MỤC LỤC
MỤC LỤC..........................................................................................................................................................................................................i
LỜI NÓI ĐẦU.. .................................................................................................................................................................................................1
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐỐT CHÁY HỖN HỢP NHIÊN LIỆU – KHÔNG KHÍ CÓ α LOÃNG.................................................3
1.1. Cơ sở lý thuyết lý giải việc mở rộng giới hạn α.........................................................................................................................................5
1.1.1. Các yếu tố cơ bản chi phối về hiện tượng đốt hỗn hợp nhiên liệu – không khí có α loãng....................................................................7
1.1.2. Xu hướng phát triển động cơ xăng trong những năm gần đây.............................................................................................................10
1.1.3. Quá trình tạo hỗn hợp trong động cơ phun xăng trực tiếp....................................................................................................................12
1.1.4. Quá trình cháy trong động cơ phun xăng trực tiếp................................................................................................................................15
1.1.5. Sự hình thành các thành phần độc hại trong quá trình cháy với hỗn hợp nhiên liệu – không khí có α loãng........................................17
1.1.6. Những vấn đề đang nghiên cứu của động cơ phun xăng trực tiếp........................................................................................................18
1.2. Đánh giá, so sánh phương pháp đốt hỗn hợp nhiên liệu – không khí có α loãng so với các phương pháp đốt truyền thống..................19
1.2.1. Các ưu điểm của phương pháp đốt hỗn hợp nhiên liệu – không khí loãng bằng phun xăng trực tiếp...................................................19
1.2.2. Các nhược điểm của phương pháp đốt hỗn hợp nhiên liệu – không khí bằng phun xăng trực tiếp.......................................................24
1.2.3. So sánh các phương pháp mở rộng giới hạn α kể trên so với các phương pháp đốt truyền thống.......................................................24
1.3. Nhận xét về bản chất của hiện tượng cháy với hỗn hợp NLKK loãng.......................................................................................................25
1.3.1. Quá trình hình thành và lan tràn ngọn lửa trong quá trình đốt hỗn hợp nhiên liệu – không khí loãng....................................................25
1.3.2. Hiện tượng cháy phân tầng trong quá trình đốt hỗn hợp nhiên liệu – không khí loãng..........................................................................26
1.3.3. Nâng cao công suất động cơ và giảm tiêu hao nhiên liệu trong động cơ đốt hỗn hợp nhiên liệu – không khí loãng.............................28
CHƯƠNG 2: CÁC GIẢI PHÁP HỮU HIỆU XUNG QUANH VẤN ĐỀ MỞ RỘNG GIỚI HẠN α.....................................................................30
2.1. Những đặc tính của động cơ phun xăng trực tiếp với α loãng...................................................................................................................31
2.1.1. Điều chỉnh thời điểm phun xăng trong động cơ đốt trong với α loãng bằng phun xăng trực tiếp...........................................................31
2.1.2. Điều khiển tỷ lệ hỗn hợp không khí – xăng.............................................................................................................................................32
2.1.3. Tính kinh tế nhiên liệu được cải thiện tốt hơn.........................................................................................................................................35
2.1.4. Cải thiện công suất động cơ...................................................................................................................................................................36
2.1.5. Vấn đề truyền nhiệt cho buồng đốt với α loãng......................................................................................................................................38
2.2. Các giải pháp về mặt kết cấu ảnh hưởng tới vấn đề mở rộng giới hạn α.................................................................................................39
2.2.1. Kết cấu của buồng đốt............................................................................................................................................................................39
2.2.2. Kết cấu của đỉnh piston...........................................................................................................................................................................41
2.2.3. Sự bố trí và kết cấu vòi phun..................................................................................................................................................................42
2.2.4. Kết cấu hệ thống cung cấp nhiên liệu.....................................................................................................................................................45
2.2.5. Kết cấu của ống góp hút, van nạp, van thoát.........................................................................................................................................46
2.3. Các giải pháp về mặt điều khiển ảnh hưởng tới vấn đề mở rộng giới hạn α ...........................................................................................47
2.3.1. Điều khiển đánh lửa................................................................................................................................................................................47
2.3.2. Điều khiển phun xăng.............................................................................................................................................................................48
2.3.3. Điều khiển hệ thống phân phối khí.........................................................................................................................................................49
2.4. Các cảm biến và ECU tham gia vào quá trình đốt hỗn hợp NLKK loãng..................................................................................................52
2.4.1. Cảm biến nhiệt độ (Nước làm mát, nhiêu liệu, không khí) .....................................................................................................................52
2.4.2. Cảm biến đo gió kiểu màng nhiệt (được dùng trên động cơ GDI của Mitsubishi)..................................................................................53
2.4.3. Cảm biến áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp MAP (được dùng trên động cơ GDI của Toyota)........................................................54
2.4.4. Cảm biến vị trí cam.................................................................................................................................................................................55
2.4.5. Cảm biến tốc độ xe (Vehicle speed sensor)...........................................................................................................................................56
2.4.6. Cảm biến vị trí cánh bướm ga (Throttle Position Sensor) .....................................................................................................................58
2.4.7. Cảm biến ôxy dùng trong động cơ cháy với α loãng (Lean-Burn Oxygen Sensor) ...............................................................................59
2.4.8. ECU.........................................................................................................................................................................................................61
CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỐT CHÁY HỖN HỢP NHIÊN LIỆU – KHÔNG KHÍ CÓ α LOÃNG TRÊN MỘT SỐ ĐỘNG CƠ.. 62
3.1. Động cơ phun xăng trực tiếp 3S-FSE trên xe Toyota Camry.....................................................................................................................62
3.1.1. Về mặt kết cấu .......................................................................................................................................................................................63
3.1.2. Về mặt điều khiển...................................................................................................................................................................................68
3.2. Động cơ phun xăng trực tiếp V35A-FTS trên xe Lexus LS.......................................................................................................................80
3.2.1. Về mặt kết cấu........................................................................................................................................................................................81
3.2.2. Về mặt điều khiển...................................................................................................................................................................................85
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................................................................................................................90
TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................................................................................................................91
LỜI NÓI ĐẦU
Trong xã hội hiện nay, ô tô là một trong những phương tiện quan trọng để vận chuyển hành khách và hàng hoá. Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, ngành sản xuất chế tạo ô tô trên thế giới cũng ngày càng phát triển và hoàn thiện hơn đáp ứng khả năng vận chuyển, đảm bảo tốc độ, sự an toàn cũng như đạt hiệu quả kinh tế cao.
