Phun nhiên liệu trong động cơ đốt trong. Các phương pháp phun nhiên liệu - XecoV

Phun nhiên liệu là việc đưa nhiên liệu vào buồng đốt động cơ đốt trong bằng kim phun.

Theo cách thức hoạt động thì động cơ Diesel (tự đánh lửa do nén) đều sử dụng cách thức phun nhiên liệu, động cơ Otto (đánh lửa bằng tia lửa cưỡng bức) sử dụng chế hòa khí hoặc phun nhiên liệu. Động cơ Diesel sản xuất hàng loạt cho xe du lịch (chẳng hạn như Mercedes-Benz OM 138) đã có mặt vào cuối những năm 1930 và đầu những năm 1940, là động cơ phun nhiên liệu đầu tiên được sử dụng cho xe du lịch. Trong động cơ xăng xe du lịch, phun nhiên liệu đã được giới thiệu vào đầu những năm 1950 (Năm 1954, Mercedes giới thiệu hệ thống phun xăng cơ khí của Bosch cho chiếc xe đường trường 300SL của mình, giúp động cơ 3 lít của hãng đạt công suất 215 mã lực), và dần dần trở nên phổ biến cho đến khi nó thay thế phần lớn bộ chế hòa khí vào đầu những năm 1990. Sự khác biệt cơ bản giữa chế hòa khí và phun nhiên liệu là phun nhiên liệu sẽ phun nhiên liệu thông qua một kim phun nhỏ dưới áp suất cao, trong khi bộ chế hòa khí dựa vào lực hút được tạo ra bởi khí nạp được tăng tốc thông qua một ống Venturi để hút nhiên liệu vào dòng khí.

Thuật ngữ “phun nhiên liệu” rất mơ hồ và bao gồm nhiều hệ thống khác nhau với các nguyên tắc chức năng cơ bản khác nhau. Thông thường, điểm chung duy nhất của tất cả các hệ thống phun xăng là không có bộ chế hòa khí. Có hai nguyên tắc chức năng chính của hệ thống tạo hỗn hợp hòa khí cho động cơ đốt trong: tạo hỗn hợp trong và tạo hỗn hợp ngoài. Hệ thống phun nhiên liệu sử dụng sự hình thành hỗn hợp bên ngoài được gọi là hệ thống phun ống góp; tồn tại hai loại hệ thống phun ống góp: phun đa điểm (phun cổng) và phun đơn điểm (phun vào thân họng bướm ga). Hệ thống hình thành hỗn hợp bên trong có thể được tách thành hệ thống phun trực tiếp và gián tiếp. Có một số loại khác nhau của cả hệ thống phun trực tiếp và gián tiếp, hệ thống phun nhiên liệu hình thành hỗn hợp bên trong phổ biến nhất là hệ thống phun Common-rail, đây là một hệ thống phun trực tiếp. Thuật ngữ phun nhiên điện tử dùng để chỉ bất kỳ hệ thống phun nhiên liệu nào có bộ phận điều khiển động cơ.

Nguyên lý cơ sở

Một hệ thống phun nhiên liệu lý tưởng có thể cung cấp chính xác lượng nhiên liệu phù hợp trong mọi điều kiện hoạt động của động cơ. Điều này thường có nghĩa là điều khiển tỷ lệ nhiên liệu-không khí (lambda) chính xác, cho phép vận hành động cơ dễ dàng ngay cả ở nhiệt độ động cơ thấp (khởi động lạnh), thích ứng tốt với nhiều độ cao và nhiệt độ môi trường, tốc độ động cơ được điều chỉnh chính xác (bao gồm cả tốc độ không tải và tối đa), tiết kiệm nhiên liệu tốt và phát thải ít khí thải độc hại (vì nó cho phép các thiết bị kiểm soát khí thải như chất xúc tác ba chiều hoạt động bình thường).

Trong thực tế không tồn tại một hệ thống phun nhiên liệu lý tưởng, nhưng có rất nhiều hệ thống phun nhiên liệu khác nhau với những ưu điểm và nhược điểm nhất định. Hệ thống phun trực tiếp common-rail ngày nay được sử dụng trên nhiều xe du lịch. Hệ thống phun Common-rail cho phép phun xăng trực tiếp và thậm chí còn phù hợp hơn với việc phun nhiên liệu trực tiếp cho động cơ diesel. Tuy nhiên, hệ thống phun common-rail là một hệ thống tương đối phức tạp, đó là lý do tại sao trong một số xe du lịch không sử dụng động cơ diesel, hệ thống phun đa điểm ống góp được sử dụng để thay thế.

