Hiểu về hệ thống phun xăng trực tiếp GDI trên ô tô

TRỞ THÀNH THÀNH VIÊN GREEN AUTO

Cùng nhau nâng tầm kỹ thuật - Kết nối công đồng - Sẻ chia tri thức - Bước đến thành công

Hiểu về hệ thống phun xăng trực tiếp GDI trên ô tô

Admin in category Động cơ xăng | Ngày đăng: 20-07-2018 07:06 | Bình luận: 17 | Lượt xem: 12728

1. Lịch sử hình thành

Động cơ phun xăng trực tiếp GDI (Gasoline Direct Injection - có nghĩa là phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng đốt động cơ) chắc chắn không còn là một công nghệ mới mẻ trên các động cơ ô tô ngày nay. Công nghệ này thực chất đã được giới thiệu vào năm 1925 trên động cơ Hesselman giành cho máy bay. Tiếp sau đó, trong những năm 50, Mercedes cũng đã ứng dụng công nghệ này trên chiếc xe Mercedes Benz Gullwing (1953), những động cơ phun xăng trực tiếp khi đó chắc chắn sẽ không giống với GDI hiện tại nhưng có thể nói tất cả đã tạo nên nền tảng cho công nghệ phun xăng trực tiếp GDI sau này.

Vậy công nghệ này có cấu tạo và hoạt động như thế nào? Có những ưu điểm hay nhược điểm gì? Các bạn sẽ hiểu rõ hơn qua bài viết sau

2. Nguyên lý hoạt động của GDI

Như các bạn đã biết khác với động cơ xăng thông thường, đối với động cơ dầu Diesel, nhiên liệu được phun thẳng trực tiếp vào buồng đốt động cơ dưới áp lực rất cao trong kỳ nén, do nhiên liệu phun dưới áp suất cao như vậy hòa trộn với không khí được nén tới nhiệt độ cao =>  hòa khí tự động bốc cháy và sinh công mà không cần tia lửa điện đốt cháy như trên động cơ xăng

Sự khác biệt giữa động cơ GDI và MPI

Cũng lấy từ ý tưởng đó, thay vì phun nhiên liệu trước xupap nạp như những động cơ phun xăng đa điểm MPI (Multi - Port Injection) thông thường, động cơ GDI phun nhiên liệu trực tiếp vào trong buồng đốt của động cơ hoàn toàn giống như động cơ dầu, chỉ có một yếu tố khác biệt là có thêm tia lửa điện để đốt cháy hòa khí. Lý do là vì xăng có hệ số tự cháy rất thấp không thể nào tự cháy giống như dầu được mà phải cần sự trợ giúp của tia lửa điện

3. Tổng quan về hệ thống GDI

Phần này chúng ta sẽ đề cập đến các bộ phận chính của hệ thống phun xăng trực tiếp

Các bộ phận chính của hệ thống phun xăng trực tiếp GDI

Hình ảnh trên minh họa những chi tiết chính tạo nên sự khác biệt so với hệ thống phun xăng đa điểm MPI thông thường đó là trục cam, bơm cao áp, kim phun, cảm biến áp suất ống rail và piston

  • Trục cam xả sẽ có thêm vấu cam để dẫn động bơm cao áp và cả hai trục cam xả và nạp đều được xẻ rãnh để làm giảm khối lượng
  • Piston được thiết kế dạng lõm theo vị trí đặt bugi, kết hợp với nắp máy tạo nên buồng đốt có hình dạng đặc biệt để tập trung nhiên liệu vị trí gần bugi, cộng thêm việc tạo xoáy giúp quá trình đốt cháy tốt hơn

Các chi tiết như bơm cao áp, kim phun cao áp, cảm biến áp suất ống rail sẽ nói kỹ hơn ở các mục sau

4. Cấu tạo hệ thống phun xăng trực tiếp

Hệ thống phun xăng trực tiếp GDI bao gồm 2 phần chính

  1. Phần thấp áp
  2. Phần cao áp

4.1. Phần thấp áp

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

Áp suất nhiên liệu thấp áp: từ 4.5 – 6 kg/cm2 tùy theo xe, nhìn chung áp suất này cao hơn áp suất của hệ thống phun xăng đa điểm MPI thông thường nhằm duy trì sự mạnh và ổn định lên bơm cao áp

