Động cơ GDI

ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG TRỰC TIẾP GDI
1.1. LỊCH SỬ RA ĐỜI CỦA ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG TRỰC TIẾP:
1.1.1 Quá trình phát triển của động cơ xăng 4 kỳ:
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 (hình 3.1a). 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 (hình 3.1b).

Hình 1.1 – Sơ đồ minh họa sự phát triển của động cơ SI.
Với động cơ MPI, đã góp phần giải quyết giảm tình trạng ô nhiễm môi
trường và giảm suất tiêu hao nhiên liệu. Tuy nhiên, trong thập kỷ này các nhà
khoa học đã cho ra đời thế hệ động cơ xăng mới là động cơ phun xăng trực tiếp
vào buồng đốt (GDI) (hình 3.1c) có khả năng cháy hoàn hảo hơn, có thể làm việc
với tỷ lệ hòa khí cực loãng giới hạn tỷ lệ khối lượng không khí : nhiên liệu đến
1:40, vì vậy lượng nhiên liệu tiêu thụ cũng giảm dẫn đến việc khí thải ra cũng ít ô
nhiễm hơn.
Tuy mới có mặt trên thị trường chưa hơn 10 năm, nhưng hiện nay dòng động
cơ này đã chiếm lĩnh thị trường, nhất là ở Châu Âu. Với tiêu chuẩn ngày càng
khắc khe buộc các nhà đầu tư dần dần phải ứng dụng dòng động cơ này vào ô tô
của mình.

Trang1

Động cơ GDI

Theo lịch sử nghiên cứu và phát minh thì Mercedes – Benz, lần đầu tiên vào
năm 1955 đã ứng dụng phun xăng trực tiếp vào buồng cháy của động cơ 6 cylinder
(Mercedes – Benz 300SL) với thiết bị bơm tạo áp suất phun của Bosch. Tuy
nhiên, ứng dụng này bị quên lãng do vào thời điểm đó thiết bị điện tử chưa được
phát triển và ứng dụng nhiều cho động cơ ô tô nên việc điều khiển phun nhiên liệu
của động cơ thuần tuý bằng cơ khí, và việc tạo hỗn hợp phân lớp, cũng như những
nghiên cứu lý thuyết sâu về quá trình cháy bên trong động cơ chưa được nghiên
cứu như ngày nay. Do đó, so với quá trình tạo hỗn hợp ngoài động cơ thì quá trình
tạo hỗn hợp trong buồng đốt cũng không khả quan hơn nhưng kết cấu và giá thành
thì cao hơn nhiều.
Mãi đến năm 1996, tình trạng giá xăng dầu leo thang và quy định ngày càng
khắt khe về tiêu chuẩn khí thải Misubishi Motors đã thương mại hóa động cơ
GDI (Gasoline Direct-Injection) đưa vào thị trường Nhật, hơn 400.000 động cơ
động cơ cho dòng xe 4 chỗ đến trước năm 1999. Sự thành công của hãng này là
động lực thúc đẩy các nhà sản xuất ô tô khác cũng phải chuyển từ động cơ MPI
sang GDI: các hãng như PSA Peugeot Citron, Daimler Chrysler (duới bản quyền
sáng chế cho phép của Mitsubishi) cũng đã áp dụng kỹ thuật này cho dòng động
cơ của mình vào khoảng năm 2000 – 2001, Volkswagen/Audi cho ra mắt kiểu
động cơ GDI vào năm 2001 nhưng dưới tên gọi FSI (Fuel Stratified Injection),
BMW đã cho ra đời động cơ GDI V12.
Các nhà sản xuất xe hàng đầu như General Motors cũng đã áp dụng kỹ thuật
GDI cho động cơ của mình để cho ra đời dòng xe mới vào những năm 2002, và
sau cùng đó là Toyota cũng phải từ bỏ việc tạo hỗn hợp ngoài động cơ để chuyển
sang tạo hỗn hợp trong buồng đốt và đã ra mắt thị trường với động cơ 2GR – FSE
V6 vào đầu năm 2006.