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.
Qua đó cho thấy, nghiên cứu giảm độc hại của khói thải động cơ là một nhu cầu bức thiết. Mặt khác, với những dự báo về tình hình thực tế, lượng dự trữ dầu mỏ ngày càng cạn dần, buộc những nhà thiết kế ô tô quan tâm tới vấn đề tính kinh tế nhiên liệu của những động cơ có tỷ lệ không khí - nhiên liệu cao, quá trình nạp nhiên liệu với hiệu suất tối ưu, duy trì sự cháy sạch, điều khiển tiện nghi và có lợi cho môi trường. Đây là hướng đi bắt buộc cho động cơ ô tô trong những năm qua và tương lai. Những động cơ có tỷ lệ không khí – nhiên liệu cao này gọi là những động cơ “đốt nghèo” (Lean Burn Engines) hay động cơ đốt hỗn hợp nhiên liệu-không khí (NLKK) loãng và được phát triển từ những năm 1960 đến nay.
Xuất phát từ những phân tích trên và được sự phân công của Khoa Ô tô, với sự giúp đỡ của thầy giáo hướng dẫn đồ án, em chọn đề “Nghiên cứu quá trình cháy với hỗn hợp nhiên liệu - không khí loãng trong động cơ phun xăng trực tiếp” làm nội dung đồ án tốt nghiệp của mình.
Nội dung chính của đồ án bao gồm:
• Cơ sở lý thuyết về đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu – không khí có α loãng.
• Các các giải pháp hữu hiệu xung quanh vấn đề mở rộng giới hạn α.
• Ứng dụng lý thuyết đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu – không khí có α loãng trên một số động cơ.
Với những kiến thức đã học, thông tin và các tài liệu thu thập được trong thời gian thực tập kỹ thuật cũng như thực tập chức trách và quá trình học lái xe, cộng với sự hướng dẫn, chỉ bảo giúp đỡ tận tình của thầy giáo : Th.S.……………., cùng các thầy giáo trong Khoa Ô tô, qua sự nỗ lực cố gắng của bản thân em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp về đề tài của mình.
Tuy nhiên, đồ án này sẽ không tránh khỏi những thiếu sót nhất định về mặt nội dung cũng như hình thức trình bày, rất mong được sự thông cảm, giúp đỡ, chỉ bảo của quý thầy giáo.
Một lần nữa em xin trân trọng gửi lời biết ơn sâu sắc đến sự giúp đỡ của thầy hướng dẫn : Th.S.……………., cùng quý thầy giáo trong Khoa.
Thành phố Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 20…
Học viên thực hiện
……………….
CHƯƠNG 1
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐỐT CHÁY HỖN HỢP NHIÊN LIỆU – KHÔNG KHÍ CÓ α LOÃNG
1.1. Cơ sở lý thuyết lý giải việc mở rộng giới hạn α
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 α =0.85¸0.95 tốc độ lan màng lửa cao nhất, áp suất cực đại pz 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. Khi α=1,05¸1,1 nhiên liệu được cháy hoàn toàn, hiệu suất đạt cao nhất, vì vậy α=1,05¸1,1 gọi là thành phần tiết kiệm nếu tiếp tục làm nhạt hòa khí tức là khi α>1,05¸1,1, nếu có giải pháp thích hợp, đảm bảo hòa khí cháy kiệt thì hiệu suất lợi dụng nhiệt vẫn có thể tiếp tục tăng.
Tương tự như vậy , nếu hòa khí có thành phần đậm hơn α =0,85¸0,95, do tốc độ lan màng lửa giảm sút làm công suất giảm, và do lượng nhiên liệu không cháy hết tăng lên, nên làm tăng lượng nhiên liệu tiêu hao. Khi α = 0,4¸0,5 do thiếu ôxy trầm trọng, khiến hòa khí không cháy được, đó là giới hạn trên của thành phần hòa khí đảm bảo cho màng lửa lan truyền được. Bên ngoài hai giới hạn trên màng lửa không lan truyền được, tức là hòa khí sẽ không cháy.
Như vậy, để đảm bảo hỗn hợp NLKK có thể bắt lửa và cháy, màng lửa có thể lan truyền thì α = 0,4 ¸1,4. Để quá trình cháy xảy ra hoàn chỉnh, đạt hiệu quả thì các điều kiện sau phải được thõa mãn:
- Lượng ôxy cung cấp phải đủ nhằm tăng xác xuất bắt ôxy của xăng ở nhiệt độ thích hợp.
- Tỷ lệ hỗn hợp không khí – xăng phải nằm trong giới hạn bắt lửa vì nếu hỗn hợp đậm quá, lượng xăng bốc hơi lớn, hấp thu nhiệt nhiều, nhiệt độ bốc cháy giảm làm xăng không kịp ôxy hóa.
1.1.1. Các yếu tố cơ bản chi phối về hiện tượng đốt hỗn hợp nhiên liệu – không khí có α loãng
Khi hoạt động với một hỗn hợp NLKK quá loãng thì một động cơ truyền thống khó có thể đáp ứng được vì hai lý do:
- Nếu hỗn hợp NLKK 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 α >>1, hỗn hợp nhiên liệu-không khí dư không khí, α loãng. Do α 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 bugi để giữ cho thời gian đốt cháy đúng thời điểm, tránh hiện tượng bỏ lửa.
1.1.2. 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. Vả lại 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.