Khi thiết kế một hệ thống phun nhiên liệu, phải xem xét nhiều yếu tố, bao gồm:

Chi phí hệ thống
Hiệu suất động cơ và khả năng truyền động của xe (dễ khởi động, chạy êm, v.v.)
Khí thải
Các điều khoản chẩn đoán và sự dễ dàng của dịch vụ
Tiết kiệm nhiên liệu
Độ tin cậy
Khả năng chạy bằng nhiều loại nhiên liệu khác nhau

Từ phun đơn điểm đến đa điểm đến Kim phun kép

Bộ phun nhiên liệu đời đầu chỉ có một kim phun, nằm trong ống góp nạp gần thân bướm ga. Rõ ràng, điều này không lý tưởng vì các xi lanh riêng lẻ cần nhiên liệu tại các thời điểm khác nhau. Do đó, nó sớm được thay thế bằng hệ thống phun đa điểm (MPI – Multi-Point Injection), cung cấp một kim phun cho mỗi xi lanh. MPI cũng cho phép đo lường độc lập của từng xi lanh, do đó kiểm soát chính xác hơn việc phun nhiên liệu. MPI còn được gọi là Phun nhiên liệu tuần tự (Sequential fuel injection) vì các lần phun được sắp xếp đồng bộ với thứ tự đánh lửa của xi lanh.

Gần đây, một số động cơ phun đa điểm MPI đã sử dụng 2 kim phun mỗi xi-lanh, chẳng hạn như Suzuki Dualjet. Điều này cho phép các kim phun được đặt gần van nạp hơn, do đó nhiên liệu phun ra hóa hơi và làm đầy xi lanh tốt hơn. Do đó, buồng đốt trở nên mát hơn, cho phép áp dụng tỷ số nén cao hơn để nâng cao công suất và giảm mức tiêu thụ nhiên liệu.

Động cơ đốt nghèo (Lean Burn) – tiền thân của phun xăng trực tiếp

Vào cuối những năm 1980, các nhà sản xuất Nhật Bản đứng đầu là Toyota, Nissan và Honda đã làm việc chăm chỉ trên công nghệ Lean Burn để cải thiện hiệu quả sử dụng nhiên liệu. Thông thường, tỷ lệ hỗn hợp không khí trên nhiên liệu lý tưởng cho xăng là 14,6: 1 theo khối lượng. Tỷ lệ này được gọi là tỷ lệ Stoichiometric. Nó có thể được tính toán từ công thức phản ứng hóa học và khối lượng phân tử. Nói cách khác, nếu mọi thứ chạy lý tưởng, một phần nhiên liệu và 14,6 phần không khí sẽ cháy hoàn toàn. Nếu sử dụng thêm nhiên liệu, nó sẽ chỉ bị lãng phí và thải ra dưới dạng chất ô nhiễm. Nếu lượng nhiên liệu được phun vào ít hơn, nó sẽ tạo ra ít công suất hơn so với khả năng của động cơ. Tuy nhiên, khi động cơ chạy ở mức tải nhẹ hơn, chúng ta thực sự không cần nhiều sức mạnh như vậy. Chúng ta có thể dễ dàng giảm ga để làm chậm động cơ, nhưng bướm ga đóng một phần có thể chặn dòng khí nạp và gây ra hiện tượng “tổn thất bơm”. Kết quả là, động cơ chạy càng chậm thì nó càng trở nên kém hiệu quả hơn. Nếu chúng ta có thể tăng tỷ lệ nhiên liệu không khí vượt quá 14,6: 1, chúng ta có thể sử dụng ít nhiên liệu hơn nhưng vẫn giữ bướm ga mở rộng. Vấn đề là, động cơ có thể không cháy được ở hỗn hợp nhiên liệu không khí rất loãng.

Động cơ đốt nghèo tránh được vấn đề này bằng cách đưa vào “sự nạp phân tầng”. Trong khi các động cơ thông thường phun nhiên liệu đồng đều khắp các buồng đốt (tức là “sự nạp đồng nhất”), thì động cơ đốt nghèo có hình dạng các piston và các cổng nạp được bố trí sao cho hỗn hợp đậm đặc hơn tập trung gần bugi trong khi hỗn hợp longax hơn lấp đầy ở những nơi khác. Bằng cách này, quá trình đánh lửa thành công được đảm bảo ngay cả ở tỷ lệ nhiên liệu không khí lên đến 25:1. Mặt khác, hỗn hợp này quá loãng nên một số phân tử oxy không có nhiên liệu để phản ứng, do đó chúng phản ứng với nitơ thay thế và tạo thành chất ô nhiễm NOx. Để đối phó với điều này, các động cơ đốt nghèo cần các bộ chuyển đổi xúc tác đặc biệt giữ lại và xử lý NOx.

