(News.oto-hui.com) – Ở động cơ GDI, việc lắp vòi phun nhiên liệu bên trong xi lanh có áp suất phun lớn sẽ đẩy tỉ số nén của động cơ lên cao, giúp hỗn hợp không khí-nhiên liệu “tơi” hơn. Điều đó nhờ một phần vào các chế độ nạp phân tầng và đồng nhất, giúp mang lại hiệu suất động cơ cao hơn, công suất lớn hơn, tiết kiệm nhiên liệu hơn. Vậy việc nạp đồng nhất và nạp phân tầng trên động cơ GDI diễn ra như thế nào?
Động cơ có hệ thống phun xăng trực tiếp GDI có 2 chế độ nạp cơ bản là nạp phân tầng (Stratified Charge) và nạp đồng nhất (Homogeneous Charge); bao gồm chế độ nạp đồng nhất loãng (Homogeneous Lean). Ngoài ra còn có một chế độ phụ khác là chế độ đồng nhất-phân tầng (chế độ trung gian). Chế độ này được dùng ở điều kiện tăng ga, chuyển từ chế độ phân tầng sang chế độ đồng nhất.
- Chế độ nạp phân tầng-phun trễ: được thực hiện ở chế độ tải nhỏ và vừa. Nhiên liệu được phun vào trong kì nén.
- Chế độ nạp đồng nhất-phun sớm: được sử dụng khi động cơ ở chế độ tải nặng tốc độ cao, độ mở bướm ga rộng. Tỷ lệ hòa khí có thể cân bằng hoặc giàu hơn một ít (λ xấp xỉ 1 hoặc λ < 1). Nhiên liệu được phun vào trong kì nạp để tạo thời gian giúp hòa khí có được đạt đồng nhất. Hầu hết ở chế độ này, động cơ hoạt động với tỷ lệ hòa khí cân bằng hoặc hơi giàu nếu ở tải nặng. Với tỷ lệ hòa khí như trên thì lượng NOx phát thải ra ít nên van EGR không hoạt động.
- Chế độ nạp đồng nhất-loãng: được dùng ở điều kiện tải và tốc độ trung bình, tỷ lệ hòa khí cân bằng hoặc hơi loãng (λ xấp xỉ 1 hoặc λ > 1). Van EGR được kích hoạt để giảm lượng NOx.
- Chế độ đồng nhất-phân tầng (chế độ trung gian): được dùng ở điều kiện tăng ga, khi chuyển từ chế độ phân tầng sang chế độ đồng nhất, gồm 2 đợt phun. Ở đợt phun thứ 2, nó được sử dụng để gia nhiệt nhanh chóng cho chất xúc tác ở chế độ phân tầng, ngoài ra còn giảm thời gian đốt cháy và ngăn chặn kích nổ, giảm muội than, giảm lượng tiêu hao nhiên liệu ở tốc độ thấp.
Chế độ nạp phân tầng trên động cơ GDI:
1. Thiết kế Piston buồng đốt:
Để đạt được quá trình cháy hiệu quả và sạch cũng như là cháy với hỗn hợp nghèo nhưng vẫn đáp ứng yêu cầu công suất đầu ra, việc thiết kế hình dạng piston cũng phải khác với loại thông thường để áp ứng được hiệu quả làm việc.
Ở GDI, sử dụng 3 loại buồng cháy để giúp nhiên liệu tập trung ngay trước bugi tại thời điểm đánh lửa ở chế độ nạp phân tầng. Sự khác biệt giữa 3 loại buồng cháy đó là phương pháp để đưa nhiên liệu đến ngay trước bugi.
Wall guided: nhiên liệu được đưa đến gần bugi bằng cách sử dụng piston có hình dạng đặc biệt. Nhưng ở loại buồng cháy này, nhiên liệu không thể bay hơi hoàn toàn, do đó làm tăng lượng HC và CO phát thải ra môi trường và tăng lượng tiêu hao nhiên liệu.
Air guided: nhiên liệu được phun vào xuôi theo dòng khí nạp và được đưa đến gần bugi nhờ sự chuyển động của dòng khí. Phương pháp này giúp cho bề mặt piston và vách xi lanh không bị ướt bởi nhiên liệu.
- Ở cả 2 loại buồng cháy trên, vòi phun được đặt xa bugi.
Spray guided: ở loại buồng cháy này, nhiên liệu được phun vào và bay hơi gần bugi. Loại buồng cháy này cho hiệu quả cao nhất đồng thời nó cũng đòi hòi hệ thống phun tiên tiến để đáp ứng quá trình làm việc.
Với thiết kế Piston đỉnh lõm, việc nạp và làm xoáy lốc không khí nạp với phần lõm nhỏ hơn cũng như nhiên liệu được phun vào bên lõm sâu hơn sẽ tạo ra một hỗn hợp cháy triệt để hơn do tốc độ do tốc độ chuyển động của dòng khí và xoáy lốc, hướng chuyển động của hòa khí sẽ tạo ra một hỗn hợp đậm đặc xung quanh bugi vì thế quá trình cháy bắt đầu nhanh chóng và cháy sạch nhiên liệu hơn.