1.1.3. Quá trình tạo hỗn hợp trong động cơ phun xăng trực tiếp
Như trên đã trình bày, động cơ phun xăng trực tiếp là giải pháp có nhiều triển vọng được áp dụng trong tương lai nhằm mở rộng giới hạn a, nâng cao tính kinh tế và giảm mức độ về phát thải CO2. Động cơ phun xăng trực tiếp thể hiện tính ưu việt cao khi nó cho phép chuyển đổi qua lại giữa hai chế độ công tác: hỗn hợp loãng cháy phân lớp khi tải thấp và hỗn hợp đồng nhất khi đầy tải. Điều này đòi hỏi nhiều tính năng đặc biệt đối với hệ thống phun nhiên liệu và các hệ thống điều khiển quá trình công tác của động cơ khác. Sự phát triển của hệ thống cháy hiện đại nhằm đảm bảo cho các chế độ làm việc phức tạp của động cơ này được diễn ra thuận lợi là vấn đề mấu chốt trong nghiên cứu động cơ GDI.
Những động cơ sử dụng hỗn hợp phân lớp hiện nay thường áp dụng giải pháp hướng nhiên liệu về phía đỉnh xi lanh kết hợp với sự chuyển động xoáy lốc của dòng khí. Khi đó nhiên liệu được phun ra vào buồng cháy với áp suất cao hơn áp suất phun nhiên liệu trước cửa nạp của động cơ phun xăng thông thường (50 Mpa so với 3.3 Mpa) và quá trình phun diễn ra ở cuối kỳ nạp . Sự hướng dòng này có thể được thực hiện nhờ hình dạng đặc biệt của piston. Do một bộ phận nhiên liệu tiếp xúc trực tiếp với đỉnh piston nên sự phản xạ nhiên liệu phụ thuộc vào nhiệt độ của khu vực này. Trong điều kiện nguội, có khoảng 25% lượng nhiên liệu phun vào chứa trong màng nhiên liệu mỏng trên thành buồng cháy ở đỉnh piston. Khi nhiệt độ của đỉnh tăng dần, lượng nhiên liệu này giảm và màng nhiên liệu dường như biến mất khi nhiệt độ của piston vượt quá điểm sôi 4600K .
1.1.5. Sự hình thành các thành phần độc hại trong quá trình cháy với hỗn hợp nhiên liệu – không khí có α loãng.
Trong động cơ đốt nghèo truyền thống, khi α càng loãng thì lượng CO giảm rất nhanh, tuy nhiên ngay cả khi α 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, đây 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 (NOx). Bởi vì NOx 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 NOx sẽ phát sinh.
1.2. Đánh giá, so sánh phương pháp đốt hỗn hợp nhiên liệu – không khí có α loãng so với các phương pháp đốt truyền thống.ư
1.2.1. Các ưu điểm của phương pháp đốt 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.
Đối với động cơ hoạt động ở hỗn hợp nhiên liệu-không khí loãng, việc cung cấp nhiên liệu và buồng cháy tối ưu, công suất tăng, tiêu thụ nhiên liệu ít, giảm ô nhiễm môi trường là những ưu điểm nổi bật nhất.
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).
So với những loại động cơ MPI tương tự, động cơ GDI tăng thêm được 10% công suất và moment xoắn động cơ ở số vòng quay công suất max và số vòng quay moment max.
Ngoài ra sự cháy ít bị kích nổ hơn (đặc biệt theo chế độ cháy tầng); điều này làm tăng khả năng chống kích nổ và do đó làm tăng hiệu suất nhiệt của động cơ. Hiệu suất nhiệt còn được cải thiện bằng cách giảm mất mát nhiệt cho thành xy lanh. Sự phun xăng trực tiếp theo cháy tầng cho phép động cơ hoạt động với một hỗn hợp rất loãng (α = 1.2 đến 3) tức là một lượng nhiên liệu rất thấp. Vì những lý do đó, lợi ích về sự tiêu hao nhiên liệu có thể đạt từ 15% đến 20% so với một động cơ MPI tương tự.
1.2.2. 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 NLKK loãng vẫn không thể tách rời với lý thuyết cháy truyền thống (α=1).
1.2.3. So sánh các phương pháp mở rộng giới hạn α kể trên so với các phương pháp đốt truyền thống.
Về việc cung cấp nhiên liệu, ở những động cơ truyền thống, bộ chế hòa khí được thay thế bởi hệ thống phun xăng. Nhiên liệu được phun vào đường ống nạp trước xupap nạp, với việc thay thế này, khả năng cung cấp nhiên liệu đồng đều cho các xilanh được cải thiện mà bộ chế hòa khí khó có thể thực hiện được, quá trình cháy tương đối hoàn thiện, công suất động cơ tăng, tiết kiệm được khoảng 10¸15% nhiên liệu so với bộ chế hòa khí, giảm được một phần ô nhiễm môi trường.
1.3. Nhận xét về bản chất của hiện tượng cháy với hỗn hợp NLKK loãng.
1.3.1. Quá trình hình thành và lan tràn ngọn lửa trong quá trình đốt hỗn hợp nhiên liệu – không khí loãng.
Ở những động cơ truyền thống, sự phân bố hỗn hợp không khí - nhiên liệu xung quanh bugi theo tỷ lệ lý tưởng rất khó thực hiện. Ở động cơ đốt nghèo, nhiên liệu được sắp xếp theo lớp sau khi được phun ra ở cuối kỳ nén, lúc này hỗn hợp nhiên liệu ở mức cực loãng, còn hỗn hợp nhiên liệu có độ đậm đặt tốt nhất khi nó xếp thành từng lớp ngay điện cực bugi có α khoảng 0.8 – 0.9 đảm bảo hỗn hợp dễ bắt lửa. Các phần tử hoạt tính như CO, OH được tích lũy cao trong khu vực màng lửa, một mặt tạo phản ứng cháy cuối cùng trong màng lửa , mặt khác được khuếch tán nhanh sang lớp lân cận của hòa khí làm tăng phản ứng ôxi hóa tại đây.