Ngày nay, công nghệ đốt nghèo đã phát triển thành công nghệ phun xăng trực tiếp nên chúng ta không còn nghe đến thuật ngữ này sử dụng trong thực tế nữa.

Phun xăng trực tiếp – GDI

Phun trực tiếp đã được sử dụng trên động cơ diesel từ lâu, nhưng để nó hoạt động trên động cơ đánh lửa cưỡng bức bằng tia lửa điện được chứng minh là khó hơn rất nhiều. Đã có nhiều nỗ lực trong vài thập kỷ qua, nhưng việc thiếu kiểm soát điện tử phức tạp và phân tích vi mô quá trình đốt cháy đã ngăn cản công nghệ GDI phát triển. Nó chỉ trở thành hiện thực sản xuất hàng loạt từ cuối những năm 1990.

1. Phun xăng trực tiếp nạp phân tầng – Mitsubishi GDI

Mitsubishi là nhà tiên phong của công nghệ GDI hiện đại. Họ đã giới thiệu động cơ GDI đầu tiên vào năm 1996, sau đó nhanh chóng mở rộng việc sử dụng cho hầu hết các động cơ của họ, từ 1.5 lít 4 xilanh đến 4.5 lít V8. Theo công ty, công nghệ GDI của họ tiết kiệm 20-35% nhiên liệu, tạo ra năng lượng nhiều hơn 10% nhưng thải ra CO2 ít hơn 20%.

Được phát triển từ công nghệ Lean Burn, Mitsubishi GDI cho phép tỷ lệ hỗn hợp nhiên liệu không khí siêu nghèo lên đến 40:1. Điều này được thực hiện nhờ nạp phân tầng cũng như các kim phun áp suất cao.

Trong động cơ phun cổng thông thường, nhiên liệu được phun vào cổng nạp trước khi đi vào buồng đốt. Vậy tại sao không phun trực tiếp vào xi lanh? Vì với kim phun thông thường không thể phân tán nhiên liệu đồng đều khắp mọi nơi. Thay vào đó, việc phun vào tại cửa nạp đảm bảo nhiên liệu có đủ thời gian để nghiền phân tán thành bột (phun sương) và hòa trộn với dòng khí. Trong GDI, nhiên liệu được phun vào buồng đốt ở áp suất cao hơn nhiều, cho phép nó phân tán tốt hơn.

Một lợi ích khác do kim phun trực tiếp áp suất cao mang lại là quá trình phun được thực hiện nhanh hơn và chính xác hơn nhiều so với trường hợp phun qua cổng. Điều này cho phép không chỉ một mà là hai lần phun cho mỗi chu kỳ đốt. “Phun trước” diễn ra trước khi phun chính sử dụng một lượng nhỏ phun nhiên liệu để làm mát không khí và buồng đốt (có thể rất nóng trong quá trình nén), dẫn đến không khí dày đặc hơn, do đó hiệu suất thể tích cao hơn. Nhiệt độ giảm cũng tăng cường khả năng chống kích nổ, do đó cho phép áp dụng tỷ lệ nén 12,5:1 cao hơn. Do đó, động cơ GDI có thể tạo ra nhiều năng lượng hơn.

Để tạo ra hỗn hợp nhiên liệu không khí rất nghèo mà không gây ra bỏ máy, GDI đã sử dụng các piston tiết diện lõm và các cổng nạp rất thẳng đứng, tạo ra sự xáo trộn. Phối hợp cùng nhau, chúng tập trung một hỗn hợp nhiên liệu đậm hơn tại khu vực của bugi, do đó đánh lửa thành công đạt được ngay cả khi hỗn hợp rất loãng.

Tất nhiên, hỗn hợp càng loãng thì năng lượng tạo ra càng ít. Vậy GDI tiết kiệm nhiên liệu như thế nào? Câu trả lời cũng giống như động cơ Lean Burn. GDI hoạt động ở chế độ nạp phân tầng chỉ ở tải một phần, lúc cần ít năng lượng hơn. Vì công suất động cơ hiện phụ thuộc vào tỷ lệ nhiên liệu không khí, bướm ga có thể mở rộng do đó giảm tổn thất bơm. Đây chủ yếu là cách nó tiết kiệm nhiên liệu. Ở mức cao hơn hoặc đầy tải, GDI chuyển thành hỗn hợp giàu hơn để tạo ra nhiều năng lượng hơn.