1.2. 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).
- Nhờ vào sự phát triển của điện tử, tin học cách đây hơn hai thập kỷ thế hệ
động cơ xăng PFI ra đời đã thay thế động cơ xăng sử dụng carburattor, và ưu điểm
vượt trội của loại động cơ xăng PFI mà chúng ta đã biết. Cũng gần đây, sự xuất
hiện của động cơ GDI cũng đã dần dần thay thế động cơ PFI.
Mitsubishi đã nổ lực thiết kế và chế tạo ra động cơ có hiệu suất cao như
động cơ phun xăng trực tiếp (GDI). Nhiều năm nay các kỹ sư ô tô vẫn tin rằng

Trang2


Động cơ GDI

kiểu động cơ này đã tối ưu hóa nhiên liệu cung cấp và quá trình cháy. Động cơ
này có công suất phát ra cao và suất tiêu hao nhiên liệu thấp.
Cho tới nay, đã có rất nhiều hãng đã chế tạo thành công động cơ GDI như:
Toyota, Renualt, Nissan, Mercedes – Benz,… Kết quả của khả năng phát triển
động cơ phun xăng trực tiếp GDI là một kỹ thuật đang được các nhà kỹ thuật trên
thế giới vươn đến.
- Nhờ vào khả năng tạo hỗn hợp bên trong buồng đốt nên ở động cơ
GDI có thể kiểm soát được chính xác lượng nhiên liệu đưa vào buồng đốt trong
mỗi chu trình hoạt động của động cơ, khắc phục được nhược điểm phun trên ống
nạp nhiên liệu bị bám vào thành ống (hình 3.2).

Hình 3.1 – Quá trình tạo hỗn hợp nghèo của động cơ GDI.

Hình 1.2 – Quá trình tạo hỗn hợp nghèo của động cơ GDI.
- Cũng nhờ vào việc phun nhiên liệu trực tiếp và kết cấu của buồng đốt
nên động cơ GDI có thể hoạt động với tỷ lệ air/fuel rất loãng đảm bảo cho động cơ
cháy sạch, tiết kiệm nhiên liệu tối đa, giảm nồng độ khí thải ô nhiễm (nhờ phát
huy được tác dụng bộ xúc tác dual – catalyst) (hình 3.3).
Hình 1.3 – Nồng độ NOx trong khí xả sau khi qua bộ xúc tác.

Trang3


Động cơ GDI

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

Hình 1.4 – Đồ thị so sánh công suất, momen của động cơ MPI & GDI.
- Kết cấu của hệ thống tăng áp cho động cơ GDI thiết kế được hoàn
thiện hơn do động cơ có thể hoạt động với hỗn hợp cực nghèo.
- Tuy nhiên, do nhiên liệu được phun vào buồng đốt nên đòi áp suất
phun phải lớn hơn rất nhiều so với kiểu phun PFI, kết cấu kim phun phải đáp ứng
được điều kiện khắc nghiệt của buồng cháy, hệ thống điều khiển phun nhiên liệu
phức tạp hơn nhiều do hỗn hợp tạo ra phức tạp hơn ở động cơ PFI, kết cấu buồng
đốt cũng phức tạp hơn do phải bảo đảm được điều kiện hỗn hợp có thể cháy được
trong điều kiện cực nghèo…
1.3. 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
PFI, 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). Ơ 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.
1.3.1. Sự Khác Nhau Giữa GDI Và MPI Hiện Nay:
- Đối với hệ thống nhiên liệu, động cơ sử dụng bộ chế hoà khí được thay
thế bằng hệ thống phun nhiên liệu, phun đa điểm MIP. Đối với loại này nhiên liệu
được phun vào từng lổ nạp của từng xylanh, hiện nay hệ thống này được sử dụng
rộng rải nhất. Tuy nhiên, động cơ MPI cũng có một số giới hạn về sự đáp ứng
cung cấp nhiên liệu điều khiển sự cháy. Bởi vì hỗn hợp nhiên liệu và không khí
được nạp và trước trong xy lanh.
Mitsubishi đã đẩy lùi giới hạn đó bằng việc phát triển động cơ phun xăng
trực tiếp vào xu lanh động cơ tương tự như động cơ diesel.Và hơn thế nửa, ở đầu
thời điểm phun được điề u khiển chính xác theo điều kiện tải.
Trang4


Động cơ GDI

Hình1.5 - Sơ đồ kết cấu động cơ GDI Mitsubishi với kiểu hệ thống buồng đốt
Wall – Guide.