1.3.3. Nâng cao công suất động cơ và giảm tiêu hao nhiên liệu trong động cơ đốt hỗn hợp nhiên liệu – không khí loãng.
Công suất động cơ đựơc nâng cao trong động cơ đốt hỗn hợp nhiên liệu-không khí loãng nghe có vẻ nghịch lý, nhưng đây là thực tế. Ngoài việc kết hợp các kỹ thuật hòa trộn không khí – nhiên liệu, còn kết hợp với kỹ thuật điều khiển phun nhiên liệu theo chế độ vận hành của động cơ.
Theo kỹ thuật điều khiển thời điểm phun của động cơ phun xăng trực tiếp thì khi động cơ làm việc ở chế độ tải nhẹ, nhiên liệu được phun vào cuối kỳ nén với α cực loãng (khoảng 40:1), quá trình cháy diễn ra hoàn toàn, do đó giảm được mức tiêu hao nhiên liệu.
Còn khi động cơ làm việc ở chế độ đầy tải, tốc độ ô tô cao hơn, nhiên liệu được phun suốt kỳ nạp, khoảng cách phun trong không gian buồng và nhiên liệu phun xa bugi hơn so với một động cơ truyền thống, hỗn hợp nhiên liệu-không khí hòa trộn tốt hơn, mát hơn. Do đó, khi đốt sẽ nâng cao công suất của động cơ, tỷ số nén có thể lên tới 12 nhưng vẫn giảm hiện tượng kích nổ hơn so với động cơ truyền thống tương tự.
CHƯƠNG 2
CÁC GIẢI PHÁP HỮU HIỆU XUNG QUANH VẤN ĐỀ MỞ RỘNG GIỚI HẠN α
2.1. Những đặc tính của động cơ phun xăng trực tiếp với α loãng
2.1.1. Điều chỉnh thời điểm phun xăng trong động cơ đốt trong với α 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 NLKK loãng) và Nạp đồng nhất (cháy với công suất cực đại).
– Chế độ công suất cực đại, nạp đồng nhất – A/F: 13 ÷ 24
– Phun nhiên liệu ở kỳ nạp
– Nạp tầng, giảm lượng tiêu thụ nhiên liệu – A/F: 30 ÷ 40
– Phun nhiên liệu ở kỳ nén
2.1.2. 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 bugi 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.
Ở chế độ đốt cháy hỗn hợp đồng nhất (điều kiện hoạt động công suất cực đại), nhiên liệu được phun trong suốt kỳ nạp, khi piston đi xuống về phía đáy của xi lanh. Không khí được hút vào và theo hướng piston đi xuống. Đó cũng là thời điểm tốt nhất cho việc phun nhiên liệu vào động cơ. Trong trường hợp này, piston đi xuống làm cho thể tích bên trong xilanh tăng dần, dòng nhiên liệu được phân tán rộng, tạo thuận lợi cho nhiên liệu và không khí hòa trộn tốt.
Việc sắp xếp hỗn hợp NLKK xung quanh bugi được thực hiện bởi sự cải tiến ba đặc tính kỹ thuật mới sau:
1/ Đường ống nạp đứng và thẳng.
2/ Đỉnh piston có dạng cong, lõm
3/ Vòi phun xăng có áp suất cao
2.1.3. Tính kinh tế nhiên liệu được cải thiện tốt hơn.
Khả năng thực hiện phân tầng hỗn hợp làm cho động cơ hoạt động với α loãng ổn định hơn, cải thiện đáng kể về tính kinh tế nhiên liệu. Trong điều kiện α loãng, động cơ GDI đã nâng được tỷ số nén cao hơn so với trước do điều khiển chính xác thời điểm phun nhiên liệu. Những đặc tính này đóng góp lớn cho việc giảm lượng tiêu thụ nhiên liệu. Động cơ GDI cải thiện tính kinh tế nhiên liệu khoảng 35% so với động cơ MPI trong điều kiện xe chạy trong thành phố.
2.1.5. Vấn đề truyền nhiệt cho buồng đốt với α 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.
Ở chế độ này lần phun đầu được thực hiện ở hành trình nạp với một lượng xăng rất thấp (tỷ lệ không khí / nhiên liệu = 60/1). Nó làm lạnh các vách nhiệt và không tạo ra sự cháy tự phát hay kích nổ. Lần phun thứ hai ở hành trình nén và tỷ lệ không khí / nhiên liệu thì giàu, nó có thể lên đến gần 12/1. Nhờ đó momen và công suất tăng mạnh khi khởi động động cơ hay lúc xe đang đầy tải (xe đang chạy qua mặt xe khác).
2.2. Các giải pháp về mặt kết cấu ảnh hưởng tới vấn đề mở rộng giới hạn α.
2.2.1. Kết cấu của buồng đốt.
Hình dạng buồng đốt và cách bố trí xupap, vòi phun có liên quan mật thiết với nhau. Sự phát sinh HC có thể được giảm bớt nếu buồng đốt có diện tích bề mặt trơn và nhỏ bởi vì HC chưa cháy được hình thành từ những khe hở bên trong và sắp xếp theo vách buồng đốt.
Buồng đốt trong động cơ phun xăng trực tiếp được kết hợp với đỉnh piston lồi lõm, bố trí đường ống nạp thẳng góc với xi lanh, dòng không khí di chuyển trực tiếp vào đỉnh piston và tạo xoáy lốc rất mạnh trong buồng cháy. Dòng nhiên liệu được phun với áp suất cao vào dòng không khí, việc hòa trộn nhiên liệu - không khí tốt hơn, quá trình cháy diễn ra nhanh chóng và hoàn hảo hơn.
2.2.3. Sự bố trí và kết cấu vòi phun.
2.3.3.1.Sự bố trí vòi phun
Dạng tia phun và vị trí của vòi phun có tính chất quyết định trong phương pháp tạo ra quá trình cháy tầng của hỗn hợp xăng và không khí, do đó nó cũng ảnh hưởng lên hoạt động của hệ thống phun xăng trực tiếp. Vòi phun này có thể đặt thẳng đứng hướng tâm như trong động cơ FSR của xe Megane IDE hay đặt bên hông như trong động cơ Lupo hay các động cơ của Nhật. Vị trí bugi nằm xen giữa với vòi phun. Không khí chuyển động xoáy lốc vào buồng đốt nhờ những cái cánh hoặc nhờ vào hình dạng ống của đường ống nạp cũng như đường dẫn không khí vào trong buồng đốt và sự xoáy lốc này sau cùng được duy trì nhờ hình dạng đỉnh piston.
