PHẦN MỞ DẦU............................................................................................. 8

Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỐT NGHÈO............................................ 10

1.1  Đặt vấn đề................................................................................................ 10

1.2  Cơ sở lý thuyết lý giải việc mở rộng giới hạn λ........................................ 14

1.3  Các yếu tố cơ bản chi phối về hiện tượng đốt hỗn hợp nhiên liệu - không khí có λ loãng............16

1.4  Xu hướng phát triển động cơ xăng trong những năm gần đây.................. 19

1.5  Tạo hỗn hợp trong động cơ phun xăng trực tiếp...................................... 21

1.6  Quá trình cháy trong động cơ phun xăng trực tiếp.................................. 25

1.7  Sự hình thành các thành phần độc hại trong quá trình cháy với λ loãng......26

1.8  Những vấn đề đang nghiên cứu của động cơ phun xăng trực tiếp............. 27

Chương 2: ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỐT NGHÈO ĐỂ CHẾ TẠO ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG TRỰC TIẾP (GDI)........ 30

2.1  Lịch sử ra đời độmg cơ phun xăng trực tiếp............................................. 30

2.2  Cơ sở khoa học của động cơ phun xăng trực tiếp..................................... 32

2.3  Kết cấu chung của động cơ phun xăng trực tiếp....................................... 34

2.4  Những đặt tính của động cơ phun xăng trực tiếp..................................... 34

2.4.1 Điều chỉnh thời điểm phun xăng trong động cơ đốt với λ loãng bằng phun xăng trực tiếp.............34

2.4.2 Điều khiển tỷ lệ hỗn hợp không khí – xăng......................................... 36

2.4.3 Tính kinh tế nhiên liệu được cải thiện tốt hơn..................................... 39

2.4.4 Cải thiện công suất động cơ................................................................ 39

2.5  Hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ GDI.............................................. 42

2.5.1 Cấu tạo của hệ thống nhiên liệu.......................................................... 43

2.5.2 Yêu cầu của hệ thống nhiên liệu.......................................................... 45

2.5.3  Yêu cầu của áp suất phun................................................................... 45

2.5.4 Yêu cầu của kim phun............................................................................ 46

2.6  Hệ thống đánh lửa.................................................................................... 49

2.7  Hệ thống phân phối khí........................................................................... 50

2.7.1 Cơ cấu điều khiển hệ thống phân phối khí.......................................... 50

2.7.2 Kết cấu của ống góp hút, van nạp, van thoát...................................... 54

2.8  Hình dạng buồng đốt............................................................................... 55

2.8.1 Các yêu cầu cơ bản............................................................................. 55

2.8.2 Kết cấu buồng đốt............................................................................... 56

2.8.3 Kết cấu đỉnh piston............................................................................. 57

2.8.4 Sự bố trí vòi phun............................................................................... 59

2.8.5 Vấn đề truyền nhiệt cho buồng đốt với λ loãng................................... 61

2.9  Hệ thống điều khiển điện tử nhiên liệu..................................................... 61

2.9.1 ECU.................................................................................................... 61

2.9.2 Cảm biến áp suất đường ống nạp ( map)............................................ 62

2.9.3  Cảm biến nhiệt độ nước làm mát......................................................... 64

2.9.4 Cảm biến vị trí bướm ga...................................................................... 66

2.9.5 Cảm biến ôxy...................................................................................... 67

2.9.6  Cảm biến vị trí trục khuỷu.................................................................. 69

2.9.7 Cảm biến vị trí trục cam...................................................................... 71

2.9.8 Cảm biến kích nổ................................................................................ 72

2.9.9 Bộ xử lí tín hiệu vào............................................................................ 74

2.9.10 Bộ vi xử lí........................................................................................ 75

2.10 Bộ xử lý khí thải.................................................................................. 76

2.10.1 Chất ô nhiễm sinh ra từ động cơ xe.............................................. 77

2.10.2 Bộ lọc làm giảm các chất thải ô nhiễm như thế nào..................... 78

2.10.3  Kiểm sóat chất ô nhiễm và cải thiện hiệu suất............................. 81

2.11 Đánh giá, so sánh động cơ phun xăng trực tiếp với động cơ truyền thống.............83