Nhược điểm của động cơ GDI đời đầu

Như đã giải thích trong phần của động cơ Lean Burn, hỗn hợp siêu nghèo có nghĩa là một số phân tử oxy không có nhiên liệu để phản ứng, do đó chúng sẽ phản ứng với nitơ để tạo thành chất ô nhiễm NOx. Để tuân thủ các quy định về khí thải, động cơ GDI cần chất xúc tác đặc biệt để xử lý NOx. Thật không may, những chất xúc tác này có thể bị hỏng do hàm lượng lưu huỳnh trong xăng. Trong khi Nhật Bản đã sử dụng nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh thấp trong một thời gian dài, thì châu Âu và Bắc Mỹ lần lượt phải đến đầu và giữa những năm 2000. Do đó, Mitsubishi đã phải điều chỉnh động cơ GDI phiên bản châu Âu của mình để chạy hỗn hợp nhiên liệu không khí đậm hơn, tức là 20:1 thay vì 40:1, để tạo ra ít NOx hơn. Điều này dẫn đến hiệu suất nhiên liệu thấp hơn. Vấn đề cuối cùng đã được giải quyết khi nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh thấp được phổ biến rộng rãi.

Các động cơ GDI đời đầu cũng bị chỉ trích vì tiết kiệm nhiên liệu quá mức. Tại Nhật Bản, chu kỳ kiểm tra do chính phủ quy định chủ yếu bao gồm hoạt động ở tốc độ thấp, do đó động cơ có thể chạy ở chế độ phân tầng trong thời gian dài hơn. Điều này giải thích tại sao Mitsubishi có thể tuyên bố cải thiện 20-35% hiệu suất nhiên liệu. Ở châu Âu, chu kỳ thử nghiệm bao gồm chạy tốc độ cao hơn nhiều khi người lái xe châu Âu lái xe nhiều hơn trên đường cao tốc. Điều này có nghĩa là động cơ hoạt động ở chế độ phân tầng ít hơn nhiều, do đó tiết kiệm nhiên liệu bị ảnh hưởng.

2. Phun trực tiếp bằng EGR – Renault IDE

Lưu ý: Công nghệ Renault IDE không còn được sử dụng, nhưng cần biết rằng Renault đã cố gắng sử dụng hệ thống phun trực tiếp như thế nào trước khi nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh thấp có mặt ở châu Âu.

Renault là nhà sản xuất châu Âu đầu tiên đưa động cơ xăng phun trực tiếp vào sản xuất. Nó ra mắt động cơ F5R IDE (Injection Direct Essence) 2.0 lít vào năm 1999. Để tránh những rắc rối mà Mitsubishi gặp phải, nó đã thực hiện phun xăng trực tiếp theo một cách rất khác.

Thay vì theo đuổi hỗn hợp nhiên liệu không khí siêu nghèo, IDE đã áp dụng Hệ thống tuần hoàn khí thải siêu cao ultra-high Exhaust Gas Recirculation (EGR). Bằng cách hướng một số khí thải có áp suất cao, tốc độ cao trở lại đường ống nạp, nó có thể tăng tốc lưu lượng khí nạp để giảm tổn thất bơm. Hơn nữa, do khí thải phần lớn không thể bắt lửa và không tham gia vào quá trình đốt cháy, nên công suất hiệu quả của động cơ thực sự bị giảm, đòi hỏi lượng nhiên liệu phun vào ít hơn. Ở mức tải nhẹ, động cơ IDE cho phép tới 25% EGR so với 10-15% trên xe có EGR thông thường.

Làm thế nào để động cơ IDE có thể chạy ở 25% EGR mà không thất bại trong việc đốt cháy? Kim phun nhiên liệu trực tiếp nằm ở đầu trung tâm của mỗi buồng đốt thay cho bugi. Bugi được chuyển sang một bên gần đó, rất gần với vòi phun của kim phun. Kim phun Siemens phun nhiên liệu áp suất cao (ở 100 bar hoặc 1450 psi) trực tiếp vào buồng đốt. Vì bugi nghiêng nằm ngay đường dẫn của tia phun nhiên liệu, do đó quá trình đốt cháy thành công được đảm bảo ngay cả khi có 25% khí thải trong buồng đốt.