4.2.Phần cao áp

Nếu như phần áp suất thấp áp gần giống với hệ thống MPI thì sự khác biệt ở đây chủ yếu là bên phần áp suất cao áp gồm có bơm cao áp, ống rail, cảm biến áp suất ống rail và kim phun

4.2.1. Bơm cao áp

Có thể nói là bộ phận quan trọng đầu tiên của hệ thống này là bơm cao áp,  bơm cao áp có nhiệm vụ nén nhiên liệu áp suất thấp từ bơm xăng lên thành nhiên liệu có áp suất cao để tích trữ trong ống rail. Nhờ có cảm biến áp suất ống rail mà ECU nhận biết được áp suất thực tế trong ống rail là bao nhiêu để điều chỉnh van FPRV (Fuel Pressure Regular Valve: van điều áp) trên bơm cao áp. Sau đó ECM sẽ điều khiển kim phun nhiên liệu phun dưới áp suất cao vào buồng đốt động cơ.

Cấu tạo bơm cao áp động cơ GDI

Trong bơm cao áp có cả van an toàn để đưa nhiên liệu về trường hợp áp suất cao bất thường

Bơm cao áp được dẫn động bởi trục cam, do đó bơm được đặt trên nắp giàn cò và tiếp xúc với vấu cam trục cam. Thường thì bơm này được dẫn động bởi 2, 3, hoặc 4 vấu cam. Một số động cơ dạng chữ V có thể có tới 2 bơm cao áp (mỗi dãy 1 bơm)

  • Van điều chỉnh áp suất nhiên liệu FPRV

Trên bơm có một van solenoid điều khiển điện, thường gọi là van điều chỉnh áp suất nhiên liệu FPRV (Fuel Pressure Regular Valve) (tên gọi này đối với hãng Hyundai, Kia, đối với các hãng khác có thể có tên khác nhau), van này nhìn chung chức năng giống như van SCV (Suction Control Valve) trên động cơ phun dầu điện tử. Van có 2 dây được điều khiển từ hộp ECM động cơ theo dạng điều chế độ rộng xung. Nếu van mở càng nhiều, lượng dầu đi qua sẽ càng nhiều dẫn đến áp suất nhiên liệu tăng cao và ngược lại. Van này thường được kiểm tra bằng cách đo điện trở nằm trong khoảng 0.5 ôm kết hợp với việc kích hoạt trên máy chẩn đoán, khi bạn kích họat, van di chuyển và có nghe tiếng click có nghĩa là van vẫn còn hoạt động

Van điều khiển áp suất nhiên liệu FPRV

Áp suất phun bao nhiêu là đủ

Về phần áp suất mà bơm cao áp này tạo ra sẽ có mức áp suất khác nhau tùy từng loại bơm và từng loại xe: Một điều nhận thấy rằng, áp suất buồng đốt của động cơ GDI cao hơn động cơ MPI, nếu động cơ MPI thông thường có áp suất buồng đốt khoảng từ 9 - 13 bar thì đối với động cơ GDI: muốn thắng được áp suất buồng đốt thì áp suất phun phải cao hơn rất nhiều thông thường từ 35 kg/cm2 ở tốc độ không tải đến cao nhất khoảng 160 kg/cm2. Bảng dưới đây là thông số của bơm cao áp trên động cơ Theta II của KIA 

Tốc độ động cơ Không tải 1500 6300 Ngừng chạy
Áp suất nhiên liệu (bar) 40 90-100 135 4.5


4.2.2. Cảm biến áp suất ống rail FPS

Cảm biến áp suất ống rail FPS (Fuel Pressure Sensor) thường được gắn ở đầu ống rail dùng để đo áp suất nhiên liệu thực tế ở bên trong ống rail gửi tín hiệu về ECM dưới dạng điện áp. Cảm biến áp suất ống rail có 3 dây: 1 dây dương 5V lấy từ hộp, 1 dây mass hộp và 1 dây tín hiêu đưa về hộp

Chức năng:

  • ECM dựa vào tín hiệu này để điều khiển lượng phun nhiên liệu vào trong buồng đốt động cơ
  • Điều khiển van FPRV như đã nói ở trên tùy thuộc vào từng chế độ hoạt động của động cơ
  • Giám sát van FPRV có hoạt động tốt hay không

Cảm biến áp suất nhiên liệu hệ thống GDI

 

4.2.3. Các đường ống cao áp và ống rail

Tất cả các đường ống này đều được làm từ thép hợp kim không gỉ chống ăn mòn về hóa học. Ống rail hay bên ngoài hay còn gọi là ống sáo, thuật ngữ rail này lấy từ hệ thống phun dầu điện tử Common Rail vì hình dạng của nó tương tự bên hệ thống phun dầu và nhiệm vụ cũng là để tích trữ nhiên liệu áp suất cao từ bơm cao áp lên.