2.11.1 Các ưu điểm của phương pháp đốt hỗn hỗn hợp nhiên liệu-không khí  loãng bằng phun xăng trực tiếp........83

2.11.2 Các nhược điểm của phương pháp đốt hỗn hợp nhiên liệu - không khí bằng phun xăng trực tiếp............... 88

2.11.3  So sánh các phương pháp mở rộng giới hạn λ kể trên so với các phương pháp đốt truyền thống............. 88

2.11.4  Kết cấu động cơ GDI của một số hãng trên thế giới....................... 89

KẾT LUẬN................................................................................................... 96

TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................. 97

PHẦN MỞ ĐẦU

Ngày nay cùng với sự phát triển của xã hội thì phương tiện giao thông cũng phát triển không ngừng kéo theo đó là vấn đề ô nhiễm môi trường mà những phương tiện này thải ra ngày càng trầm trọng, thậm chí ảnh hưởng lớn đến sức khỏe con người. Bên cạnh đó sự gia tăng giá đột biến của giá xăng dầu và tiêu chuẩn của khí thải của động cơ ôtô ngày càng khắt khe buộc các nhà khoa học trên thế giới không ngừng nghiên cứu tìm ra biện pháp nhằm tiết kiệm nhiên liệu kèm theo giảm khí thải ở động cơ đốt trong. nghành công nghiệp ôtô đã cho ra đời rất nhiều loại ôtô với các tinh năng và công dụng khác nhau. Nhiều giải pháp được đưa ra, một trong những giải pháp được xem là thành công nhất hiện nay (áp dụng cho động cơ sử dụng nhiên liệu xăng) đó là cho ra đời động cơ GDI (hỗn hợp được tạo bên trong buồng đốt của động cơ, với sự nạp và cháy phân lớp) với hệ thống phun xăng trực tiếp. Động cơ phun xăng trực tiếp GDI ra đời là một trong những giải pháp cho vấn đề nói trên. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, điện tử và tin học đã giúp nghành công nghiệp ôtô thiết kế chế tạo thành công các động cơ phun xăng trực tiếp GDI có kết cấu nhỏ gọn, độ chính xác cao, an toàn, hiệu quả, vì vậy đã nâng cao được công suất động cơ, giảm được ô nhiễm môi trường. Với mục đính củng cố và mở rộng  kiến thức chuyên môn, đồng thời làm quen với công tác nghiên cứu khoa học góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng hệ thống nhiên liệu trên ô tô. Em đã được giao thực hiện đồ án tốt nghiệp với đề tài :“NGHIÊN CƯU LÝ THUYẾT ĐỐT NGHÈO ỨNG DỤNG TRONG ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG TRỰC TIẾP GDI” . Với sự hướng dẫn của thầy giáo: Thạc sĩ ………………. Đồ án gồm 2 chương:

- Chương 1 : Cơ sở lý thuyết đốt nghèo

- Chương 2 : Ứng dụng lý thuyết đốt nghèo để chế tạo động cơ phun xăng trực tiếp (GDI)

Do thời gian hạn chế nên các nội dung trong đồ án tập trung vào việc nghiên cứu lí thuyết đốt nghèo và nhưng ưu việt từ ứng dụng lý thuyết đốt nghèo. Tuy nhiên với kiến thức và kinh nghiệm còn ít, nên trong đồ án không tránh khỏi các khiếm khuyết. Tôi mong nhận được sự nhận xét và đóng góp ý kiến của các thầy, các đồng chí để đồ án của tôi được hoàn thiện hơn.

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo : Thạc sĩ ……..……. đã tận tình hướng dẫn giúp đỡ tôi hoàn thành đồ án tốt nghiệp này. Tôi xin cảm ơn các thầy trong Khoa Ô tô đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và hoàn thành đồ án tốt nghiệp.

Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỐT NGHÈO

1.1 Đặt vấn đề

Từ nhiều năm nay, con người luôn luôn ưu tiên hàng đầu đổi mới phát triển về kỹ thuật động cơ đốt trong. Các nhà chế tạo ô tô đã có nhiều cố gắng nổ lực tìm tòi, sáng tạo và thiết kế chế tạo ngày càng nhiều động cơ có hiệu suất cao, hoàn hảo hơn, đặc biệt với tốc độ phát triển ào ạt của nguồn động lực này, ô nhiễm môi trường trở nên vấn đề thách thức đối với việc sử dụng loại phương tiện này.

Để chỉ rõ mức độ sai biệt giữa tỷ lệ không khí – xăng cung cấp thực tế cho động cơ so với tỷ lệ hỗn hợp lý tưởng (14.7:1), người ta dùng tỷ lệ giữa lượng không khí nạp thực tế và lượng không khí lý tưởng để diễn giải và gọi tỷ lệ này là hệ số dư lượng không khí và dùng λ để ký hiệu.

Điều này có nghĩa là lượng CO₂ sẽ giảm từ 186g/km xuống còn 140g/km tương ứng mức tiêu thụ nhiên liệu trung bình là 5.8l/100km.

Theo thống kê cho thấy các thành phố lớn trên thế giới có lượng CO chiếm 2/3 lượng khí độc ở bầu khí quyển, trong đó 90% là do động cơ ô tô thải ra. Các loại khí độc khác như NO_x, SO₂, SO₃… cũng chiếm phần trăm khá lớn trong tỷ lệ thành phần khí độc trong không khí do động cơ ô tô xe máy thải ra.

Các loại khí thải được phát sinh từ quá trình cháy của nhiên liệu trong động cơ trong các điều kiện sau:

- Hydrocarbons (HC), hình thành từ nhiên liệu không cháy. HC được hình thành từ hỗn hợp đậm (hoặc là từ hỗn hợp loãng tức là lượng không khí lớn).