Tùy thuộc vào tải động cơ, IDE chạy ở một trong 3 tỷ lệ EGR có sẵn, trong số đó, chế độ đầy tải không sử dụng tuần hoàn khí xả để có công suất cực đại. Vì vậy, giống như Mitsubishi GDI, chạy ở chế độ đầy tải không hề tiết kiệm nhiên liệu. Tuy nhiên, Renault tuyên bố giảm 16% mức tiêu thụ nhiên liệu theo chu kỳ thử nghiệm của châu Âu.

3. Phun trực tiếp Stoichiometric – Alfa Romeo JTS

Năm 2002, Alfa Romeo giới thiệu một hệ thống phun xăng trực tiếp mới trên động cơ 16V 2.0 lít của mình. Được gọi là JTS (Jet Thrust Stoichiometric), nó thiên về sức mạnh thay vì tiết kiệm nhiên liệu, không giống như Mitsubishi GDI đương thời. So với động cơ 2.0 Twin-spark mà nó dựa trên, động cơ JTS tạo ra nhiều công suất hơn đáng kể (165 mã lực so với 150 mã lực) và mô-men xoắn (152 lbft so với 133 lbft). Trong thập kỷ tiếp theo, JTS được sử dụng trong động cơ 4 xi-lanh 1.9 và 2.2 lít cũng như V6 3.2 lít của công ty.

Như tên gọi của nó, JTS thường hoạt động với hỗn hợp nhiên liệu không khí gần với tỷ lệ Stoichiometric (14,6: 1), giống như các động cơ thông thường. Nó đã có một chế độ đốt cháy nghèo, nhưng nó chỉ được sử dụng tối đa 1500 vòng/phút, do đó, việc đạt được hiệu quả nhiên liệu là rất khiêm tốn. Do đó, thiết kế buồng đốt của nó không cần phải được tối ưu hóa cho nạp phân tầng, do đó nó có thể sử dụng đầu xi lanh dòng chảy chéo và các piston phẳng thường thấy trên động cơ hiệu suất cao.

Điều giúp động cơ JTS tạo ra nhiều công suất hơn động cơ Twin-spark là tỷ số nén cao hơn (11,3: 1 so với 10,0: 1). Điều này được thực hiện nhờ tác dụng làm mát của việc phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng đốt. Hiệu ứng làm mát cũng làm cho không khí dày đặc hơn, do đó giải thích mô-men xoắn tăng lên.

4. Phun trực tiếp có hướng dẫn phun – Mercedes CGI

Vào năm 2006, Mercedes đã giới thiệu một loại công nghệ phun xăng trực tiếp mới trên CLS350 CGI của mình, trong đó CGI là viết tắt của Stratified-Charged Gasoline Injection (Phun xăng nạp phân tầng). Để phân biệt với công nghệ GDI hiện có, nó nên được gọi là “phun trực tiếp hướng dẫn phun”. Điều đó có nghĩa là gì? Hãy xem lại cách Mitsubishi GDI hoạt động – phun nhiên liệu của nó được dẫn hướng bởi dòng khí nạp và piston tập trung tại khu vực lân cận của bugi, vì vậy các kỹ sư gọi nó là GDI dẫn hướng bằng không khí và tường (air-and-wall-guided). FSI của Volkswagen và hầu hết các hệ thống GDI của nhà sản xuất ô tô khác đều hoạt động theo cùng một cách. Ngược lại, Mercedes CGI không cần dòng khí hoặc piston để dẫn hướng phun nhiên liệu. Việc phun thực sự được định hình bởi kim phun áp lực piezo. Như trong hình bên dưới, một kim phun áp lực piezo được gắn ở trung tâm có khả năng tạo ra hình nón rỗng phun nhiên liệu. Đám mây nhiên liệu này vẫn ổn định cho đến thời điểm bắt lửa. Nó chính xác đến mức tia phun chỉ cách bugi vài milimét, do đó dễ dàng đánh lửa thành công.

Như vậy, kim phun piezo là một phần quan trọng của công nghệ. Tuy nhiên, nó không hẳn là mới, vì nó đã được sử dụng rộng rãi trên các động cơ diesel cao cấp. Nó sử dụng các tinh thể áp điện, giãn nở ngay lập tức dưới điện áp, để di chuyển van vòi phun ra ngoài, do đó nhiên liệu áp suất cao (200 bar) được cung cấp bởi rail thép được giải phóng từ lỗ hình vành khuyên để tạo thành hình nón rỗng phun nhiên liệu. So với các kim phun van điện từ thông thường, kim phun piezo phản ứng nhanh hơn nhiều, chỉ mất 0,08 mili giây để hoàn thành một lần phun. Nó cũng có khả năng kiểm soát tốt lượng nhiên liệu, dao động từ 1 đến 150 mg mỗi lần phun. Do đó, nó cho phép phun nhiều hơn trong mỗi chu kỳ đốt cháy (hiện tại lên đến 8 lần) và kiểm soát nhiên liệu phun chính xác hơn.

