CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN HỆ THỐNG GDI (GASOLINE DIRECT INJECTION) TRÊN Toyota camry 2018 1.1 Giới thiệu về hệ thống phun nhiên liệu GDI 1.1 Lịch sử ra đời các hệ thống phun xăng Động cơ phun xăng trực tiếp GDI (Gasoline Direct Injection) là phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng đốt động cơ. Công nghệ này được giới thiệu những năm 1925 trên động cơ Hesselman giành cho máy bay. Tiếp sau đó, trong những năm 50, Mercedes cũng đã ứng dụng công nghệ này trên chiếc xe Mercedes Benz Gullwing (1953), những động cơ phun xăng trực tiếp khi đó không giống với GDI hiện tại nhưng nó tạo nên nền tảng cho công nghệ phun xăng trực tiếp GDI sau này.
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 ôxit 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 môi trường. Động cơ phun xăng trực tiếp còn thường sử dụng đồng thời với các kỹ thuật khác như VVT, VVT-i, SKYACTIV, luân hồi khí xả EGR… để đạt hiệu quả kinh tế và môi trường cao.2 Các loại hệ thống phun xăng 1.1 Hệ thống phun xăng cơ khí Trong hệ thống này, việc dẫn động điều khiển điều chỉnh định lượng hỗn hợp được thực hiện theo một nguyên lý cơ bản như động học, động lực học, cơ học chất lỏng, nhiệt động lực học…Cần phân biệt hai loại hệ thống phun xăng cơ khí. Loại thứ nhất được dẫn động bởi động cơ đốt trong, bao gồm bơm xăng và một bộ phận định lượng nhiên liệu, hoạt động giống như hệ thống phun 17 nhiên liệu của động cơ diesel.
Loại thứ hai hoạt động độc lập, không có dẫn động từ động cơ (Hình 1. Hệ thống phun xăng cơ khí 1, Thùng chứa xăng ; 2, Bơm xăng điện ; 3, Bộ tích lũy xăng ; 4, Lọc xăng ; 5, Cơ cấu định lượng và phân phối ; 6, Động cơ ; 7, Bộ tiết chế sưởi nóng động cơ ; 8, Bộ điều áp suất ban đầu không khí ; 9, Cơ cấu cung cấp ; 10, Vòi phun khởi động lạnh ; 11, Vòi phun chính ; 12, Cảm biến nhiệt độ nước làm mát Hệ thống trên có những ưu điểm: Định lượng xăng phun vào xilanh động cơ lúc khởi động chính xác hơn làm cho động cơ khởi động lạnh dễ hơn. Công suất động cơ cao hơn. Động cơ hoạt động tốt ở mọi thời tiết, địa hình, tư thế xe.
Tiết kiệm nhiên liệu. Hệ thống có những nhược điểm: Số lượng và thành phần hòa khí vào các xilanh đều hơn nhờ đó trong điều kiện sử dụng có thể dùng hòa khí nhạt hơn. Hệ số nạp của động cơ lớn hơn. Tính thích ứng của động cơ được cải thiện vì không thấy rõ tính chậm trễ do quán tính của dòng xăng với không khí trong các chế độ.2 Hệ thống phun xăng đơn điểm SPI (Single Point Injection) Hệ thống phun xăng đơn điểm SPI chỉ có 1 vòi phun để phun xăng vào đường ống nạp, tạo hỗn hợp cung cấp cho tất cả các xilanh động cơ, thông thường vòi phun được bố trí cho xăng phun vào điểm phía trước bướm ga (Hình 1.
Hệ thống phun xăng đơn điểm SPI 1, Bộ xúc tác; 2, Cảm biến Lamda; 3, Bộ lọc nhiên liệu; 4, Ống áp suất; 5, Thùng nhiên liệu ; 6, Bộ lọc không khí ; 7, Bộ điều áp ; 8, Vòi phun ; 9, Cảm biến nhiệt độ không khí ; 10, Bình than hoạt tính 11, ECU ; 12, Đầu nối thiết bị chẩn đoán; 13, Cụm phun hính ; 14, Cơ cấu chỉnh vị trí bướm ga; 15, Cảm biến vị trí bướm ga ; 16, Bộ gia nhiệt đường ống; 17, Đường ống nạp; 18, Cảm biến tốc độ động cơ ; 19, Cảm biến nhiệt độ động cơ ; 20, Ắc quy ; 21, Công tắc khởi động đánh lửa; 22, Rơ le. Hệ thống có những ưu điểm: Hệ thống có cấu tạo khá đơn giản. Chi phí chế tạo rẻ, thường chỉ xuất hiện ở những xe nhỏ. Hệ thống có những nhược điểm: Tỷ lệ giữa không khí và xăng không phải lúc nào cũng đạt mức tối ưu vào khoảng 14,7:1, có thể thừa hoặc thiếu xăng, từ đó không đạt hiệu quả tiêu thụ nhiên liệu.