- Carbon Monoxide (CO), hình thành từ hỗn hợp đậm, thiếu không khí và hòa trộn không đều, sự cháy diễn ra không hoàn toàn.

- Carbon Dioxide (CO₂), được hình thành trong các quá trình cháy khi có sự tồn tại của ôxy và các bon.

Qua nghiên cứu, tìm hiểu, bản thuyết minh đề cập tới những giải pháp kỹ thuật mà các nhà cải tiến đã áp dụng thành công. Tuy nhiên, các lý thuyết hoàn chỉnh nhằm mô tả bản chất của phương pháp này chưa được các tài liệu liên quan, trên các tạp chí chuyên môn hoặc các trang web trình bày và càng chưa có trong các giáo trình.

1.2 Cơ sở lý thuyết lý giải việc mở rộng giới hạn λ

Quá trình cháy có thể được cháy kiệt và kịp thời hay không phụ thuộc vào tốc độ lan truyền màng lửa. Nhân tố gây ảnh hưởng chính đến tốc độ lan truyền màng lửa là thành phần hòa khí.

Kết quả thực nghiệm chứng minh rằng: thành phần hòa khí khác nhau sẽ cho tốc độ lan truyền màng lửa khác nhau (hình 1.2), với λ = 0.85  0.95 tốc độ lan màng lửa cao nhất, áp suất cực đại p_z và nhiệt độ cực đại cũng lớn nhất, do đó công suất động cơ cao nhất. Thành phần trên của hòa khí gọi là thành phần công suất. Nếu hòa khí nhạt hơn, tốc độ lan truyền màng lửa giảm bớt nên công suất động cơ giảm dần. Nhưng do nhiên liệu cháy kiệt hơn (vì có đủ ôxy hơn) nên hiệu suất cao hơn.

Trong một vài năm trở lại đây, một số hãng như Toyota, Mitsubishi, Nissan, Renault, Volkswagen … đã phát triển một số phương pháp đốt cháy hỗn hợp và họ đã đạt một số thành tựu nhất định.

1.3 Các yếu tố cơ bản chi phối về hiện tượng đốt hỗn hợp nhiên liệu - không khí có λ loãng

Khi hoạt động với một hỗn hợp nhiên liệu - không khí quá loãng thì một động cơ truyền thống khó có thể đáp ứng được vì hai lý do:

- Nếu hỗn hợp nhiên liệu - không khí quá loãng thì quá trình cháy không ổn định hoặc không cháy được.

- Lượng nhiên liệu thấp dẫn đến công suất phát ra của động cơ thấp.

Khi λ >>1, hỗn hợp nhiên liệu - không khí dư không khí, λ loãng. Do λ loãng, tốc độ lan truyền màng lửa chậm, dẫn tới hậu quả làm giảm công suất động cơ. Thậm chí hỗn hợp nhiên liệu - không khí còn tiếp tục cháy ngay cả trên đường ống thải hoặc cháy ngược về đường ống nạp.

Việc đốt hỗn hợp nhiên liệu - không khí loãng được thực hiện bởi hệ thống phun nhiên liệu, nhiên liệu được phun trực tiếp vào buồng cháy và được hòa trộn với không khí xoáy lốc mạnh trong buồng cháy. Nhiên liệu được phun vào buồng cháy với tốc độ rất cao. Sự tập trung nhiên liệu xung quanh bougie để giữ cho thời gian đốt cháy đúng thời điểm, tránh hiện tượng bỏ lửa.

1.4 Xu hướng phát triển động cơ xăng trong những năm gần đây

Trong vài năm gần đây, yêu cầu về giảm bớt lượng tiêu thụ nhiên liệu trong động cơ đốt trong và việc làm giảm các chất khí gây tác hại trực tiếp đến sức khỏe con người được quan tâm và kiểm soát gắt gao hơn.

Cùng với đó sự gia tăng nhiệt độ bầu khí quyển do các chất khí gây hiệu ứng nhà kính buộc người ta đưa việc giảm CO₂ thành một trong những vấn đề ưu tiên nghiên cứu của động cơ đốt trong. Khác với những chất khí ô nhiễm khác, quá trình cháy nhiên liệu hóa thạch chứa các bon (C) tất yếu sinh ra CO₂, nên việc làm giảm chất khí này chỉ có thể thực hiện bằng cách sử dụng nhiên liệu chứa ít các bon hoặc làm giảm suất tiêu hao nhiên liệu, nghĩa là tăng tính kinh tế của động cơ. 

Cả hai giải pháp nêu trên (thời điểm mở xupáp thay đổi và phun xăng trực tiếp) đều có những ưu điểm riêng. Tính kinh tế của động cơ phun xăng trực tiếp tốt hơn động cơ có thời điểm mở xupáp thay đổi (VVT). Tuy nhiên, ưu điểm này chỉ thể hiện rõ khi động cơ làm việc với hỗn hợp có λ loãng.