Vậy lợi ích là gì? Thứ nhất, sự kết hợp của nhiều lần phun hơn và ít nhiên liệu hơn cho mỗi lần phun giúp cải thiện quá trình xé nhỏ nhiên liệu và hình thành hỗn hợp. Thứ hai, vì nhiên liệu không còn bắn lên thành pít-tông và xi-lanh, nên sẽ có ít dư lượng còn lại ở bề mặt pít-tông và thành xi lanh. Nói cách khác, đốt cháy hoàn toàn hơn. Thứ ba, vì lý do tương tự, các chất ô nhiễm ít hơn, đặc biệt là các hạt, được hình thành ở piston và thành xi lanh. Điều này làm cho việc phun trực tiếp có hướng dẫn phun dễ dàng hơn để tuân thủ quy định của EU6 mà không cần dùng đến bộ lọc hạt hoặc các xử lý sau khác.

So với các hệ thống GDI khác, CGI có khả năng sử dụng nạp phân tầng trên phạm vi vòng quay rộng hơn, do đó tiết kiệm nhiên liệu hơn. Ví dụ, động cơ CGI V6 3.5 lít hoạt động ở chế độ phân tầng lên đến 3800 vòng/phút, trong khi động cơ tăng áp M274 2.0 lít mới hơn hoạt động cho đến 4000 vòng/phút, bao gồm 80% chu kỳ thử nghiệm ở châu Âu. Để kéo dài hiệu quả hơn nữa, trong 200 vòng/phút tiếp theo, nó chuyển sang chế độ phân tầng đồng nhất, áp dụng một lần phun chính trong hành trình nạp (nạp đồng nhất) và nhiều lần phun nhỏ (nạp phân tầng) trong hành trình nén. Ở vòng tua máy cao hơn, chế độ nạp đồng nhất sẽ hoàn toàn thực hiện.

Phun trực tiếp có dẫn hướng bằng tia phun vẫn còn hiếm trên thị trường vì kim phun piezo đắt, gấp 3 lần giá của kim phun điện từ thông thường. BMW đã sử dụng nó trên N54 3 lít tăng áp kép 6 xilanh thẳng hàng từ năm 2007 đến năm 2011, nhưng cuối cùng đã chuyển sang sử dụng kim phun điện từ trong thế hệ N55 tiếp theo để tiết kiệm chi phí. Ngày nay, Mercedes vẫn là người ủng hộ tích cực nhất cho công nghệ này.

5. Phun chế độ kép (Trực tiếp + Cổng) – Toyota D-4S

Phương pháp phun trực tiếp vượt trội hơn phương pháp phun cổng ở nhiều khía cạnh, nhưng trong một số điều kiện, phun cổng có thể hoạt động tốt hơn. Do đó một số nhà sản xuất lựa chọn trang bị cả hai trên động cơ của họ. D-4S của Toyota (Direct injection, 4-stroke, Superior) là là động cơ đầu tiên được trang bị. Nó được giới thiệu vào năm 2005 trên động cơ 3.5 lít V6 (2GR-FSE) cho Crown, IS350 và GS350. Trong ảnh là phiên bản động cơ FA20 của GT86.

Một trường hợp DI không hoạt động tốt là sự kết hợp của vòng quay thấp và tải cao, ví dụ, tăng tốc từ tốc độ thấp. Để tạo ra nhiều năng lượng hơn, động cơ phải chuyển sang chế độ nạp đồng nhất, tức là với hỗn hợp nhiên liệu không khí đồng nhất và đẩm đặc. Vì nhiên liệu được phun trực tiếp vào xi lanh, nên nó có rất ít thời gian để hóa hơi. Ở vòng tua máy thấp, dòng khí nạp vào chậm, khiến cho vấn đề trở nên tồi tệ hơn, do đó thực hiện nạp một phần đồng nhất và một phần phân tầng. Điều này dẫn đến quá trình đốt cháy không ổn định và dao động mô-men xoắn. Theo truyền thống, vấn đề có thể được xử lý bằng cách tạo ra sự lắc mạnh hoặc xoáy trong luồng không khí bằng cách sử dụng cổng nạp hoặc van điều khiển xoáy. Tuy nhiên, điều này làm hạn chế sự nạp và xả, làm ảnh hưởng đến công suất cuối.