Hình 2.19, trên đỉnh piston khoét lõm, nhiên liệu phun thẳng vào đỉnh. Dòng nhiên liệu và dòng không khí cùng chiều, sự hòa trộn tốt, vùng nhiên liệu đậm được đưa đến xung quanh bugi.
Hình 2.20, nhiên liệu cuộn mạnh trong đỉnh piston, tạo cháy rối tự nhiên giữa nhiên liệu và không khí.
2.2.3.2.Kết cấu vòi phun
Sự phun xăng trực tiếp khác với hệ thống phun xăng trên đường nạp ở sự điều khiển của vòi phun. Nó cần một áp suất lớn do áp suất phun lớn để thắng được áp suất trong lòng xi lanh động cơ (trong buồng cháy) ở cuối kỳ nén. Vòi phun phải hoạt động nhanh nhạy hơn từ 4 đến 5 lần so với các vòi phun cổ điển do thời gian phun ngắn nhất ở chế độ cháy tầng. Vì vậy một điện áp cao (90-100)V cung cấp cho hệ thống nhiên liệu để giới hạn cường độ dòng điện cao có thể đạt đến 20A trong mạch điện (vì dòng điện quá lớn sẽ làm tăng kích thước các linh kiện điện và điện tử). Hiệu điện thế cao này chỉ được sử dụng trong thời gian ngắn để nhấc ty kim của vòi phun, còn việc giữ ty kim mở thì được thực hiện ở hiệu điện thế 12V.
2.2.5. Kết cấu của ống góp hút, van nạp, van thoát.
Để tạo thuận lợi cho quá trình nạp, ở nắp máy 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 bugi 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 bugi. Thật thế trong những lớp hỗn hợp loãng nhất tỷ lệ giữa không khí và xăng có thể đạt đến 40:1 hay 50:1 với hệ thống EGR, trong khi một hỗn hợp đồng nhất thì tỷ lệ hỗn hợp NLKK là 14,7:1.
2.3. Các giải pháp về mặt điều khiển ảnh hưởng tới vấn đề mở rộng giới hạn α
2.3.1. Điều khiển 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.
Trên các động cơ đốt hỗn hợp nhiên liệu-không khí loãng bằng phun xăng trực tiếp, ngoài việc phân lớp hòa khí thì một hệ thống đánh lửa có năng lượng đánh lửa giữa hai điện cực bugi lớn là một yếu tố rất quan trọng. Vì vậy hệ thống đánh lửa thường được sử dụng trên loại động cơ này là hệ thống đánh lửa trực tiếp. Loại này có ưu điểm là: dây cao áp ngắn hoặc không có dây cao áp nên giảm sự mất mát năng lượng, bỏ được các chi tiết cơ dễ hư hỏng và các chi tiết chế tạo bằng vật liệu tốt như mỏ quẹt, chổi than, nắp delco…, góc đánh lửa được điều chỉnh tối ưu, góc ngậm điện được điều chỉnh theo tốc độ động cơ và hiệu điện thế của accu để đảm bảo cho điện thế thứ cấp U2 là không đổi, đáp ứng tốt các chế độ hoạt động của động cơ.
2.3.3.. 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 của 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. Việc sử dụng các máy tính điều khiển động cơ hiện đại và việc nạp một lượng lớn không khí để nâng cao hiệu suất cháy của động cơ được thực hiện bằng những giải pháp sử dụng rất nhiều các thiết bị điện tử để cải thiện hiệu suất nhiệt chung của ô tô có lắp động cơ piston.
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 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 chỉnh van dầu để đạt đến vị trí cần chỉnh.
Dựa trên các tín hiệu tốc độ động cơ, lượng khí nạp, cảm biến vị trí bướm ga và nhiệt độ nước làm mát, ECU điều khiển thời điểm mở xupap theo chế độ khác nhau.
2.4. Các cảm biến và ECU tham gia vào quá trình đốt hỗn hợp NLKK loãng.
Các cảm biến sử dụng trong động cơ đốt α loãng thực tế không có gì thay đổi so với động cơ xăng truyền thống. Sau đây là phần trình bày các cảm biến thường dùng trong động cơ đốt α loãng.
2.4.1. Cảm biến nhiệt độ (Nước làm mát, nhiêu liệu, không khí)
Cảm biến nhiệt độ là loại điện trở bán dẫn, có điện trở thay đổi nhạy với nhiệt độ. Khi nhiệt độ thay đổi thì giá trị điện trở cũng thay đổi theo. Các điện trở bán dẫn thường dùng để cảm nhận nhiệt độ chất làm mát động cơ, không khí nạp, nhiên liệu … điện trở nhiệt được làm từ vật liệu bán dẫn, có hệ số nhiệt điện trở âm (NTC- Negative Temperature Co-efficient). Khi nhiệt độ tăng thì giá trị điện trở của điện trở bán dẫn giảm và ngược lại.
Cảm biến nhiệt độ nước làm mát dùng để xác định nhiệt độ nước làm mát và điều chỉnh hỗn hợp NLKK để quá trình cháy tốt hơn và khí thải ít độc hại hơn.
2.4.2. Cảm biến đo gió kiểu màng nhiệt (được dùng trên động cơ GDI của Mitsubishi)
Nguyên lý của bộ đo gió kiểu nhiệt dựa trên sự phụ thuộc của năng lượng nhiệt thoát ra từ một linh kiện được nung nóng bằng nhiệt được đặt trong dòng không khí nạp.
Cảm biến đo gió kiểu màng nhiệt bao gồm một bộ điện tử (Electronic Module), một điện trở gởi nhiệt (Air Temperature Sending Resister), phần tử cảm nhận nhiệt (sensing Element) được lắp như hình vẽ.