1.6 Quá trình cháy trong động cơ phun xăng trực tiếp

Tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ đánh lửa cưỡng bức phun trực tiếp phụ thuộc vào sự hình thành của hỗn hợp nhiên liệu phân lớp (ở chế độ tải thấp) và đồng nhất (ở chế độ tải cao) cũng như phụ thuộc vào các đặc trưng của quá trình cháy. Nghiên cứu thực nghiệm cơ bản của quá trình cháy phân lớp được tiến hành trong buồng cháy đẳng tích mà điều kiện diễn ra quá trình cháy ở đây có thể xem tương ứng với điều kiện cháy của hỗn hợp phân chia lớp lý tưởng.

1.7 Sự hình thành các thành phần độc hại trong quá trình cháy với λ loãng

Trong động cơ đốt nghèo truyền thống, khi λ càng loãng thì lượng CO  giảm rất nhanh, tuy nhiên ngay cả khi λ vượt quá chuẩn vẫn không giảm được CO đến mức không. Điều đó cho thấy hậu quả của việc hòa trộn không đều giữa xăng và không khí, đồng thời cũng chứng minh việc ngọn lửa tắt ở biên không gian cháy (0.2 - 0.5 mm).

Điều trở ngại cho môi trường là với tỷ lệ không khí – nhiên liệu cao ở động cơ đốt nghèo là sản sinh ra oxit nitơ (NO_x). Bởi vì NO_x được hình thành ở điều kiện nhiệt độ cao. Quá trình cháy diễn ra ngắn, tỷ số nén cao dẫn đến nhiệt độ trong buồng đốt cao và như vậy NO_x sẽ phát sinh.

Kết luận: Qua chương 1 đã giới thiệu về cơ sở lý thuyết đốt nghèo ứng dụng vào động cơ phun xăng trực tiếp. Sự thay đổi λ ảnh hưởg đến quá trình cháy và tính năng của động cơ.

Chương 2: ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỐT NGHÈO ĐỂ CHẾ TẠO ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG TRỰC TIẾP (GDI)

2.1 Lịch sử ra đời độmg cơ phun xăng trực tiếp

Theo lịch sử, động cơ xăng 4 kỳ được ra đời vào những năm 1876, hỗn hợp của động cơ này được tạo ra bởi bộ chế hòa khí. Mãi đến những năm 1980, cùng với sự thành tựu to lớn của kỹ thuật điện tử – công nghệ thông tin, động cơ phun xăng xuất hiện với phương pháp hình thành hỗn hợp mới, chuyển quá trình tạo hỗn hợp bằng phương pháp hiệu ứng Ventury trước đây sang phương pháp phun xăng trên đường ống nạp được điều khiển và định lượng chính xác bởi  cụm thiết bị điều khiển bằng điện tử. Sự cải tiến từ việc phun đơn điểm sang phun đa điểm trên đường ống nạp (MPI) đã tạo được một hỗn hợp đồng nhất hơn với tỷ lệ A/F chính xác như mong muốn.

2.2 Cơ sở khoa học của động cơ phun xăng trực tiếp

Sự tăng giá đột biến của xăng dầu, và tiêu chuẩn về khí thải của động cơ ôtô ngày càng khắc khe buộc các nhà khoa học trên thế giới không ngừng  nghiên cứu tìm ra biện pháp nhằm tiết kiệm nhiên liệu kèm theo giảm khí thải ở động cơ đốt trong. Nhiều giảm pháp được đưa ra, một trong những giải pháp được xem là thành công nhất hiện nay (áp dụng cho động cơ sử dụng nhiên liệu xăng) đó là cho ra đời động cơ GDI (hỗn hợp được tạo bên trong buồng đốt của động cơ, với sự nạp và cháy phân lớp).

Tỷ số nén của động cơ GDI được nâng cao hơn so với động cơ MPI nên công suất của động cơ GDI lớn hơn 10% so với động cơ MPI cùng dung tích cylinder.

2.3 Kết cấu chung của động cơ phun xăng trực tiếp

Thực ra về kết cấu chung của động cơ GDI cũng tương tự như động cơ  EFI, MPI,. điểm khác nhau cơ bản là hệ thống buồng cháy, hệ thống nhiên liệu, và hệ thống điều khiển nhiên liệu và đánh lửa (ECU). Ở bộ xử lý khí thải, động cơ GDI có bố trí thêm một bộ xúc tác nữa (bộ xúc tác kép) để có thể xử lý khí thải khi động cơ hoạt động chế độ hỗn hợp nghèo.

2.4 Những đặt tính của động cơ phun xăng trực tiếp

2.4.1 Điều chỉnh thời điểm phun xăng trong động cơ đốt với λ loãng bằng phun xăng trực tiếp

Để đáp ứng điều kiện hoạt động của xe, động cơ phun xăng trực tiếp điều khiển để thay đổi thời điểm phun của nhiên liệu, và được phân biệt giữa hai chế độ đốt cháy đó là: cháy phân tầng (cháy với hỗn hợp nhiên liệu - không khí loãng) và nạp đồng nhất (cháy với công suất cực đại).