Hình 1.6 : Kết Cấu Chung Của Động Cơ Xăng GDI Mitsubishi

Trang5


Động cơ GDI

Hình 1.7 Sơ đồ kết cấu của một loại động cơ GDI
1.3.2 Những đặc tính kỹ thuật của động cơ GDI :









Đường ống nạp thẳng góc với piston, tạo được sự lưu thông của lưu lượng
gió tối ưu nhất.
Hình dạng đỉnh piston lồi, lõm như hình vẽ tạo thành buồng cháy tốt nhất,
tạo được sự hòa trộn nhiên liệu + không khí tối ưu nhất (hơn cả loại phun xăng
MPI ).
Bơm xăng cao áp cung cấp xăng có áp suất cao đến kim phun và phun trực
tiếp vào xi lanh động cơ.
Kim phun nhiên liệu có áp suất phun cao (50 KG/cm 2), chuyển động xoáy
lốc kết hợp với không khí tạo thành hổn hợp hòa khí ( xăng + gió) tốt nhất .
Ở chế độ tải nhỏ nhiên liệu được phun ở cuối quá trình nén. Ở chế độ đầy
tải nhiên liệu được phun ở quá trình nạp.
Tiêu hao nhiên liệu ít hơn 35% so với động cơ phun xăng “ MPI ” hiện nay.

Hình 1.8 : Cách Bố Trí Hệ Thống Nhiên Liệu của Mitsubishi.

Trang6


Động cơ GDI

1.3.3

Một Số Ưu Điểm Của GDI So Với Các Động Cơ MPI.




Điều khiển được lượng xăng cung cấp rất chính xác, hệ số nạp cao như
động cơ diesel và thậm chí hơn hẳn động cơ diesel



Động cơ có khả năng làm việc được với hổn hợp cực loãng( Air/Fuel) =
(35¸-55) (khi xe đạt được vận tốc trên 120 Km/h).



Hệ số nạp rất cao, tỉ số nén cao ( =12). Động cơ GDI vừa có khả năng tải
rất cao, sự vận hành hoàn hảo, vừa có các chỉ tiêu khác hơn hẳn động cơ
MPI

Hình 1.9 Đồ thị minh họa
1.3.3.1 Kiểm soát khí thải:
Những nhà chế tạo ô tô trước đây luôn luôn tìm mọi cách để đốt cháy một
hổn hợp nhiên liệu loãng nhằm giảm thiểu cũng như kiểm soát lượng khí NO X .
Ngày nay, động cơ GDI đã giảm được 97% lượng khí NO X phát ra, điều này đạt
được do có sự tham gia của khí thải hoàn lưu qua EGR cao và nhờ vào sự đốt cháy
ổn định hoàn hảo.

Trang7


Động cơ GDI

Hình 1.10 Đồ thị minh họa

1.3.3.2 Nâng cao hiệu suất động cơ:
Để đạt được hiệu suất cao hơn so với những loại động cơ MPI trước đây,
động cơ GDI có tỉ số nén rất cao và bộ lọc không khí hữu hiệu. Hiệu suất buồng
đốt tốt hơn nhiều. Với ống hút thẳng góc xi lanh, gió đi vào xi lanh êm dịu hơn.
Điều này làm cho quá trình cháy xảy ra nhanh hơn, hoàn hảo hơn, nâng cao được
hiệu suất buồng đốt.

Hình 1.11 Đồ thị minh họa
1.3.3.3 Tỉ số nén cao :

Trang8


Động cơ GDI

HììHình 1.12 Đồ thị minh họa
So với những loại động cơ MPI, 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.

Hình 1.13 Đồ thị minh họa
1.3.3.4

Sự tiêu hao nhiên liệu tối ưu nhất:

Thời điểm phun được tính toán rất chính xác nhằm đáp ứng được sự thay đổi
tải trọng của động cơ. Ở chế độ tải trọng trung bình và xe chạy trong thành phố thì
nhiên liệu phun ra ở cuối thì nén, giống như động cơ diesel và như vậy hổn hợp
loãng đi rất nhiều.Ở chế độ đầy tải, nhiên liệu được phun ra cuối thì nạp, điều này
có khả năng cung cấp 1 hổn hợp đồng nhất giống như động cơ MPI nhằm mục

đích đạt được hiệu suất cao.


Quá trình cháy với hổn hợp cực loãng : Ở tốc độ cao (trên 120 Km/h),
động cơ “GDI” sẽ đốt 1 hổn hợp nhiên liệu cực loãng, tiết kiệm được lượng
nhiên liệu tiêu thụ. Ở chế độ này, nhiên liệu được phun ra cuối kỳ nén và kỳ
nổ: tỉ lệ hổn hợp là cực loãng , (Air/Fuel) = 30¸-40 (35¸-55 bao gồm EGR).