Điện trở gởi nhiệt dùng để đo nhiệt độ không khí nạp vào động cơ, phần tử cảm nhận nhiệt luôn giữ cho nhiệt độ động cơ cao hơn nhiệt độ không khí nạp là 750C. Khi khí nạp đi qua phần tử cảm nhận nhiệt sẽ làm cho nhiệt độ của nó giảm xuống, lúc này có dòng điện phụ cung cấp cho phần tử cảm nhận nhiệt để duy trì nhiệt độ của nó cao hơn nhiệt độ không khí nạp là 750C.
2.4.4. Cảm biến vị trí cam.
Cảm biến vị trí cam báo cho ECU các tín hiệu G (G1, G2) và NE. Tín hiệu G báo cho ECU biết góc quay trục khuỷu tiêu chuẩn hay vị trí điểm chết trên hoặc trước điểm chết trên của piston, dựa trên tín hiệu này ECU xác định thời điểm đánh lửa và thời điểm phun nhiên liệu. Tín hiệu NE báo cho ECU biết tốc độ động cơ nhằm tính toán hoặc tìm góc đánh lửa tối ưu và lượng nhiên liệu sẽ phun vào cho từng xylanh. Tín hiệu này cũng dùng vào mục đích điều khiển tốc độ cầm chừng hoặc cắt nhiên liệu ở chế độ cầm chừng cưỡng bức.
2.4.6. Cảm biến vị trí cánh bướm ga (Throttle Position Sensor)
Cảm biến vị trí cánh bướm ga được lắp ở trên trục cánh bướm ga. Cảm biến này đóng vai trò chuyển vị trí góc mở cánh bướm ga thành tín hiệu điện thế gởi đến ECU thông báo góc mở của cánh bướm ga.
Cảm biến này sử dụng loại cảm biến Hall. Tương tự như cảm biến vị trí bàn đạp ga cảm biến vị trí bướm ga cũng là loại phần tử Hall gồm có các mạch IC Hall làm bằng các phần tử Hall và các nam châm quay quanh chúng, các nam châm được lắp trên trục của bướm ga và quay cùng với nó.
2.4.8. ECU
ECU được sử dụng trên các loại động cơ hoạt động với α loãng thường là loại điều chỉnh theo kiểu tích hợp, tức là điều khiển cả phun xăng và đánh lửa. ECU định lượng các giá trị do các cảm biến gởi về, từ đó nhận biết được tình trạng hoạt động của động cơ, sau đó tính toán xử lý các số liệu để đưa ra tín hiệu điều khiển lượng nhiên liệu phun, thời điểm phun và thời điểm đánh lửa thích hợp. ECU lưu trữ các bản đồ về lượng nhiên liệu phun và thời điểm phun, thời điểm đánh lửa ứng với các trạng thái hoạt động của động cơ trong bộ nhớ.
CHƯƠNG 3
ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỐT CHÁY HỖN HỢP NHIÊN LIỆU – KHÔNG KHÍ CÓ α LOÃNG TRÊN MỘT SỐ ĐỘNG CƠ
3.1. Động cơ phun xăng trực tiếp 3S-FSE trên xe Toyota Camry
Động cơ 3S-FSE của hãng Toyota là động cơ xăng có 4 xy lanh thẳng hàng, dung tích xy lanh 2,0 lít, trục cam kép DOHC 16 xupap dẫn động bằng xích, hệ thống phân phối khí van biến thiên thông minh VVT-i, hệ thống đánh lửa trực tiếp GDI, hệ thống điều chỉnh biến thiên chiều dài đường ống nạp ACIS, hệ thống điều khiển bướm ga điện tử thông minh ETCS-i. Động cơ này được phát triển để đạt được hiệu suất cao, êm dịu, tiết kiệm nhiên liệu và khí thải sạch hơn.
3.1.1. Về mặt kết cấu .
3.1.1.1. Nắp máy
Nắp máy được làm bằng nhôm kết hợp với thân máy tạo ra buồng đốt kiểu vát nghiêng hình côn. Bugi được đặt ở giữa buồng đốt để có thể hạn chế hiện tượng kích nổ.
Buồng đốt hình côn giảm khả năng xảy ra kích nổ, cải thiện hiệu suất động cơ và tiết kiệm nhiên liệu.
3.1.1.3. Piston, xéc măng
- Piston được làm từ hợp kim nhôm và phần thân được thiết kế nhỏ gọn.
- Đầu piston làm lõm xuống để cải thiện hiệu quả đốt cháy nhiên liệu.
- Rãnh xéc-măng được phủ oxit anodic để tăng khả năng chịu tải, chống mài mòn.
- Xéc-măng được chế tạo có độ căng thấp để giảm ma sát và đạt được mức tiết kiệm nhiên liệu tối ưu. Chiều rộng xéc-măng được làm hẹp để giảm khối lượng và ma sát.
3.1.1.4. Hệ thống nhiên liệu
a) Bơm chuyển tiếp nhiên liệu (bơm thấp áp)
Bơm chuyển tiếp nhiên liệu trong động cơ 3S-FSE là bơm kiểu cánh gạt.
Bánh công tác: có nhiều cánh, quay nhờ motor điện. Khi motor quay bánh công tác sẽ kéo xăng từ cửa vào đưa đến cửa ra. Sau khi đi qua cửa vào xăng sẽ đi quanh motor điện và đến van một chiều.
Bơm xăng kiểu cánh gạt là một loại bơm điện với một hiệu điện thế là 12 vol. Bơm chuyển sẽ bị ngắt điện sau khi động cơ dùng lại 2 đến 3 giây do ECU điều chỉnh.
b) Bơm cao áp
Một pít tông với van điều khiển, van xả, van một chiều và van điều tiết xung ở đầu vào. Nó được lắp trên nắp van và được dẫn động bằng một cam có 3 gờ cao nằm trên trục cam xả.
