Hệ thống cung cấp nhiên liệu của động cơ phun xăng trực tiếp GDI
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 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu của một loại động cơ 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 (tỷ lệ này sẽ được xét phần sau). 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. Dựa trên cở sở điều khiển cung cấp nhiên liệu ở động cơ PFI, hệ
thống cung cấp nhiên liệu DISC (direct – injection stratified – charge) của động cơ
Diesel, hệ thống TCCS (Texeco controlled combustion system) dùng cho động cơ
Diesel, hệ thống PROCO (Ford programmed combustion control system), … các
nhà nghiên cứu đã cho ra đời hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ GDI.
Những năm gần đây, nhờ sự phát triển của điện tử, máy tính, … hệ thống cung cấp
nhiên liệu của động cơ GDI ngày càng hoàn thiện hơn. Sau đây chúng ta sẽ xét
những yêu cầu, cấu tạo, hoạt động của hệ thống nhiên liệu động cơ GDI.
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
4.0 MPa – 13.0 MPa (tuỳ từng loại động cơ). Các kim phun được bố trí chung hệ
thống common rail (hình 2), 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.
Hình 2 Sơ đồ hệ thống bơm, bộ phân phối.
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 bougie
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 0.9 đến 6.0 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).
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 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 0.9 – 6.0 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.
+ Kim phun một lỗ phun:
Với áp suất phun từ 7.0 đến 10MPa, đường kính lỗ phun từ 14mm đến 23 mm, 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).
Hình 3 Sơ đồ kết cấu kim phun một lỗ.
+ Kim phun nhiều lỗ phun:
Ap suất phun từ 9.5 – 12.0 MPa, số lỗ từ 4 – 10 lỗ, góc phun từ 300 - 900. So với
loại kim một lỗ loại này có ưu điểm khi nhiên liệu phun vào được tạo ra từ nhiều
lỗ sẽ thuận lợi cho việc bốc hơi và hoà trộn. Tuy nhiên, với số lỗ nhiều thì đường
kính các lỗ nhỏ hơn 1 lỗ nên dễ bị nghẹt (do đặt trực tiếp trong buồng cháy).