Dễ bị hỏng bơm nhiên liệu. Yêu cầu khắt khe về nhiên liệu.3 Hệ thống phun xăng đa điểm MPI (MultiPoint Injection) Hệ thống bao gồm nhiều vòi phun xăng, mỗi vòi phun sẽ phun xăng vào vùng có nhiệt độ cao nhất của từng xilanh để xăng bay hơi nhanh (Hình 1. 3 Hệ thống phun xăng đa điểm MPI 1, Bộ xúc tải khí thải 1 ; 2, Cảm biến ôxy ; 3, Bộ điều chỉnh áp suất ; 4, Cảm biến vị trí trục cam ; 5, Cảm biến vị trí bướm ga ; 6, Điều khiển cầm chừng ; 7, Cảm biến nhiệt độ khí nạp ; 8, Cảm biến áp suất khí trời ; 9, Cảm biến lưu lượng khí nạp ; 10, Không khí vào ; 11, Bình hấp thụ hơi nhiên liệu ; 12, Van điện tử xả ; 13, Van điện tử xả ; 14, Cảm biến kích nổ ; 15, Vòi phun ; 16, Bộ xúc tác khí thải 2. Hệ thống có những ưu điểm: Công suất do động cơ tạo ra lớn hơn.
Động cơ ít rung hơn, do đó tăng sự thoải mái khi lái xe. Hệ thống phản ứng nhanh khi bị tăng hoặc giảm tốc độ đột ngột. Tiêu thụ nhiên liệu hiệu quả hơn nên có thể đi được quãng đường xa hơn. Hệ thống có những nhược điểm: Không có động lực tốt, ổ đĩa nóng.
Chất lượng nhiên liệu yêu cầu phải tốt. Chi phí sửa chữa cao. Bảo dưỡng sửa chữa cần có trình độ chuyên môn cao, giá thành cao.4 Phun xăng trực tiếp GDI (Gasoline Direct Injection) Xăng được phun thẳng vào bên trong xilanh, áp suất phun phụ thuộc vào phương án phun (phun vào ở cuối kì nén đòi hỏi áp suất phải cao hơn nhiều so với phương án phun ở đầu kì nạp). Áp suất phun ban đầu có thể điều chỉnh trong phạm 5 vi giới hạn cho từng kim.
Việc điều khiển kim phun và đánh lửa được thực hiện riêng lẻ. Tùy thuộc vào chế độ tải của xe mà có 2 chế độ nạp chính: Phương pháp nạp phân tầng (ở chế độ tải vừa và nhỏ) và Phương pháp nạp đồng nhất (ở chế độ tải lớn đến toàn tải) (Hình 1. Hệ thống phun xăng trực tiếp GDI 1, Hộp thu hồi xăng ; 2, Van thu hồi xăng ; 3, Bơm cao áp ; 4, Cảm biến và bộ ổn định thời gian ; 5, Cuộn đánh lửa và bugi ; 6, Cảm biến lưu lượng khí và nhiệt độ ; 7, Bướm ga điều khiển điện tử ; 8, Cảm biến áp suất khí nạp ; 9, Cảm biến áp suất ống rain ; 10, Dàn phân phối nhiên liệu cao áp ; 11, Cảm biến vị trí trục cam ; 12, Cảm biến ôxy số 1 ; 13, Bộ tuần hoàn khí xả ; 14, Kim phun cao áp ; 15, Cảm biến kích nổ động cơ ; 16, Cảm biến nhiệt độ động cơ ; 17, Bộ xử lý khí thải ; 18, Cảm biến ôxy số 2 ; 19, Cảm biến tốc độ động cơ ; 20, ECU động cơ ; 21, Cảm biến vị trí bàn đạp ga ; 22, Bơm chuyển tiếp nhiên liệu ; 23, Cảm biến nhiệt độ khí xả ; 24, Xử lý khí thải ; 25, Cảm biến Lamda đường xả. Hệ thống có những ưu điểm: Giảm lượng khí thải độc hại ra môi trường do sử dụng công nghệ sử lý chất thải ba thành phần.
Tăng hiệu suất thể tích và do đó tăng công suất đầu ra và mômen xoắn. Hệ thống thông hơi ngăn cản không khí và do đó, hiệu suất thể tích giảm. Mức tiêu thụ nhiên liệu riêng thấp. Trong động cơ có bộ chế hòa khí, nhiên liệu không thể cung cấp cùng một lượng giống nhau và cùng một tỷ lệ không khí/nhiên liệu trên mỗi chu kỳ, cho mỗi xilanh.
Động cơ phản ứng nhanh hơn với những thay đổi ở vị trí bướm ga, điều này làm tăng lái xe thoải mái. Đối với các thành phần quay ít hơn trong hệ thống phun nhiên liệu, tiếng ồn giảm. 6 Hệ thống có những nhược điểm: Cấu tạo phức tạp, có yêu cầu khắt khe về chất lượng lọc sạch nhiên liệu và không khí, nên giá thành cao. Do bản chất của GDI là phun xăng không qua van hút, nên van hút của máy không được xăng làm vệ sinh, dẫn đến sau khoảng 90-100.000 km thì van bị đóng cặn Carbon rất nhiều lâu ngày có thể gây hao xăng và mất công suất máy.
Đây là nhược điểm lớn nhất của GDI. Bảo dưỡng sửa chữa cần có trình độ chuyên môn cao, giá thành cao. Vòi phun xăng cần phải chế tạo bằng vật liệu có tính chịu nhiệt cao và chống ôxi hóa tốt.2 Tổng quan về hệ thống GDI 1.1 Sơ lược về hệ thống 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. 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.
Các loại phun xăng 7 1.2 Bộ phận chính của hệ thống GDI Hệ thống gồm: Trục cam, bơm cao áp, kim phun, cảm biến áp suất ống rail, piston. Cấu tạo chính của GDI 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.3 Giới thiệu về xe Toyota camry 2018 Hình 1. Hình ảnh xe Toyota camry 2018 8 Bảng 1.
Thông số kỹ thuật Toyota camry 2018 2.