Tại hành trình đầu vào, pít tông di chuyển xuống dưới và nhiên liệu hút vào buồng bơm. Khi bắt đầu hành trình nén, một phần của nhiên liệu được quay trở lại trong khi van điều khiển mở (áp suất nhiên liệu quy định được đặt), van điều khiển hành trình nén được đóng và nhiên liệu có áp qua van một chiều được cung cấp vào đường dẫn nhiên liệu.
c) Kim phun
Trong động cơ 3S-FSE gồm kim phun trực tiếp vào buồng đốt và kim phun khởi động lạnh 2 loại này có kết cấu tượng tự nhau.
Vòi phun là một vòi hoạt động bằng điện từ, nó phun nhiên liệu phụ thuộc vào tín hiệu từ ECU. Vòi phun được lắp trực tiếp vào xi lanh buồng đốt và được bắt chặt vào ống phân phối.
- Kim phun một lỗ phun
Với áp suất phun từ 7 MPa đến 10 MPa, đường kính lỗ phun từ 14µm đến 23µm, tia phun được phun ra dạng hình nón (góc đỉnh từ 250 đến 1500), dòng nhiên liệu phun vào buồng đốt cuộn xoay. 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.
- Kim phun nhiều lỗ.
Áp 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 hòa trộn. Tuy nhiên, số lỗ nhiều thì đường kính các lỗ nhỏ hơn kim phun 1 lỗ nên dễ bị nghẹt (do đặt trực tiếp trong buồng cháy).
3.1.2. Về mặt điều khiển
3.1.2.1. Điều khiển đánh lửa
ECU động cơ xác định thời điểm đánh lửa dựa vào tín hiệu G, tín hiệu NE và các tín hiệu từ các cảm biến khác. Khi đã xác định được thời điểm đánh lửa, ECU động cơ gửi tín hiệu IGT đến IC đánh lửa. Đồng thời, tín hiệu IGF được gửi đến ECU động cơ. Trong hệ thống đánh lửa trực tiếp, ECU động cơ phân phối dòng điện cao áp đến các xi lanh bằng cách gửi từng tín hiệu IGT đến các IC đánh lửa theo trình tự đánh lửa. Điều này giúp điều chỉnh thời điểm đánh lửa có độ chính xác cao.
3.1.2.3. Điều khiển hệ thống phân phối khí (VVT-i)
Bộ chấp hành của hệ thống VVT-i bao gồm bộ điều khiển VVT-i dùng để xoay trục cam nạp, áp suất dầu dùng làm lực xoay cho bộ điều khiển VVT-i và van điều khiển dầu phối phí trục cam để điều khiển đường đi của dầu.
Khi van điều khiển dầu phối khí trục cam được đặt ở vị trí như trên hình vẽ bằng ECU động cơ, áp suất dầu tác động lên khoang cánh gạt phía làm sớm thời điểm phối khí để quay trục cam nạp về chiều làm sớm thời điểm phối khí.
3.2. Động cơ phun xăng trực tiếp V35A-FTS trên xe Lexus LS
Động cơ V6 3.5 lít tăng áp kép V35A-FTS được phát triển riêng cho mẫu xe Lexus LS cho công suất 415 mã lực và mô-men xoắn 442 lb-ft, đồng thời thể hiện một sự nâng cấp lớn so với động cơ V8 4.6L của mô hình hiện tại. V35A-FTS là động cơ Toyota DOHC 24 van tăng áp kép V6 với VVT-iE nạp và xả VVT-i liên tục.
3.2.1. Về mặt kết cấu
3.2.1.1. Nắp máy
Nắp máy động cơ có nhiệm vụ cùng với pít tông và xi lanh tạo thành buồng cháy. Ngoài ra, trên nắp máy còn lắp trục cam và các chi tiết của các cơ cấu và hệ thống khác: Vòi phun, xu páp. các đường nạp, đường thải, đường nước làm mát, đường dẫn dầu bôi trơn… Nắp máy là chi tiết làm việc trong điều kiện rất xấu, chịu nhiệt độ cao, áp suất lớn, ăn mòn hoá học nhiều.
3.2.1.2. Pít tông, xéc măng
Pít tông động cơ V35A-FTS được chế tạo từ hợp kim nhôm
Kết cấu của pít tông động cơ V35A-FTS: do pít tông động cơ được chế tạo bằng hợp kim nhôm, có hệ số giãn nở lớn nên để tránh bó kẹt do giãn nở vì nhiệt, nó có các đặc điểm kết cấu sau:
- Chế tạo thân pít tông có sẵn dạng ô van mà trục ngắn của nó trùng với đường tâm của chốt pít tông.
- Tiện vát bớt mặt thân pít tông ở phía hai đầu bệ chốt
- Đỉnh pít tông được làm lõm, hình dạng này kết hợp với dòng khí nạp chuyển động xoáy lốc kéo dài trong quá trình nạp và nén sẽ tạo ra vận động rối cần thiết để đánh tơi chùm tia phun nhiên liệu, để hỗn hợp khí cháy hoà trộn tốt nhất.
3.2.1.4.Hệ thống nạp, thải
Đối với động cơ nạp khí tự nhiên, trong quá trình đốt cháy nhiên liệu, khoảng 40% nhiệt năng sinh ra từ khí xả bị thải ra bầu khí quyển một cách lãng phí. Hệ thống tăng áp được thiết kế để sử dụng nguồn năng lượng khí xả này nhằm tăng lượng khí nạp vào xy-lanh động cơ.
Bộ tăng áp có thể làm tối ưu hóa nguồn năng lượng từ khí xả để dẫn động tua-bin quay máy tăng áp thông qua trục dẫn động. Turbo sẽ cung cấp lượng khí nạp với áp suất cao vào xy-lanh động cơ làm tăng quá trình đốt cháy nhiên liệu được tốt hơn so với động cơ đốt trong không dùng turbo.
3.2.2.Về mặt điều khiển
3.2.2.1. Điều khiển phun nhiên liệu
Phun nhiên liệu - kết hợp: Nhiên liệu được phun trực tiếp trong buồng đốt và đa điểm ở các cổng vào.