Ở các điều kiện hoạt động như công suất cực đại, chế độ tải lớn, toàn tải, khi tăng tốc, động cơ cần công suất lớn, thì nhiên liệu được phun vào xi lanh động cơ trong suốt kỳ nạp, ở đây hệ thống nhiên liệu cung cấp hỗn hợp nhiên liệu - không khí ở dạng đồng nhất giống như động cơ MPI nhằm mục đích đạt được hiệu suất cao. Sự cháy hoàn hảo hơn, nhiên liệu được cháy sạch, cháy kiệt, động cơ làm việc êm dịu.

2.4.2 Điều khiển tỷ lệ hỗn hợp không khí – xăng

Khả năng điều khiển chính xác hỗn hợp không khí – xăng của động cơ phun xăng trực tiếp chính là việc mở rộng khoảng cách phun trong không gian buồng và nhiên liệu phun xa bougie hơn so với một động cơ truyền thống, tạo nên một không gian rộng mà hỗn hợp không khí – xăng có thể hòa trộn tốt hơn khi nhiên liệu ở dạng khí.

2.4.4 Cải thiện công suất động cơ

Trong hoạt động tải nặng, một hỗn hợp đồng nhất được sử dụng cho quá trình cháy (khi động cơ GDI chuyển sang chế độ công suất cực đại, cần một cung cấp thêm năng lượng) bởi vì trong chế độ đốt cháy hỗn hợp đồng nhất này thì chức năng của động cơ GDI cũng giống như những động cơ MPI khác. Tuy nhiên, với những đặc tính kỹ thuật mới, thực chất động cơ GDI đạt được công suất cao hơn so với những động cơ truyền thống.

2.5 Hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ GDI

Hệ thống nhiên liệu của động cơ GDI về cơ bản bao gồm:Bơm tiếp vân nhiên liệu, bơm áp suất cao, 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, van an toàn, …

Dựa trên cở sở điều khiển cung cấp nhiên liệu ở động cơ MPI, 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.

2.5.1 Cấu tạo của hệ thống nhiên liệu

Về cấu tạo, hệ thống phung xăng trực tiếp GDI có 2 phần chính đó là:

- Phần thấp áp

- Phần cao áp

Phần thấp áp: Phần hệ thống thấp áp hoàn toàn giống với hệ thống phun xăng đa điểm MPI thông thường: gồm có bơm xăng, lọc xăng, van điều áp, tất cả được đặt trong thùng xăng. Xăng được bơm hút qua lọc thô, lọc tinh theo đường ống nhiên liệu dẫn đến bơm cao áp.

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.

Chức năng chính của cảm biến áp suất ống rail FPS:

- 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.

2.5.2 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.

2.5.4 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.

2.6 Hệ thống đánh lửa

Hệ thống đánh lửa là một bộ phận rất quan trọng trong cấu tạo động cơ xăng, cùng với sự phát triển vượt bậc của ngành điện tử ô tô, hệ thống đánh lửa không ngừng được cải tiến, ứng dụng những thành tựu khoa học đặc biệt là những thành tựu về điện, điện tử nhờ đó tăng năng lượng đánh lửa  của mạch  thứ cấp với thời gian tích lũy năng lượng hợp lý và góc đánh lửa tối ưu, hoàn thiện quá trình cháy, giảm ô nhiễm, tiết kiệm nhiên liệu, tăng công suất và tuổi thọ động cơ.

2.7 Hệ thống phân phối khí

2.7.1 Cơ cấu điều khiển hệ thống phân phối khí

Kỹ thuật thay đổi thời gian phân phối khí và hành trình nâng xupap được  sử dụng cho động cơ nhằm mục đích đưa nhiều không khí vào buồng cháy để xác xuất gặp không khí củƠa nhiên liệu cao, tạo vận động rối mạnh, giúp quá trình cháy hoàn thiện, tiêu thụ nhiên liệu thấp nhất nhưng công suất phát ra vẫn cao được ứng dụng trên động cơ phun xăng trực tiếp. 

Ở hệ thống VVT-i của Toyota, thay đổi góc phối khí của trục cam nạp tối ưu theo các chế độ hoạt động của động cơ làm tăng tính kinh tế nhiên liệu và giảm khí xả ô nhiễm.

ECU động cơ đã tính toán thời điểm phối khí tối ưu dựa trên tín hiệu từ các cảm biến, sau đó so sánh với thời điểm phối khí thực tế (từ tín hiệu cảm biến VVT) và điều khiển van dầu để đạt vị trí cần chỉnh.