Ở chế độ công suất cực đại : Khi động cơ GDI hoạt động ở chế độ tải lớn,
toàn tải, tốc độ cao thì nhiên liệu được phun vào xi lanh động cơ trong suốt
Trang9


Động cơ GDI

kỳ nạp, sự cháy hoàn hảo hơn, nhiên liệu được cháy sạch, cháy kiệt, động
cơ làm việc êm dịu, không có tiếng gõ.

Hình 1.13a Đồ thị minh họa

1.4 . HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU CỦA ĐỘNG CƠ 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 1.14 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).

Trang10


Động cơ GDI

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.
1.4.1 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.

Hình1.15. Ống phân phối và các kim phun
1.4.2 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 3.15), hệ thống này phải đảm bảo được việc tạo

Trang11


Động cơ GDI

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 1.16 Sơ đồ hệ thống bơm, bộ phân phối.
1.4.3 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).
* Phun nhiên liệu: Các nhà chế tạo ô tô đã chế tạo ra những kim
phun xăng có áp suất rất cao 50 KG/cm2, đây là loại kim phun lý tưởng. Ở cùng
một thời điểm nó tạo được dòng xoáy lốc lớn nên phun ra những tia nhiên liệu rất
mịn: đây cũng chính là đặc điểm về kim phun của GDI.

Trang12


Động cơ GDI

Sự phun xăng trực tiếp khác với hệ thống phun xăng trên đường nạp ở sự
điều khiển của kim 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. Kim
phun phải hoạt động nhanh nhạy hơn từ 4 đến 5 lần so với các kim phun cổ điển
do thời gian phun ngắn nhất ở chế độ cháy tầng. Vì vậy một điện áp cao (90100)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
thiết bị điện và linh kiện điện tử). Hiệu điện thế cao này chỉ được sử dụng trong
thời gian ngắn để nhấc ty kim của kim phun, còn việc giữ ty kim mở thì được
thực hiện ở hiệu điện thế 12V.
Hệ thống HPDI (high pressure direct injection) được sử dụng trong hệ
thống phun xăng trực tiếp Renault, Mitsubishi, Bosch.


Hình 1.17 Hình dạng tia phun ở chế độ nạp phân tầng và nạp đồng nhất
-

Trong những loại động cơ trước đây, hổn hợp : nhiên liệu + không khí phân
tán không hoàn hảo nên sự phóng tia lửa điện ở các bougie là rất khó. Tuy
nhiên , điều này được động cơ GDI khắc phục. Hơn nửa sự tiết kiệm nhiên
liệu còn được thực hiện bởi sự sắp xếp theo lớp của hổn hợp khi nhiên liệu
được phun ra ở cuối kỳ nén, lúc này hổn hợp nhiên liệu ở mức cực loãng. Ở
mẫu động cơ này, hổn hợp nhiên liệu có độ đậm đặc tốt nhất khi nó xếp
thành từng lớp ngay ở điện cực của bougie. Sự cháy cực kỳ ổn định của hổn
hợp nhiên liệu cực loãng với tỉ lệ (không khí/xăng) = 1/40, được thể hiện
dưới đây:

Trang13


Động cơ GDI

Hình 1.18 . Qu trình chy với hồ khí lỗng

Hình 1.19 Cháy với hoà khí loãng
Với hổn hợp được tạo thành từng lớp của động cơ GDI, đảm bảo cháy
được hổn hợp không khí + xăng cực loãng (sự đốt cháy nhanh chóng và ổn định :
không làm giãm hiệu quả đốt cháy động cơ).Tỉ lệ của hổn hợp cực loãng (không
khí/xăng) = 40/1 (55/1).
1.4.4 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.


Trang14


Động cơ GDI

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.
1.4.4.1 Kim phun một lỗ phun:
Với áp suất phun từ 7.0 đến 10MPa, đường kính lỗ phun từ 14 µm đến 23
µm, tia phun được phun ra dạng hình nón (góc đỉnh từ 25 0 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).
* Cấu tạo kim phun: Kim phun gồm các chi tiết như hình sau:

Hình 1.20 Sơ đồ kết cấu kim phun một lỗ.
Chú Thích: Filter = Lọc xăng, Connector = Đầu nối điện, Coil = Cuộn dây
trong solenoid, Spring = Lò xo, Needle = Ty kim.


