CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG PHUN XĂNG TRỰC TIẾP GDI 1. Tổng quan về hệ thống GDI. Hệ thống phun xăng trực tiếp (GDI) thực hiện việc phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng đốt động cơ, thay vì phun ở ngay cửa nạp. Hệ thống này hạn chế tình trạng cặn bám trên đường ống nạp ngay phía trước xupap, giúp tăng công suất hoạt động, giảm khí thải, tiết kiệm nhiên liệu.
Các bộ phận chính của hệ thống phun xăng trực tiếp: Hình 1.1: Các bộ phận chính của hệ thống GDI. Cảm biến áp suất ống rail; 4. Hệ thống gồm: Trục cam, bơm cao áp, kim phun, cảm biến áp suất ống rail, piston. Trục cam xả sẽ có thêm vấu cam để dẫn động bơm cao áp và cả hai trục cam xả và nạp đều được xẻ rãnh để làm giảm khối lượng.
Piston được thiết kế dạng lõm theo vị trí đặt bugi, kết hợp với nắp máy tạo nên buồng đốt có hình dạng đặc biệt để tập trung nhiên liệu vị trí gần bugi, cộng thêm việc tạo xoáy giúp quá trình đốt cháy tốt hơn. 1 Luận Văn Tốt Nghiệp SVTH: Trần Ngọc Dương 1. Cấu tạo của hệ thống GDI.2: Hệ thống GDI. Cấu tạo của hệ thống phun xăng trực tiếp GDI bao gồm 2 phần chính: Phần thấp áp, phần cao áp.
Phần thấp áp: Cấu tạo phần thấp áp gồm có: bơm xăng, lọc xăng, van điều áp, tất cả được đặt trong thùng xăng. Hoạt động của phần thấp áp trong động cơ phun xăng trực tiếp giúp duy trì tính ổn định của lực tác động lên bơm cao áp. Phần cao áp: Phần áp suất cao áp gồm có bơm cao áp, ống rail, cảm biến áp suất ống rail và kim phun. Bộ phận này nén nhiên liệu áp suất thấp từ bơm xăng thành nhiên liệu áp suất cao và giữ trong đường ống rail.
Thông tin được chuyển đến ECU thông qua cảm biến áp suất ống rail. Bơm cao áp có nhiệm vụ nén nhiên liệu áp suất thấp từ bơm xăng lên thành nhiên liệu có 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: van điều áp) trên bơm cao áp. Sau đó ECM sẽ điều khiển kim phun nhiên liệu phun dưới áp suất cao vào buồng đốt động cơ.
Bơm cao áp được dẫn động bởi trục cam, do đó bơm được đặt trên nắp giàn cò và tiếp xúc với vấu cam. Thường thì bơm này được dẫn động bởi 2, 3 hoặc 4 vấu cam. Một số động cơ dạng chữ V có thể có tới 2 bơm cao áp (mỗi dãy 1 bơm). 2 Luận Văn Tốt Nghiệp SVTH: Trần Ngọc Dương Hình 1.3: Kết cấu bơm cao áp.
Đầu nối cửa ra; 2,9. Van an toàn; 3,8. Bộ giảm âm; 4. Cuộn dây điều khiển; 5.
Van cửa ra; 10. Nguyên lý hoạt động: Piston của bơm kết nối cơ khí vào trục cam của động cơ, piston vận hành bằng một cam lắp chung trên trục cam tác động lên đòn bẩy. Khi động cơ hoạt động, trục cam của động cơ quay làm piston trong bơm cao áp đi lên nén nhiên liệu với áp suất cao tạo ra nhiên liệu áp suất cao, trục này chuyển động lên xuống kéo theo chuyển động của piston. Piston chuyển động xuống làm áp suất trong xylanh bơm giảm, thể tích tăng làm mở van một chiều nên nhiên liệu được hút vào xylanh, piston đi lên nén nhiên liệu lại đạt đến áp suất nhất định thì thắng lực lò xo van một chiều ở cửa ra đưa nhiên liệu đến ống phân phối.