2.7.2 Kết cấu của ống góp hút, van nạp, van thoát

Để tạo thuận lợi cho quá trình nạp, ở culát của động cơ phun xăng trực tiếp có những ống nạp rất đặc biệt nằm thẳng đứng làm cho dòng không khí di chuyển trực tiếp qua cửa nạp và hướng thẳng về phía xilanh, nơi mà đỉnh piston có thể tác động trực tiếp với nó, buộc dòng khí chuyển động xoáy lốc mạnh, ngược từ dưới lên, chuyển động này làm hòa khí tập trung xung quanh bougie theo tỷ lệ thích hợp mà trong chế độ cháy tầng cho phép sự đốt cháy hòa khí từng lớp trong khi hỗn hợp này càng loãng khi ra xa khỏi bougie. 

2.8 Hình dạng buồng đốt

2.8.1Các yêu cầu cơ bản

- Tạo một vùng hỗn hợp đậm đồng nhất xung quanh điện cực trung tâm bougie, còn vùng xung quanh là hỗn hợp phân bố dạng phân lớp với thành phần nghèo.

- Tạo hỗn hợp đồng nhất và phân lớp, giữa các lớp không có đường chuyển tiếp.

- Tạo được một vùng hỗn hợp đậm (dễ cháy) xung quanh bougie và phải đúng ngay thời điểm đánh lửa của động cơ.

2.8.3 Kết cấu đỉnh piston

Đỉnh piston lồi, lõm sẽ điều khiển được dòng chuyển động của hòa khí bên ngoài cũng như bên trong buồng đốt, nó giữ một vai trò quan trọng trong việc hòa trộn giữa các thành phần hỗn hợp nhiên liệu. Hỗn hợp nhiên liệu-không khí này được phun vào buồng đốt của động cơ ở cuối kỳ nén, sau đó được di chuyển tới bougie. 

2.8.5 Vấn đề truyền nhiệt cho buồng đốt với λ loãng

Chế độ làm việc hỗn hợp hay bán tầng (Mitsubishi GDI và Toyota D4) được tạo ra với mục đích đảm bảo sự hoạt động chuyển tiếp êm dịu, tăng momen, tránh bị kích nổ mà dẫn đến công suất động cơ hạ thấp. Góc đánh lửa sớm cũng được giảm trong trường hợp này.

2.9 Hệ thống điều khiển điện tử nhiên liệu

2.9.1 ECU

ECU là trung tâm của hệ thống nhiên liệu GDI trên động cơ D4. ECU nhận tín hiệu từ các cảm biến và các bộ phận khác , tổng hợp các giá trị của các của các tín hiệu nhận được đó để tính toán sau đó gửi tín hiệu đến điều khiển cơ cấu chấp hành. ECU có chức năng kiểm tra chuẩn đoán hệ thống nhiên liệu GDI. Khi hệ thống có trục trặc hay hỏng hóc ở một só bộ phận thì ECU có thể kiểm tra và phát hiện ra vị trí hư hỏng và sau đó lưu vào bộ nhớ. Khi có trục trặc xảy ra trong hệ thống thì ECU điều khiển đèn báo lỗi động cơ hoạt động không bình thường.

2.9.2 Cảm biến áp suất đường ống nạp (map)

a) Cấu tạo

Cảm biến được bố trí trên ống đường ống nạp hoặc được nối đến đường ống nạp bởi một ống chân không.

b) Nguyên lí hoạt động

Tấm silicon (hay còn gọi là màng ngăn) dày ở hai mép ngoài và mỏng  hơn ở giữa. Một mặt của tấm silicon tiếp xúc với buồng chân không, mặt còn lại nốivới đường ống nạp. Bằng cách so sánh áp suất trong buồng chân không và áp suất trong đường ống nạp, chip silic sẽ thay đổi điện trở của nó khi áp suất trong đường ống nạp thay đổi. Sự dao động của tín hiệu điện trởnày được chuyển hóa thành một tín hiệu điện áp gửi đến ECM động cơ ở cực PIM.

2.9.4 Cảm biến vị trí bướm ga

Cảm biến vị trí bướm ga được bố trí trên thân bướm ga và được điều khiển bơi trục của bướm ga thông qua bàn đạp ga. Nó chuyển góc mở của cánh bướm ga thành tín hiệu điện áp gởi về ECU thông qua tín hiệu mở bướm ga (VTA) Chức năng :

+ Điều chỉnh tỉ lệ hổn hợp theo tải của động cơ ở tốc độ cầm chừng thì yêu cầu hổn hợp hơi giàu ở tốc độ tải lớn thì yêu cầu làm giàu hổn hợp để tăng công suất tối đa ở tốc độ tải bình thương thì yêu cầu động cơ chạy tiết kiệm nhiên liệu

+ Cắt nhiên liệu khi giảm tốc

ECU căn cứ vào cảm biến vòng quay động cơ và cảm biến bướm ga để cắt nhiên liệu nhằm mục đích tiết kiệm nhiên liệu và chống ô nhiễm môi trường. Tốc độ cắt nhiên liệu càng cao khi nhiệt độ nước làm mát và nhiệt độ động cơ giảm. Loại tuyến tính có tiếp điểm cầm chừng Nguồn điện từ ECU cung cấp cho cảm biến qua 2 cực