Do đó, Toyota đã quyết định bổ sung phun cổng. Biểu đồ này cho thấy mức độ phun cổng được sử dụng trên 2GR-FSE V6. Trục Y là Áp suất hiệu dụng trung bình của phanh, tỷ lệ với công suất mô-men xoắn, do đó bạn có thể hiểu nó là tải động cơ. Ở tốc độ động cơ thấp và tải cao, 70% nhiên liệu được phun vào bằng cách phun cổng, trong khi 30% đến từ phun trực tiếp. Khi vòng quay tăng hoặc tải giảm, phun trực tiếp sẽ tiếp tục. Ngoài 2600 vòng/phút, động cơ chỉ được cung cấp bằng cách phun trực tiếp.

Nhờ hệ thống phun cổng, động cơ V6 3.5 lít có thể sử dụng cổng nạp lưu lượng cao để tăng sức mạnh. Điều này giải thích tại sao nó có thể tạo ra tới 315 mã lực.

Gần đây, tập đoàn Volkswagen cũng đã bổ sung hệ thống phun cổng cho động cơ EA888 cao cấp của mình. Tuy nhiên, mục đích ở đây là cắt giảm lượng khí thải. Hỗn hợp không đồng nhất của GDI ở tốc độ thấp và sự thấm ướt của piston và thành xi lanh bằng cách phun nhiên liệu trực tiếp có xu hướng tạo thành nhiều hạt hơn. Volkswagen tránh điều này bằng cách sử dụng phun cổng ở hoạt động bán tải trọng. Tất nhiên, nó làm tăng thêm chi phí, nhưng các phiên bản cao cấp của động cơ EA888 cần nó để tránh ảnh hưởng đến việc điều chỉnh công suất.

6. Diesel: Phun trực tiếp Common-rail – CDI

Dầu diesel từ lâu đã trở thành nhiên liệu ưa thích cho các loại xe thương mại nhờ giá cả thấp hơn (đặc biệt là ở châu Âu) và hiệu suất năng lượng cao hơn so với xăng, cũng do động cơ diesel có độ tin cậy cao hơn vì không có hệ thống đánh lửa. Mặc dù vậy, nó không phổ biến trong xe du lịch, vì động cơ diesel có công suất thấp hơn, ồn hơn và gây ô nhiễm nhiều hơn. Tuy nhiên, khi công nghệ được cải thiện, xe ô tô chạy bằng động cơ diesel ngày càng trở nên phổ biến hơn kể từ cuối những năm 1980. Việc thiếu công suất được giải quyết bằng cách tăng áp, hoạt động đặc biệt tốt trên động cơ diesel.

Về tiếng ồn và khí thải, hệ thống phun nhiên liệu hiện đại đã giúp ích giải quyết rất nhiều. Fiat Croma giới thiệu loại phun trực tiếp đầu tiên vào năm 1987. Công ty Ý tiếp tục dẫn đầu công nghệ diesel bằng cách phát triển loại phun trực tiếp Common-Rail đầu tiên, Unijet. Mặc dù dự án đã được bán cho Bosch sau đó, nhưng Alfa Romeo 156 là ứng dụng đầu tiên của hệ thống phun trực tiếp Common-Rail vào năm 1997.

Tại sao động cơ diesel có cả công nghệ phun trực tiếp và công nghệ common-rail sớm hơn nhiều so với động cơ xăng? So với xăng, dầu diesel là thành phần có chất lượng thấp hơn trong họ xăng dầu. Các phân tử diesel lớn hơn và nặng hơn xăng, do đó khó hóa thành sương mù hơn. Phun sương không hoàn hảo có thể dẫn đến nhiều hạt không cháy hơn, do đó gây ra ô nhiễm nhiều hơn, hiệu suất nhiên liệu thấp hơn và công suất ít hơn. Công nghệ Common-rail được thiết kế để giải quyết những vấn đề này. Để cải thiện quá trình phun sương, nhiên liệu phải được phun ở áp suất rất cao, cao đến mức các kim phun nhiên liệu thông thường không thể đạt được. Trong hệ thống Common-rail, áp suất nhiên liệu được thực hiện bởi một máy bơm mạnh thay vì kim phun nhiên liệu. Nhiên liệu áp suất cao được cung cấp cho các kim phun nhiên liệu riêng lẻ thông qua một đường ống cứng chung (do đó có tên là “Common-rail”). Trong hệ thống Bosch thế hệ đầu tiên, đường ống chịu được áp suất cao tới 1350 bar. Điều này đã được nâng lên hơn nữa lên 1600 bar ở thế hệ thứ 2, 1800 bar ở thế hệ thứ 3 và lên đến 2500 bar hiện tại. Nhiên liệu luôn duy trì dưới áp suất như vậy ngay cả khi ở trạng thái chờ. Do đó, ngay khi vòi phun mở, nhiên liệu được phun vào buồng đốt ngay lập tức. Do đó, không chỉ quá trình phun sương được cải thiện nhờ áp suất nhiên liệu cao hơn, mà thời gian phun nhiên liệu có thể được rút ngắn và thời gian có thể được kiểm soát chính xác. Để cải thiện khả năng đáp ứng hơn nữa, kim phun piezo đã được giới thiệu từ năm 2005 như một sự thay thế cho kim phun điện từ.