Áp suất nhiên liệu trong ống phân phối nhiên liệu được điều chỉnh bằng van điều áp nhiên liệu trong bơm cao áp. Áp suất nhiên liệu phụ thuộc vào tốc độ động cơ và điều chỉnh của van điều áp nhiên liệu. Bơm áp suất cao tạo ra áp suất tối đa là 150 bar. Trong bơm cao áp có cả van an toàn để đưa nhiên liệu về trường hợp áp suất cao bất thường.
3 Luận Văn Tốt Nghiệp SVTH: Trần Ngọc Dương 1. Cảm biến áp suất rail FPS. Cảm biến áp suất ống rail FPS (Fuel Pressure Sensor) thường được gắn ở đầu ống rail dùng để đo áp suất nhiên liệu thực tế ở bên trong ống rail gửi tín hiệu về ECM dưới dạng điện áp.4: Cảm biến áp suất ống rail. Chức năng: ECM dựa vào tín hiệu này để điều khiển lượng phun nhiên liệu vào trong buồng đốt động cơ.
Điều khiển van FPRV như đã nói ở trên tùy thuộc vào từng chế độ hoạt động của động cơ. Giám sát van FPRV có hoạt động tốt hay không. Các đường ống cao áp và ống rail. Tất cả các đường ống này đều được làm từ thép hợp kim không gỉ chống ăn mòn về hóa học.
Ống rail thuật ngữ rail này lấy từ hệ thống phun dầu điện tử Common Rail vì hình 4 Luận Văn Tốt Nghiệp SVTH: Trần Ngọc Dương 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. Một chi tiết quan trọng trong hệ thống 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 nhiên liệu vào trước đường ống nạp thì động cơ GDI, kim phun phun nhiên liệu thẳng trực tiếp vào trong buồng đốt của động cơ giống như động cơ Diesel.6: Cấu tạo của kim phun.
Cụm tạo tia; 8. Nguyên lý hoạt động: Nhiên liệu có áp suất cao từ bơm cao áp được dẫn vào đầu ống nối theo đường dẫn nhiên liệu vào khoang chứa nhiên liệu. Khi áp lực của nhiên liệu thắng lực căng của lò xo 5 Luận Văn Tốt Nghiệp SVTH: Trần Ngọc Dương sẽ nâng kim phun lên. Nhiên liệu sẽ từ khoang qua lỗ phun, phun vào buồng đốt của động cơ.
Kim bơm kết thúc quá trình cung cấp nhiên liệu khi áp suất trong khoang giảm đột ngột, lò xo đẩy kim phun đi xuống đóng kín lỗ phun, vòi phun kết thúc phun. Nguyên lý hoạt động của GDI. Khác với động cơ xăng thông thường, động cơ dầu diesel nhiên liệu được phun thẳng trực tiếp vào buồng đốt dưới áp suất cao trong kỳ nén, do nhiên liệu phun dưới áp suất cao hòa trộn với không khí được nén tới nhiệt độ cao làm hòa khí tự động bốc cháy và sinh công mà không cần tia lửa điện đốt cháy như trên động cơ xăng.7: Các loại phun nhiên liệu. Chế hoà khí; 2,4.
Đường ống nạp; 5. Tia nhiên liệu. Lấy từ ý tưởng đó, thay vì phun nhiên liệu trước xupap nạp như những động cơ phun xăng đa điểm MPI (Multi - Port Injection) thông thường, động cơ GDI phun nhiên liệu trực tiếp vào trong buồng đốt của động cơ hoàn toàn giống như động cơ dầu, chỉ có một yếu tố khác biệt là có thêm tia lửa điện để đốt cháy hòa khí. Hai chế độ nạp chính của hệ thống GDI như sau: Nạp phân tầng: Ở mức tải vừa và nhỏ, xe sử dụng chế độ nạp phân tầng.
Kết quả là động cơ chạy với tỷ lệ hoà khí loãng ở 65:1 và xăng được phun vào tại kỳ nén, tức là ngay trước thời điểm đánh lửa. Chỉ một phần nhỏ nhiên liệu đang tập trung ngay phía trước bugi. 6 Luận Văn Tốt Nghiệp SVTH: Trần Ngọc Dương Van tuần hoàn khí thải EGR sẽ được tăng lên kịp thời để hạ nồng độ NOx thải ra bên ngoài. Do lượng khí NOx thải ra môi trường lúc này lớn.