2.9.6 Cảm biến vị trí trục khuỷu

Cảm biến vị trí trục khuỷu: ECU sử dụng tín hiệu cảm biến tốc độ trục khuỷu để nhận biết tốc độ của động cơ, vị trí trục khuỷu và sự bỏ máy của động cơ. Tín hiệu được gọi là tín hiệu NE. Tín hiệu NE kết hợp với tín hiệu G22 chỉ ra được vị trí của xylanh ở trong kỳ nén và ECM xác định được thứ tự đánh lửa của động cơ

2.9.8 Cảm biến kích nổ

a) Vị trí bố trí

Cảm biến kích nổ phát hiện sự kích nổ động cơ và gửi tín hiệu điện áp đến ECU. ECU sử dụng tín hiệu cảm biến kích nổ để điều khiển thời điểm đánh lửa. Kích nổ động cơ thường xảy ra trong một khoảng tần số cụ thể (xấp xỉ 7 kHz).

Cảm biến kích nổ được bố trí trên thân máy, trên nắp máy hoặc trên cổ góp nạp để phát hiện tần số này.

b) Cấu tạo

Bên trong cảm biến kích nổ là môt phần tử điện áp. Các phần tử điện áp tạo ra điện áp khi áp suất hoặc sự rung động tác động lên chúng. Phần tử áp điện trong cảm biến kích nổ có tần số hoạt động hòa hợp với tần số kích nổ động cơ.

2.9.10 Bộ vi xử lí

PCM hoạt động theo dạng tín hiệu số nhị phân điện áp cao, biểu hiện cho số 1, điện áp thấp biểu hiện cho số 0 trong hệ số nhị phân có hai số 0 và 1. Mỗi một số hạng 0 hoặc 1 gọi là 1 bít. Một dãy 8 bít sẽ tương đương 1 byte hoặc một từ (word). Byte này được dùng biểu hiện cho một lệnh hoặc một mẫu thông tin. Một mạch tổ hợp (IC) tạo byte và trữ byte đó. Số byte mà IC có thể chứa là có giới hạn khoảng 64 kilobyte hoặc 256 kilobyte. Mạch tổ hợp IC còn gọi là con chíp IC, vì hình dạng của nó. IC có chức năng tính toán và tạo ra quyết định gọi là bộ xử lý (microprosessor). 

RAM (Random Access Memory): bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên trữ thông tin. Bộ vi xử lý có thể nhập bội duy nhỏ cho RAM, có hai loại:

+ Loại RAM xoá được: bộ nhớ mất khi mất nguồn.

+ Loại RAM không xoá được: giữ duy trì bộ nhớ dù khi tháo nguồn.

Bộ vi xử lý thực hiện một số chức năng khác nhau. Chúng nhận và xuất trữ dữ liệu, kiểm soát tính tuần tự của các sự kiện nhờ có mạch thời gian bên trong, và ra quyết định theo kết quả của các phép tính toán học.

2.11. Đánh giá, so sánh động cơ phun xăng trực tiếp với động cơ truyền thống

2.11.1 Các ưu điểm của phương pháp đốt hỗn hỗn hợp nhiên liệu-không khí loãng bằng phun xăng trực tiếp

Qua các phương pháp được nêu trên, chúng ta thấy ở động cơ sử dụng phương pháp đốt hỗn hợp nhiên liệu - không khí loãng, việc nghiên cứu hoàn thiện quá trình cháy và hoàn thiện kết cấu động cơ để giảm ô nhiễm môi trường và tiết kiệm nhiên liệu là mục tiêu được đưa lên hàng đầu, và động cơ phun xăng trực tiếp là một trong những thành tựu của kỹ thuật đốt hỗn hợp nhiên liệu - không khí loãng hiệu quả nhất hiện nay.

Với hỗn hợp được tạo thành từng lớp của động cơ phun xăng trực tiếp, đảm bảo cháy được hỗn hợp không khí + xăng cực loãng (sự đốt cháy nhanh chóng và ổn định: không làm giảm hiệu quả đốt cháy động cơ). Tỉ lệ của hỗn hợp cực loãng (không khí / xăng ) = 40/1 (55/1).

2.11.2 Các nhược điểm của phương pháp đốt hỗn hợp nhiên liệu - không khí bằng phun xăng trực tiếp

Tuy có những ưu điểm nổi bật như thế, nhưng khả năng đốt hỗn hợp nhiên liệu - không khí loãng chỉ rất có lợi khi chạy ở tải vừa và nhỏ, nhưng khi chạy toàn tải cần có giải pháp làm đậm hòa khí trong toàn bộ không gian buồng cháy nhằm thích ứng đòi hỏi về công suất động cơ, tức là vấn đề cháy với hỗn hợp nhiên liệu không khí loãng vẫn không thể tách rời với lý thuyết cháy truyền thống (λ=1).