Trang15


Động cơ GDI

300 trước điểm chết trên

600 trước điểm chết trên

900 trước điểm chết trên

Hình 1.21 : Sự phun nhiên liệu của kim phun ở các góc độ quay trục khuỷu
khác nhau:
1.4.4.2 Kim phun nhiều lỗ phun:
Ap suất phun từ 9.5 – 12.0 MPa, số lỗ từ 4 – 10 lỗ, góc phun từ 30 0 - 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).

Hình 1.21_a Kim phun nhiều lỗ tia.
1.4.4.3

Kim phun có sự trợ giúp của dòng không khí (PPAA: Pulse –

Pressurized, Air – Assisted):
Dòng nhiên liệu đưa vào buồng đốt được sự trợ giúp của dòng không khí áp
suất cao, đối loại kim này áp suất nhiên liệu trên đường ống common rail từ 0.07 –
Trang16



Động cơ GDI

0.35 MPa có thể tạo ra bằng bơm nhiên liệu thông thường như ở động cơ PFI,
dòng không khí áp suất cao được tạo ra từ một bơm nén không khí khác. Ty kim
được điều khiển bằng cuộn solenoid (có thể 1 hoặc 2 cuộn). Hình dạng và sơ đồ
kết
cấu
kim
phun
PPAA
như
hình 1.22.

Hình 3.22 kết cấu kim phun PPAA.

Trang17


Động cơ GDI

1. 5 . CÁC DẠNG BUỒNG CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ GDI & PHƯƠNG
CÁCH HÌNH THÀNH HỖN HỢP:
1.5.1 Các yêu cầu cơ bản:
- Tạo một vùng hỗn hợp đậm đồng nhất xung quanh điện cực trung tâm
bougi, 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.
-

Để thỏa mãn 2 yêu cầu trên, người ta đưa ra một số kiểu buồng đốt
kết hợp với việc đặt kim phun và bougie như những hình sau:

Hình B : Mối quan hệ giữa vị trí kim phun và bougie trong buồng đốt động
cơ GDI.
Trên hình B cho ta thấy dòng khí xoáy lốc, bougie đặt thẳng đứng,
kim phun đặt nghiêng. Trên đỉnh piston khoét lõm để dẫn hướng
dòng khí và tạo xoáy lốc dòng khí.

Trang18


Động cơ GDI

Hình C : Mối quan hệ giữa vị trí kim phun và bougie trong buồng đốt động
cơ GDI
-

Trên hình C cho ta thấy dòng khí xoáy lốc mạnh, bougie và kim phun đặt
nghiêng. Trên đỉnh piston khoét lõm, nhiên liệu phun thẳng vào đỉnh.

Hình D : Mối quan hệ giữa vị trí kim phun và bougie trong buồng đốt động
cơ GDI
- Trên hình D cho ta thấy dòng khí xoáy lốc mạnh, bougie đặt thẳng đứng,
kim phun đặt nghiêng. Nhiên liệu cuộn mạnh trong đỉnh piston.
- Hình dạng tốt nhất của buồng đốt : 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 hổn hợp nhiên liệu
+ không khí. Hổn hợp nhiên liệu này được phun vào buồng đốt của động cơ ở cuối
kỳ nén, sau đó được di chuyển tới bougie. Với những kỹ thuật quan sát tiến bộ của
hãng ô tô Mitsubishi, các phương pháp dùng tia laser để quan sát buồng đốt đã

Trang19


Động cơ GDI

được ứng dụng để xác định hình dạng của piston cho phù hợp nhất. Với các dạng
buồng đốt như hình B-C-D, nhiên liệu phun ra nhờ sự cuộn xoáy, nhào trộn của
dòng không khí và hình dạng của buồng đốt sẽ bốc hơi và hoà trộn nhanh chóng.
Cách bố trí bougie được đặt ngay trung tâm kim phun được bố trí sao cho dòng
nhiên liệu khi phun vào giai đoạn đầu sẽ bốc hơi tạo hỗn hợp đồng nhất, giai đoạn
sau khi piston lên gần điểm chết trên sẽ cuộn xoáy theo biên dạng của buồng cháy
và tạo ra hỗn hợp đậm xung quanh đỉnh bougie.

