bằng năm 1889). Daimler lần đầu tiên chế tạo xe hai bánh gắn động cơ có tên “Reitwagen”, một năm sau đó loại động cơ này ông chế tạo chiếc ô tô 4 bánh đầu tiên trên thế giới. Động cơ Daimler - Maybach đời 1885 nhỏ, nhẹ, chạy nhanh, dùng bộ chế hòa khí bơm xăng và xilanh thẳng đứng. Kích cỡ, tốc độ và hiệu suất của loại động cơ này đã tạo nên cuộc cách mạng về thiết kế xe hơi.
Vào ngày 08 tháng 03 năm 1886, Daimler lắp loại động cơ này vào khung xe ngựa và qua đây phát kiến này được xem là thiết kế xe ôtô 4 bánh đầu tiên và ông được coi như nhà thiết kế đầu tiên của loại động cơ đốt trong có tính hữu dụng. Vào năm 1889, Daimler phát minh động cơ đốt trong 4 kỳ có van hình nấm và 2 xilanh hình chữ V. Cũng giống như động cơ Otto đời 1876, loại động cơ mới của Daimler đặt nền tảng cho động cơ ô tô hiện đại ngày nay. Cũng vào năm 1889, Daimler và Mayback chế tạo chiếc xe ô tô đầu tiên từ con số không, họ đã không cải tiến từ những chiếc xe cũ như trước đây họ đã từng làm.
Chiếc Daimler mới có hộp số 4 tốc độ với tốc độ tối đa 10 dặm/giờ. Năm 1890, Daimler thành lập Daimler Motoren - Gesllschft để sản xuất các mẫu xe theo thiết kế của ông. Mười một năm sau đó, Wilhelm Mayback thiết kế ra xe Mercedes. - Vào cuối thế kỷ 19 một kỹ sư người pháp ông Stevan 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 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 tỉnh 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 hoà khí.
Hãng BOSCH đã áp dụng hệ thống phun xăng trên ô tô hai thì bằng cách cung cấp nhiên liệu với áp lực cao và sử dụng phương pháp phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng đốt nên giá thành chế tạo cao và hiệu quả lại thấp với kỹ thuật 2 GVHD: Cao Đào Nam SVTH: Nguyễn Tấn Huy 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 ô tô Peugeot 404. Họ điều khiển sự phân phối nhiên liệu bằng cơ khí nên hiệu quả không cao và công nghệ vẫn chưa đáp ứng tốt. Đến năm 1966 hãng BOSCH đã thành công trong việc chế tạo hệ thống phun xăng cơ khí.
Trong hệ thống này nhiên liệu được phun liên tục vào trước xupáp 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. - 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 bảo dưỡng sửa 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 hoà 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.
- Vào năm 1955, Mercedes - Benz đầu tiên ứng dụng phun xăng trực tiếp vào buồng cháy của động cơ 6 xilanh (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 ô tô, 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 ngoài động cơ thì quá trình tạo hỗn hợp trong buồng đốt cũng không khả quan hơn nhưng kết cấu và giá thành thì cao hơn nhiều. - 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 3 GVHD: Cao Đào Nam SVTH: Nguyễn Tấn Huy 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. - 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 dòng 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 dòng 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 ô tô hiện nay là nghiên cứu hoàn thiện quá 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 môi trường. Công nghệ phun nhiên liệu trực tiếp GDI (Gasoline Direct Injection) là một giải pháp.
Bộ chế hòa 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 hoà khí, còn đối với động cơ Diesel được thực hiện nhờ bộ bơm cao áp vòi phun kiểu BOSCH. Đến nay, thời của chế hoà khí ngự trị đã qua từ lâu, và ngay cả hệ phun xăng điện tử kiểu cũ (phun xăng một điểm) cũng lùi vào dĩ vãng.