2.11.4 Kết cấu động cơ GDI của một số hãng trên thế giới

a) Kết cấu ộng cơ GDI Mitsubishi

Với kiểu buồng đốt này bougie được bố trí ngay trung tâm, đối với trường hợp động cơ sử dụng 2 ống nạp cho 2 soupape nạp kim phun được bố trí như hình 2.69a và 1 ống nạp cho 2 soupape nạp như hình 2.69b.

b) Kết cấu động cơ GDI Toyota

Động cơ GDI được Toyota cho ra đời đầu tiên đó là động cơ D – 4, với kiểu hệ thống buồng đốt Wall – Guide.

d) Kết cấu động cơ GDI Audi:

- Động cơ Audi 1.2L, 3 cylindre, hệ thống buồng đốt kiểu Wall - Guide tạo hỗn hợp phân lớp - tải nhỏ và đồng nhất - tải lớn (như hình 4.14).

- Kim phun đặt gần đường nạp, Bougie đặt ngay trung tâm buồng đốt.

- Ap suất phun 10Mpa,Công suất 55 kW ở vòng quay 5500 rpm.

- Momen cực đại 115 N.m ở vòng quay 3000 rpm.

Với động cơ 3.6L V6 trên chiếc Cadillac CTS, khi sử dụng hệ thống phun xăng điện tử MPI công suất cực đại chỉ đạt 263 mã lực, mô-men xoắn cực đại đạt 253 lb/ft. Nhưng với hệ thống phun xăng trực tiếp GDI, công suất cực đại tăng lên 304 mã lực và mô-men xoắn cực đại 274 lb/ft. Ngoài ra mức tiêu thụ nhiên liệu cũng giảm xuống khoảng 0,5 lít cho quãng đường 100km.

KẾT LUẬN

Việc ứng dụng các thành tựu ngành công nghiệp điện tử nhờ sự giúp đỡ của máy tính để cải thiện quá trình làm việc nhằm đạt hiệu quả cao và chống ô nhiễm môi trường, tối ưu hóa quá trình điều khiển dẫn đến kết cấu của động cơ và ô tô thay đổi rất phức tạp, làm cho người sử dụng và cán bộ kỹ thuật ngành ô tô ở nước ta gặp nhiều lúng túng và sai sót, nhất là những học viên ngành công nghệ ô tô sắp ra trường như chúng em. Chính vì vậy cần có những nghiên cứu  cụ thể về hệ thống trên động cơ ô tô, nhằm cập nhật hóa kiến thức cho người sử dụng cũng như những ai quan tâm và muốn tìm hiểu về chuyên ngành động cơ ô tô. Tuy chỉ nghiên cứu tìm hiểu lý thuyết đốt nghèo với động cơ phun xăng trực tiếp GDI một cách tổng quát trong một thời gian ngắn nhưng em cũng đã nhận ra được những ưu điểm cũng như đặc tính vượt trội của hệ thống này. Chính vì vậy với động cơ phun xăng trực tiếp GDI đã vượt lên trên những hạn chế của những động cơ trước đây. Nó đã được ứng dụng rộng rãi trên các loại phương tiện xe du lịch đặc biệt là xe con, và những tiềm năng của hệ thống này vẫn chưa được khai thác hết.

Qua thời gian nghiên cứu với sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy: Thạc sĩ ……..……. và sự giúp đỡ của các thầy trong khoa ô tô, em đã hoàn thành đồ án trong việc tìm hiểu lý thuyết đốt nghèo với động cơ phun xăng trực tiếp GDI. Em thấy rằng quá trình làm đồ án thật sự là khó khăn với chính mình, để tìm ra cách hiểu và nắm bắt được vấn đề về hệ thống nhiên liệu, đặc biệt với những hệ thống nhiên liệu mới như nhiên liệu động cơ xăng phun trực tiếp. Nhưng chính vì vậy mà nó khơi dậy niềm say mê về khoa học kỹ thuật với bản thân em, mang lại cho em những kinh nghiệm quí báu. Nó là hành trang giúp em tự tin nhiều trong công việc tương lai và có bản lĩnh trong cuộc sống sau này.

Vì kiến thức còn nhiều hạn chế và thời gian có hạn nên không tránh khỏi thiếu sót, rất mong được sự đóng góp ý kiến của thầy cô và các bạn để đề tài hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cám ơn !

                                                                                                   TP.HCM ngày… tháng… năm 20…

                                                                                                Học viên thực hiện

                                                                                               ……………….

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Phạm Ngọc Tuấn, “Giáo trình trang bị điện ô tô”, Trường Sĩ quan Kỹ thuật Quân sự, 2007

[2]. PGS, TS Đỗ Văn Dũng, “Hệ thống điện và điện tử trên ô tô hiện đại - Hệ thống điện động cơ”, Đại học Sư phạm kỹ thuật TP Hồ Chí Minh, 1999

[3]. Kết cấu động cơ đốt trong , Trần Quốc Toản, Trường Sĩ Quan Kỹ Thuật Quân sự, 2010

[4]. Tham khảo các tài liệu khác trên mạng internet.

"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"