2. Mô tả nguyên lý nạp phân tầng của động cơ GDI:
Trên động cơ GDI, ECU động cơ liên tục điều khiển cánh bướm ga để luôn đáp ứng phù hợp với nhu cầu làm việc với động cơ cho ra công suất khác nhau ứng với các quá trình cháy sinh công khác nhau.
Việc ECU điều khiển cánh bướm ga để tạo ra các trạng thái cháy khác nhau. Đó là cháy với hỗn hợp nghèo (ultra lean burn), cháy với hỗn hợp lí tưởng (stoichiometric) và cháy với hỗn hợp giàu (full power output) tương ứng với các chế độ hoạt động khác nhau của động cơ.
Ở nạp phân tầng trên động cơ GDI, cháy với hỗn hợp nghèo sẽ được áp dụng với mức tải nhỏ và vừa.
Cháy với hỗn hợp nghèo (ultra lean burn): Đây là một trạng thái cháy sinh công trong điều kiện tải nhẹ với tốc độ giữ đều hay giảm xuống. Khi bắt đầu hoạt động ở điều kiện cháy phân tầng, cánh bướm ga sẽ mở với góc độ nhỏ để tạo sự xoáy lốc không khí nạp khi vào trong lòng xylanh.
Đối với các hệ thống trên đường ống nạp có cửa nạp xoáy lốc thì bướm ga vẫn mở tối đa nhưng cửa nạp xoáy lốc sẽ đóng lại một phần trên đường nạp sau cánh bướm ga. Điều này giúp giảm đi sự cản trở dòng khí nạp của bướm ga nhưng vẫn tạo ra được sự xoáy lốc không khí khi vào trong lòng xylanh nhờ vào phần diện tích lõm trên bề mặt piston.
Trong trạng thái làm việc này, nhiên liệu không được phun trực tiếp vào ở kỳ nạp mà phun vào gần cuối kỳ nén khi lượng khí nạp đã xoáy lốc với tốc độ và áp suất cao trong buồng đốt.
Với thời điểm phun như vậy, lượng nhiên liệu được phun vào ít hơn so với quá trình cháy lí tưởng. Nhưng với sự xoáy lốc nhiên liệu được tạo ra nhờ vào bề mặt lõm của piston mà một hỗn hợp giàu hình thành quanh bugi giúp cho quá trình cháy nhanh hơn và cháy sạch hơn với phần lớn nhiệt năng được chuyển thành cơ năng do sự mất nhiệt ra hệ thống làm mát ngoài xylanh giảm xuống.
Điều đó xảy ra được là do hỗn hợp cháy với phần lớn nhiên liệu được phun vào theo hướng xoáy lốc tập trung tại trung tâm buồng đốt bao quanh bugi còn xung quanh trung tâm buồng đốt là không khí nạp do đó quá trình cháy nhiên liệu được cháy sạch hơn và cháy từ trong ra ngoài. Cũng chính lý do này làm cho sự mất nhiệt ra hệ thống làm mát giảm xuống.
Với sự cháy triệt để nhiên liệu nạp vào, tuy với khối lượng nhiên liệu ít nhưng động cơ vẫn đảm bảo công suất đầu ra khi ở điều kiện tải nhỏ. Khi hoạt động dưới điều kiện cháy phân tầng, giá trị tính được của chỉ số λ thường dao động từ 1.6 đến 4. Với chỉ số này việc thực hiện đánh lửa sẽ không diễn ra khi được đặt dưới điều kiện nạp đồng nhất.
Trong trường hợp động cơ chuyển sang hoạt động với điều kiện tải lớn hay đòi hỏi việc nạp phải đồng nhất thì lúc này cửa nạp xoáy lốc sẽ mở hoàn toàn giúp cho việc nạp không khí đầy hơn. Đồng thời lúc này nhiên liệu sẽ được phun vào kỳ nạp giúp cho hỗn hợp hòa trộn sớm hơn và phân bố đều khắp buồng đốt với một tỉ lệ khí giàu.
Nhiên liệu được phun vào trễ hơn ở gần cuối kỳ nén, do đó nhiên liệu được phun vào ít hơn do thời gian nạp bị rút ngắn. Nhưng với hình dạng của pistong giúp cho thành phần nhiên liệu tập trung nhiều (hỗn hợp hòa khí đậm đặt) ở trung tâm cháy nên dẫn đến quá trình cháy triệt để, sạch hơn với hiệu suất nhiệt cao hơn. Với việc nhiên liệu sử dụng ít nhưng vẫn đảm bảo công suất đầu ra ở chế độ tải nhỏ sẽ làm cho hiệu suất làm việc của động cơ tăng lên.
Bài viết liên quan:
- Sự khác biệt giữa hệ thống phun xăng GDI và EFI
- Những kiểu cung cấp nhiên liệu ở động cơ xăng
- Công nghệ SkyActiv – Giúp Mazda trở thành ông vua về tỷ số nén