Ở tải trọng vừa và nhỏ, có thể sử dụng bất kỳ 1 trong ba chế độ phun tùy chọn là phun tại cửa, phun trực tiếp hoặc phun kết hợp. Điều này cho phép tạo ra hỗn hợp nhiên liệu không khí đồng nhất và duy trì quá trình đốt cháy ổn định. Dưới tải trọng nặng, sử dụng phương pháp phun nhiên liệu trực tiếp, sự bay hơi của nhiên liệu trong khối làm đầy xi lanh được cải thiện và giảm xu hướng kích nổ. Ngay sau khi khởi động nguội, sự kết hợp giữa phun nhiên liệu tại chỗ và phun trực tiếp cho phép tạo ra một hỗn hợp không đồng nhất trong xi lanh, và do quá trình bắt lửa chậm làm tăng nhiệt độ của khí thải, làm tăng tốc độ đốt nóng của chất xúc tác.
Chế độ phân tầng: được sử dụng cho động cơ ở điều kiện tải nhỏ với tốc độ thấp và không đổi. Nhiên liệu được phun vào gần thời điểm đánh lửa, cùng với kết cấu buồng cháy, chỉ có một lượng nhiên liệu nhỏ tập trung trước bugi. Điều này cho phép động cơ hoạt động ở chế độ cực loãng với tỷ số nén cao, việc mà PFI và chế hòa khí không thể làm được. Tuy nhiên lượng NOx phát thải ra môi trường ở chế độ này lại tăng nên van EGR được kích hoạt để giảm thiểu lượng Nox.
Chế độ đồng nhất: được dùng ở điều kiện tải nặng, tốc độ cao, độ mở bướm ga rộng. Tỷ lệ hòa khí có thể cân bằng hoặc giàu hơn một ít (α xấp xỉ 1 hoặc α < 1). Nhiên liệu được phun vào trong kì nạp để tạo thêm thời gian hình thành hòa khí. Với tỷ lệ hòa khí như trên thì lượng NOx phát thải ra ít nên van EGR không hoạt động.
3.2.2.2.Điều khiển hệ thống phân phối khí DVVT-iE
a) Kết cấu hệ thống
Động cơ V35A-FTS có cơ cấu phân phối khí loại dùng xu páp treo. Cách bố trí này tạo cho buồng cháy có kích thước nhỏ gọn, giảm được tổn thất nhiệt, dễ dàng bố trí đường nạp và đường thải, tạo điều kiện thuận lợi cho việc thải sạch và nạp đầy. Tuy vậy nhược điểm của phương pháp bố trí xu páp treo là dẫn động xu páp phức tạp, làm tăng chiều cao động cơ, và khi bố trí kiểu xu páp treo thì làm kết cấu của nắp xi lanh phức tạp.
b) Chế độ hoạt động của bộ truyền động DVVT-iE
Bộ truyền động VVT cả trên trục cam đầu vào và đầu ra đều được lắp đặt (DVVT - Thời gian van biến thiên kép). Có cơ chế điều khiển van biến thiên điện cho khí nạp (VVT-iE) và thủy lực truyền thống cho khí thải (VVT-i). Phạm vi thay đổi thời gian 85° cho khí nạp và 44° cho khí thải.
Điều khiển phun sớm: ECM báo hiệu động cơ quay nhanh hơn trục cam. Thông qua hộp số, bánh răng trục cam quay theo chiều kim đồng hồ, và trục cam được kết nối chặt chẽ với nó sẽ chuyển động theo hướng trước.
Điều khiển phun trễ: ECM báo hiệu động cơ quay chậm hơn trục cam. Thông qua bộ giảm tốc, bánh răng trục cam quay ngược chiều kim đồng hồ, và trục cam được kết nối chặt chẽ với nó chuyển động theo hướng trễ.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
※ Kết luận:
Sau thời gian học tập tại Khoa Ô tô, cũng như thời gian được thực tập kỹ thuật tại xưởng của trường kết thúc khoá học em đã lựa chọn đề tài theo chuyên ngành ô tô để nghiên cứu và làm Đồ án tốt nghiệp cho mình.
Tên đề tài: “Nghiên cứu quá trình cháy với hỗn hợp nhiên liệu – không khí loãng trong động cơ phun xăng trực tiếp”. Với những kiến thức đã học, thông tin và các tài liệu thu thập được trong thời gian thực tập, cộng với sự hướng dẫn, chỉ bảo giúp đỡ tận tình của thầy giáo : Th.S.……………., cùng các thầy giáo trong khoa, qua sự nỗ lực cố gắng của bản thân em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp về đề tài của mình. Với các nội dung công việc đã được thực hiện và đưa vào nội dung từng chương trong đồ án này.
※ Kiến nghị:
Do các nguyên nhân khách quan và chủ quan, đồ án này sẽ không tránh khỏi những thiếu sót nhất định về mặt nội dung hoặc hình thức trình bày, rất mong được sự thông cảm, giúp đỡ, chỉ bảo của quý thầy giáo.
Một lần nữa em xin trân trọng gửi lời cảm ơn sâu sắc đến sự giúp đỡ tận tình của thầy hướng dẫn : Th.S.……………., cùng quý thầy giáo trong Khoa./.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Giáo trình ô tô và ô nhiễm môi trường, Nguyễn Lê Ninh, NXB Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, 2002.
2. Nguyên lý động cơ đốt trong, Nguyễn Tất Tiến, NXB Giáo dục, 2001.
3. Phun xăng trực tiếp GDI, Nguyễn Tấn Quốc, NXB Giáo dục, 2003.
4. Hệ thống điện và điện tử trên ô tô hiện đại, Đỗ Văn Dũng, NXB Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, 2003.
5. Giáo trình Kết cấu động cơ đốt trong, Trần Quốc Toản, Trường Sĩ quan Kỹ thuật quân sự, 2010.
6. TOYOTA ДВИГАТЕЛИ 3S-FSE, 2003.
7. Tài liệu Toyota engines - V35 - Dynamic Force series (V6).
"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"