Nạp đồng nhất: Ở chế độ tải nặng, nhiên liệu được phun vào trong kỳ nạp sẽ giúp hỗn hợp hoà khí đạt sự đồng nhất. Trong trường hợp này, động cơ chạy với tỷ lệ hoà khí hơi giàu hoặc cân bằng. Van EGR không hoạt động do tỷ lệ khí thải NOx thải ra môi trường thấp. Dựa vào tỷ lệ hoà khí, hệ thống phun xăng trực tiếp GDI chọn chế độ nạp.
Để đảm bảo động cơ hoạt động ổn định. Chế độ phun nhiên liệu. Các chế độ phun nhiên liệu gồm có là phun trực tiếp dẫn hướng qua tường, phun trực tiếp dẫn hướng bằng dòng khí và phun trực tiếp dẫn hướng bằng tia phun. Trong những năm gần đây người ta thường chọn phun trực tiếp dẫn hướng bằng tia phun.
Vì nó mang lại hiệu quả sử dụng nhiên liệu cao hơn. Phun trực tiếp dẫn hướng qua tường: Hình 1.8: Chế độ phun trực tiếp dẫn hướng qua tường. Ở động cơ có kiểu phun dẫn hướng tường, khoảng cách giữa bugi và vòi phun tương đối cao. Để đưa nhiên liệu đến gần bugi, nó được phun vào một hốc xoáy trên đỉnh pít- tông, dẫn nhiên liệu về phía bugi.
Các cổng hút gió xoáy hoặc xáo trộn đặc biệt hỗ trợ quá trình này. Thời điểm phun phụ thuộc vào tốc độ piston, do đó, ở tốc độ piston cao hơn, thời 7 Luận Văn Tốt Nghiệp SVTH: Trần Ngọc Dương điểm phun và thời điểm đánh lửa cần phải được nâng cao rất chính xác. Ở nhiệt độ động cơ thấp, một số phần của nhiên liệu trên piston tương đối lạnh sẽ nguội đi rất nhiều, đến mức chúng không thể cháy đúng cách. Khi chuyển từ tải động cơ thấp sang tải động cơ trung bình (và do đó nâng cao thời điểm phun), một số phần nhiên liệu có thể bị phun ra sau khoang xoáy, cũng dẫn đến quá trình đốt cháy không hoàn toàn.
Do đó, các động cơ có hệ thống phun trực tiếp dẫn hướng tường có thể bị phát thải hydrocacbon cao. Phun trực tiếp dẫn hướng bằng dòng khí: Hình 1.9: Chế độ phun trực tiếp dẫn hướng bằng dòng khí. Giống như ở động cơ phun dẫn hướng qua tường, ở động cơ phun dẫn hướng bằng dòng khí, khoảng cách giữa bugi và vòi phun tương đối cao. Tuy nhiên ở đây, nhiên liệu không tiếp xúc (tương đối) với các bộ phận của động cơ nguội như thành xi lanh và pít- tông.
Thay vì phun nhiên liệu vào khoang xoáy, trong động cơ phun có điều khiển bằng không khí, nhiên liệu chỉ được dẫn tới bugi bằng không khí nạp. Do đó, không khí nạp phải có chuyển động xoáy hoặc xoáy đặc biệt để hướng nhiên liệu về phía bugi. Chuyển động xoáy này phải được duy trì trong một khoảng thời gian tương đối dài để tất cả nhiên liệu được đẩy về phía bugi. Tuy nhiên, điều này làm giảm hiệu suất nạp của động cơ và do đó ảnh hưởng công suất.
8 Luận Văn Tốt Nghiệp SVTH: Trần Ngọc Dương Phun trực tiếp dẫn hướng tia phun: Hình 1.10: Chế độ phun trực tiếp dẫn hướng tia phun. Trong các động cơ có hệ thống phun trực tiếp dẫn hướng tia phun, khoảng cách giữa bugi và vòi phun tương đối thấp.