Hình 1.23 Kết cấu dạng buồng cháy của một loại động cơ GDI.
Minh họa các kiểu buồng đốt của động cơ GDI & phương pháp hình
thành hỗn hợp
Về đặc trưng của nguyên lý cung cấp nhiên liệu cơ bản trong động cơ GDI,
động cơ GDI tạo hỗn hợp phân lớp nghèo khi hoạt động ở mức tải nhỏ. Còn ở chế
độ từ tải vừa trở lên thì hỗn hợp được tạo ra đồng nhất và có tỷ lệ tương tự như
động cơ MPI. Để tạo một hỗn hợp phân lớp nghèo nhưng khu vực xung quanh
bougie hỗn hợp đậm đặc có thành phần phù hợp để có thể cháy được trong thời
điểm đánh lửa, hệ thống buồng đốt động cơ GDI có thể thực thiện theo 3 phương
án sau:
- Bố trí kim phun để hướng dòng nhiên liệu vào đỉnh bougie (Spray –

Guided) (hình3.24_a).
- Hướng dòng nhiên liệu vào đỉnh bougie bằng hình dạng đỉnh piston
(Wall – Guided) (3.24_b).
- Hướng dòng nhiên liệu vào đỉnh bougie bằng chuyển động của dòng
không khí nạp vào (Air – Guided) (hình 3.24_c).

Trang20


Động cơ GDI

Hình 3.24– Các kiểu phun nhiên liệu trong động cơ buồng đốt GDI.
Hình E __Một số hình dạng đỉnh piston của buồng đốt trong động cơ GDI.

Hình 1.24 Sơ đồ kết cấu của một loại động cơ GDI.

Trang21


Động cơ GDI

Hệ thống buồng đốt kiểu Spray – Guide & phương pháp hình thành hỗn hợp:
Buồng đốt loại này được tìm ra sớm nhất ứng dụng nạp trực tiếp hỗn hợp
phân lớp (DISC) cho động cơ GDI.

Hình 1.25 Sơ đồ chuyển động dòng khí nạp vào
của buồng cháy Spray – Guide.
Với cách bố trí bougie và kim phun như trên gây khó khăn cho việc thiết kế
và chế tạo culasse. do vậy người ta đưa ra một số cách bố trí soupape, bougie, kim
phun như sau:


Hình 1.26 Sơ đồ bố trí buồng cháy động cơ GDI kim phun, bougie, 4
soupape.
- Xe đầu tiên sử dụng động cơ GDI kiểu hệ thống buồng đốt loại này được
Renault sản xuất. (hình 3.27).
- Tuy nhiên, với hệ thống buồng đốt này, Renault thiết kế chủ yếu để tạo ra hỗn
hợp đồng nhất với tỷ lệ hoà khí chính xác cho bộ xúc tác 3 chức năng hoạt động
tốt nhất.

Trang22


Động cơ GDI

Hình 1.27 Hệ thống buồng đốt kiểu Spray – Guide của Renault.
1.5.2 Hệ thống buồng đốt kiểu Wall – Guide:

Hình 1.28 Kết cấu buồng đốt Wall – Guide.
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
3.29a và 1 ống nạp cho 2 soupape nạp như hình 3.29b.

Hình 1.29 Sơ đồ bố trí kim phun và bougie của buồng đốt Wall – Guide.
1.5.3 Các kiểu buồng đốt đầu tiên của động cơ GDI:
- Hệ thống buồng đốt MAN – FM là mẫu đầu tiên được các nhà nghiên cứu
thiết kế đầu tiên.
Trang23


Động cơ GDI


- Hệ thống buồng đốt của Benz 300SL đầu tiên của Mercedes vào năm
1954 (hình 3.30).

Hình1.30 Kết cấu buồng đốt Benz 300SL.
- Honda với kiểu buồng cháy xoáy lốc CVCC (Honda compound vortex
combustion chamber) như hình 3.31.

Hình 1.31 Kết cấu buồng đốt của Honda CVCC.
- Vào những năm 1970 – 1979, PROCO và TCCS cũng có các buồng đốt
kiểu Spray – Guide như hình 3.32 a&b.

Trang24


Động cơ GDI

(a)
(b)
Hình 3.32 Kết cấu buồng đốt PROCO (a) & TCCS (b).
- Hệ thống buồng đốt MCP (Mitsubishi Combustion Process) và IH –
White (International Harvester and White Motors system) vào những năm 1970
(hình 3.33 a&b).
-

(a)

(b)

Hình 3.33 Kết cấu buồng đốt MCP (a) và IH – White (b).


Trang25