Do có thời gian ngắn và thời điểm phun chính xác, hệ thống phun Common-rail có thể thực hiện nhiều lần “phun thí điểm” trước khi phun chính trong giai đoạn nén để triệt tiêu tiếng ồn, cải thiện đáng kể sự tinh chỉnh. Nó cũng có thể đưa vào thực hiện “đốt sau”, phun một lượng nhỏ nhiên liệu trong giai đoạn giãn nở để tạo ra quá trình đốt cháy quy mô nhỏ. Điều này giúp loại bỏ hơn nữa các hạt không cháy hết, cũng làm tăng nhiệt độ khí thải do đó rút ngắn thời gian đưa bộ chuyển đổi xúc tác vào nhiệt độ hoạt động (khoảng hơn 400 độ C). Tóm lại, “đốt sau” cắt giảm các chất ô nhiễm, đặc biệt là trong quá trình khởi động lạnh.

Cạnh tranh với hệ thống phun xăng trực tiếp Common-rail vào những năm 2000 là hệ thống bơm phun của Volkswagen (“Pumpe Duse”). Nó sử dụng một kim phun kết hợp bơm được dẫn động bằng trục cam ở mỗi xi lanh để tạo ra áp suất tương đương với các hệ thống Common-rail. Tuy nhiên, vì nó không thể ngăn tiếng ồn tốt như Common-rail, Volkswagen cuối cùng đã từ bỏ nó và chuyển sang Common-rail. Ngày nay, CDI trở thành tiêu chuẩn trên hầu như tất cả các xe động cơ diesel.

7. Phun nước

Phun nước là công nghệ tăng công suất của động cơ tăng áp. Vì động cơ tăng áp đang nóng, bằng cách phun một tia nước nhỏ vào ống nạp có thể làm giảm nhiệt độ của buồng đốt, cải thiện khả năng chống kích nổ. Điều này có nghĩa là động cơ có thể sử dụng áp suất tăng cao hơn mà không lo bị kích nổ. Hơn nữa, vòi phun nước cũng làm mát không khí nạp, làm cho khí nạp sau dày đặc hơn, cải thiện hiệu suất thể tích, do đó tạo ra nhiều năng lượng hơn. Bên cạnh đó, nhiệt độ đốt cháy thấp hơn làm giảm sự hình thành NOx và CO.

Phun nước ban đầu được phát triển cho động cơ máy bay, Saab là nhà sản xuất đầu tiên áp dụng nó cho ô tô đường bộ. Nhà sản xuất xe hơi Thụy Điển đã cung cấp nó trên 99 Turbo từ năm 1978, cho phép chiếc xe nâng áp suất tăng áp từ 0,7 lên 1,2 bar và cải thiện công suất từ 145 lên 160 mã lực. Nó cũng được cung cấp như bộ nâng cấp trên 900 Turbo kế tiếp cho đến cuối những năm 1980. Thật kỳ lạ, không có nhà sản xuất ô tô nào khác làm theo, có lẽ bởi vì các bộ làm mát hiện đại đã thực hiện công việc làm mát quá tốt.

Tuy nhiên, vào năm 2016, BMW đã hồi sinh ý tưởng trên M4 GTS. Một két nước 5 lít ở cốp xe cung cấp nước cho 3 kim phun nằm trong ống nạp. Chúng phun tia nước ở áp suát 10 bar. Nước bay hơi, làm mát khí nạp từ 70 xuống 45 °C. Điều này cho phép nâng áp suất tăng áp turbo từ 1,3 bar trên M4 thông thường lên 1,5 bar. Đối với những chiếc xe hiệu suất cực cao như M4 GTS, hệ thống phun nước sẽ rất hữu ích.

Create 2018, Update 2023