4.2.4. Kim phun

Một chi tiết cực kỳ quan trọng trong hệ thống này là kim phun. Không giống như động cơ phun xăng thông thường, kim phun GDI được thiết kế với độ chính xác và phun áp suất cao hơn rất nhiều

Nếu như động cơ phun xăng đa điểm MPI, kim phun phun vào trước đường ống nạp thì động cơ GDI, kim phun phun thẳng trực tiếp vào trong buồng đốt của động cơ giống như động cơ Diesel

Ở động cơ MPI, kim phun được cấp nguồn dương sẵn 12V và được điều khiển mass. Còn trên GDI cả hai dây của kim phun đều được điều khiển bởi hộp ECM

Hiện nay kim phun GDI có hai loại: bằng cuộn từ và bằng Piezo. Tuy nhiên do Piezo là kim phun loại mới hơn cho nên độ phổ biến không bằng loại bằng cuộn từ.

Đối với loại kim bằng cuộn từ điện áp mở kim khoảng từ 50 - 60 VDC tùy loại. Còn đối với kim loại Piezo điện áp nằm khoảng 105. Vì vậy hãy cực kỳ cẩn thận khi sửa chữa liên quan đến điện kim phun, trường hợp nếu muốn thử bằng đèn Led thì phải dùng trở vài kilo ôm trở lên và phải cẩn thận trong việc cách điện

Cấu tạo kim phun cao áp GDI

Để kiểm tra kim phun, người ta thường dùng phương pháp đo điện trở. Điện trở tiêu chuẩn từ 1.25 ôm ở 20 độ C

5. Cảnh báo khi sửa chữa với động cơ GDI

Luôn chắc chắn rằng không có áp suất cao trong hệ thống khi tiến hành tháo lắp (để biết được áp suất bao nhiêu có thể xem thông số áp suất bằng thiết bị chẩn đoán). Một số máy chẩn đoán có chức năng xả áp, bạn có thể tham khảo trong phần chức năng đặc biệt

Trường hợp phải xả áp thủ công, bạn nên tham khảo thật kỹ hướng dẫn nhà sản xuất

Có thể tháo relay bơm ra để động cơ hoạt động đến khi tắt hẳn

Chú ý bơm cao áp phải luôn được cấp nhiên liệu khi quay, nếu bơm cao áp chỉ quay mà không có nhiên liệu sẽ gây giảm tuổi thọ bơm

Lưu ý khi bảo dưỡng, sửa chữa động cơ GDI

Khi tháo và lắp lại bơm cao áp, phải sử dụng vòng đệm mới, không dùng lại bu-lông

Khi tháo kim phun ra ngoài phải có nắp đậy lại. Trường hợp tháo nắp đậy kim phun, phải hoàn thành và lắp lại trong khoảng 1 giờ. Nếu tháo kim phun ra mà không đậy nắp lại trong một khoảng thời gian dài, phớt kim phun có thể bị nở ra và gây khó khăn khi lắp vào

6. Ưu và nhược điểm của động cơ phun xăng trực tiếp

Qua phần cấu tạo và nguyên lý hoạt động, các bạn đã suy luận ra được những ưu điểm của loại động cơ này chưa? Vì là công nghệ mới hơn nên chắc chắn sẽ có nhiều ưu điểm vượt trội hơn so với thế hệ phun xăng đa điểm MPI đời cũ. Có thể điểm qua một số ưu điểm của động cơ này như sau:

  • Tỉ số nén được tăng lên: động cơ phun xăng trực tiếp GDI có tỉ số nén cao hơn động cơ phun xăng đa điểm thông thường. Do vậy áp suất nén cũng được tăng theo
  • Nhờ phun nhiên liệu trực tiếp với áp suất cao, nhiên liệu tơi hơn, hạt nhỏ mịn hơn nên dễ dàng bốc hơi. Khi nhiên liệu bốc hơi như vậy sẽ hấp thụ nhiệt lượng làm cho nhiệt độ khí nạp thấp hơn. Nhiệt độ khí nạp thấp làm cho lượng không khí nạp vào cao hơn dẫn đến tăng hiệu suất nạp. Mà tăng hiệu suất nạp sẽ làm tăng hiệu suất của động cơ 6 - 14%. Bên cạnh đó giảm nhiệt độ khí nạp còn giúp giảm hiện tượng kích nổ mà đáng lý ra động cơ này sẽ rất dễ bị kích nổ bởi có tỉ số nén cao
  • Hiệu quả quét sạch khí cháy được cải thiện nhờ tăng góc trùng điệp xupap giúp khí nạp được sạch hơn
  • Nhiệt độ khí xả tăng nhanh rút ngắn thời gian nung nóng bầu catalytic làm giảm lượng khí thải độc hại thải ra môi trường. Lượng nhiên liệu được đốt cháy gần như tối ưu làm giảm khí thải 50%
  • Tăng công suất và mô men trong khi kích thước động cơ nhỏ hơn
  • Hiệu suất động cơ cao giúp tăng tính kinh tế nhiên liệu từ 8 – 22%

Ưu điểm của động cơ GDI

Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm cũng có những hạn chế của loại động cơ này

  • Tăng tải điện cho kim phun
  • Các chi tiết phụ tùng đắc đỏ hơn
  • Rất nhiều chi tiết bắt buộc phải dùng 1 lần: các seal
  • Công nghệ mới đòi hỏi phải đào tạo kỹ thuật nhiều
  • Đòi hỏi bảo dưỡng đúng và chính xác
  • Cần đến nhiều công cụ hỗ trợ, các tool chuyên dùng trong quá trình bảo dưỡng, sửa chữa động cơ

7. Kết luận

Bài viết trên đây đã tổng hợp một cách cơ bản về cấu tạo các bộ phận chính, nguyên lý hoạt động, lịch sử hình thành cũng như về ưu và nhược điểm, một số lưu ý khi bảo dưỡng, sửa chữa của hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp GDI, thực chất công nghệ này không mới và không khó nhưng để sửa chữa được, đòi hỏi các bạn phải hiểu về nó, biết nó cấu tạo như thế nào, hoạt động ra sao, thông số bao nhiêu là chuẩn/

Trong tương lai, động cơ phun xăng trực tiếp GDI chắc chắn càng trở nên phổ biến trên các dòng xe du lịch trên toàn thế giới bởi sự gia tăng nhu cầu tiết kiệm nhiên liệu và tình trạng buộc phải đáp ứng yêu cầu khí thải nghiêm ngặt ở một số quốc gia làm cho lượng xe sử dụng công nghệ này ngày càng nhiều hơn. Ước tính đến năm 2020, một phần tư các xe trên toàn thế giới sẽ được trang bị công nghệ phun nhiên liệu trực tiếp này. Video dưới đây sẽ giúp các bạn hiểu rõ hơn về hệ thống:

BÌNH LUẬN ĐÁNH GIÁ CỦA BẠN

Chi Tran:

Bài viết này của người ko biết về động cơ đốt trong. Sao chép từ các bài báo nước ngoài nhưng ko hiểu và ko đầy đủ.
Đừng nói là nhiên liệu xăng ko tự cháy được. Nếu tỷ số nén là 18/1, nhiệt độ khí bên trong cuối quá trình nén lên trên 500 độ C, nếu phun xăng vào hoàn toàn có thể tự cháy như dầu. Hiên nay động cơ SkyActive X đang sử dụng công nghệ xăng tự cháy có điều khiển bằng buji nhé. SPCCI.
Sự khác nhau cơ bản để ko thể chế tạo động cơ dùng nhiên liệu xăng theo nguyên lý diesel chính là độ nhớt nhiên liệu. Với dầu diesel độ nhớt 2cSt ở 40 độ, đủ để bôi trơn cho bơm cao áp tạo ra áp lực 2000 bar, để nhiên liệu được phun qua kim phun ở dạng sương mịn, tạo điều kiện hòa trộn với không khí tốt để cháy hết. Chú ý động cơ diesel chỉ phun nhiên liệu ở cuối quá trình nén. Với xăng có độ nhớt gần bằng 0,_ko đủ để bôi trơn bơm cao áp với áp suất 2000 bar nên ko thể sử dụng phương pháp này. Nếu chỉ 200bar như hiện nay thì không tạo phun sương mịn, làm cháy ko hết.
Với động cơ phun xăng trực tiếp, người ta chế tạo được bơm cao áp với áp suất phun lên đến 200bar, nhưng xăng vẫn phải phun từ kỳ hút hoặc cuối hút đầu nén, để có thời gian hóa hơi hòa trộn với không khí.
Áp suất phun cao tạo hạt nhỏ thì thời điểm phun ko cần sớm quá như loại động cơ MPI, có thể phun ở đầu hoặc giữa kỳ nén mà nhiên liệu vẫn đảm bảo bay hơi và hòa trộn với không khí trước khi buji đánh lửa.
Lợi ích của việc phun muôn của động cơ phun trực tiếp với áp suất cao là có thể tăng tỷ số nén để tăng hiệu suất
và công suất động cơ. Bởi vì nhiên liệu được phun vào xy lanh có thời gian nhận nhiệt độ ngắn hơn sẽ tránh được kích nổ tốt hơn, nên dễ tăng tỷ số nén.
Còn tại sao SkyActivX lại dùng buji tạo ra quả cầu lửa nhỏ rồi mới tạo áp suất cao nhiệt độ cao làm nhiên liệu tự cháy. Ấy là bởi vì khi chạy tải thấp, tốc độ thấp, lượng nhiên liệu phun vào ít làm cho tỷ số hỗn hợp nhiên liệu và ko khí quá thấp, đặc biêt ở giữa xy lanh do vòng xoáy lốc cho nên hỗn hợp này sẽ ko cháy được bằng buji đánh lửa mà chỉ có thể tự cháy ở áp suất cao.


04/07/2019 11:14:27 PM Trả lời

Chi:

Đúng là chém gió. Thế phun ở cổ hút ko làm giảm nhiệt độ khí nạp à. Các vị ko hiểu gì về kích nổ, nói lăng linh tinh. Kết quả của việc làm mát khí nạp, sẽ dẫn đến nhiệt độ xăng tăng lên càng dễ kích nổ. Đây ko phảo là lời giải thích chính đáng cho việc phun trực tiếp cho tỷ số nén cao. Các bạn muốn hiểu thì liên hệ với tôi
29/05/2019 01:27:45 PM Trả lời

Khiêm:

chị ơi cho e xin chút tài liệu về hệ thống phun xăng trực tiếp GDI với ạ
21/09/2019 11:32:54 AM

Nguyễn Tuấn Phong:

chị ơi cho em xin tài liệu về hệ thống phun xăng gdi và các dòng xe toyota sử dụng hệ thống này dc ko ạ
17/10/2019 08:32:14 PM

Phạm Văn Bách:

Hay lắm bạn ơi
Tham khảo công nghệ ĐCĐT kiểu mới
http://www.bachgeneration.com/cong-trinh/dong-co
30/11/2018 03:02:27 PM Trả lời

Tiến Đạt:

rất bổ ích
13/10/2018 05:01:39 PM Trả lời

Van Tung:

Rất đầy đủ và chi tiết
22/08/2018 11:48:31 PM Trả lời
Ý kiến của bạn (17)
Nhập nội dung bình luận

captcha

Về GreenCar.vn

GreenCar.vn được thành lập bởi người có niềm đam mê sâu sắc về ô tô. Những chia sẻ trên trang là tất cả những kiến thức, trải nghiệm của riêng tác giả nhằm chia sẻ với các anh em hiện đang hoạt động trong lĩnh vực ô tô. Trong tương lai GreenCar.vn hướng tới một đất nước Việt Nam phát triển và thân thiện với môi trường.

Công ty TNHH GreenCar Việt Nam

  • Địa chỉ: 549/71/21 Lê Văn Thọ, Phường 10, Gò Vấp, TP.HCM
  • Email: admin@greencar.vn
  • MST: 0312179313