Phun nhiên liệu trực tiếp là công nghệ cung cấp nhiên liệu cho phép động cơ xăng đốt cháy nhiên liệu hiệu quả hơn, tạo ra nhiều năng lượng hơn, khí thải sạch hơn và tăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu.
Phun xăng trực tiếp (Gasoline direct injection – GDI hoặc Petrol direct injection – PDI), là một hệ thống tạo hỗn hợp cho động cơ đốt trong chạy bằng xăng (xăng), mà nhiên liệu được phun trực tiếp vào buồng đốt. Điều này khác biệt với hệ thống phun nhiên liệu dạng cổ góp, khi mà hệ thống này sẽ phun nhiên liệu vào đường ống nạp.
Động cơ GDI đầu tiên được đưa vào sản xuất vào năm 1925 dành cho động cơ xe tải có độ nén thấp. Một số xe ô tô của Đức đã sử dụng hệ thống GDI cơ khí của Bosch vào những năm 1950, tuy nhiên việc sử dụng công nghệ này vẫn còn rất hiếm cho đến khi một hệ thống GDI điện tử được Mitsubishi giới thiệu vào năm 1996 cho các xe sản xuất hàng loạt. GDI đã chứng kiến sự chấp nhận nhanh chóng của ngành công nghiệp ô tô trong những năm gần đây, tại Hoa Kỳ đã tăng từ 2,3% sản lượng cho xe đời 2008 lên xấp xỉ 50% cho mẫu 2016.
Nguyên tắc hoạt động
1. Chế độ nạp
‘Chế độ nạp’ của động cơ phun xăng trực tiếp đề cập đến cách nhiên liệu được phân phối khắp buồng đốt:
- ‘Chế độ nạp đồng nhất’ để nhiên liệu được trộn đều với không khí trong toàn bộ buồng đốt, như mỗi lần phun vào ống góp.
- Chế độ nạp phân tầng có vùng mật độ nhiên liệu cao hơn xung quanh bugi, và hỗn hợp nghèo hơn (mật độ nhiên liệu thấp hơn) ở xa bugi hơn.
Chế độ nạp đồng nhất
Ở chế độ nạp đồng nhất, động cơ hoạt động trên hỗn hợp không khí/nhiên liệu đồng nhất (lambda = 1), nghĩa là có một hỗn hợp (gần như hoàn hảo) giữa nhiên liệu và không khí trong xi lanh. Nhiên liệu được bơm vào ngay khi bắt đầu hành trình nạp để tạo cho nhiên liệu vào có thời gian hòa trộn với không khí nhiều nhất, để tạo thành hỗn hợp không khí / nhiên liệu đồng nhất. Chế độ này cho phép sử dụng chất xúc tác ba chiều thông thường để xử lý khí thải.
So với phun ống góp, hiệu suất nhiên liệu chỉ tăng một chút, nhưng công suất cụ thể tốt hơn, đó là lý do tại sao chế độ đồng nhất hữu ích cho cái gọi là giảm kích thước động cơ. Hầu hết các động cơ xăng xe con phun xăng trực tiếp đều sử dụng chế độ nạp đồng nhất.
Chế độ nạp phân tầng
Chế độ nạp phân tầng tạo ra một vùng nhỏ hỗn hợp nhiên liệu/không khí xung quanh bugi, vùng này được bao quanh bởi không khí trong phần còn lại của xi lanh. Điều này dẫn đến lượng nhiên liệu được phun vào xi lanh ít hơn, dẫn đến tỷ lệ không khí – nhiên liệu tổng thể rất cao lambda >8, với tỷ lệ nhiên liệu không khí trung bình lambda = 3 … 5 khi tải trung bình và lambda = 1 khi đầy tải. Lý tưởng, bướm ga vẫn mở hết mức có thể để tránh tổn thất tiết lưu. Mô-men xoắn chỉ được thiết lập bằng cách kiểm soát mô-men xoắn chất lượng, có nghĩa là chỉ lượng nhiên liệu nạp vào, chứ không phải lượng khí nạp được điều khiển để thiết lập mô-men xoắn của động cơ. Chế độ nạp phân tầng cũng giữ cho ngọn lửa cách xa thành xi lanh, giúp giảm tổn thất nhiệt.
Vì hỗn hợp hoà khí quá loãng không thể đánh lửa bằng bugi (do thiếu nhiên liệu), nên chế độ nạp cần phải được phân tầng. Để đạt được mức nạp như vậy, động cơ nạp phân tầng sẽ phun nhiên liệu trong giai đoạn sau của hành trình nén. Một “khoang xoáy” ở trên cùng của pít-tông thường được sử dụng để dẫn nhiên liệu vào vùng bao quanh bugi. Kỹ thuật này cho phép sử dụng hỗn hợp siêu nghèo không thể thực hiện được với bộ chế hòa khí hoặc phun nhiên liệu ống góp thông thường.
Chế độ nạp phân tầng (còn được gọi là chế độ “đốt cháy siêu nghèo”) được sử dụng ở mức tải thấp, nhằm giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và lượng khí thải. Tuy nhiên, chế độ này sẽ bị tắt đối với tải cao hơn, với động cơ chuyển sang chế độ đồng nhất với tỷ lệ nhiên liệu không khí theo phương pháp phân tầng lambda = 1 đối với tải vừa phải và tỷ lệ nhiên liệu không khí đậm hơn ở tải cao hơn.
2. Chế độ phun nhiên liệu
Các kỹ thuật phổ biến để tạo ra sự phân bổ nhiên liệu mong muốn trong toàn bộ buồng đốt là phun dẫn hướng bằng tia phun, dẫn hướng bằng không khí và dẫn hướng qua tường. Xu hướng trong những năm gần đây là hướng tới phun dẫn hướng tia phun, vì nó hiện đang mang lại hiệu quả sử dụng nhiên liệu cao hơn.
Phun trực tiếp dẫn hướng qua tường
Ở động cơ có kiểu phun dẫn hướng tường, khoảng cách giữa bugi và vòi phun tương đối cao. Để đưa nhiên liệu đến gần bugi, nó được phun vào một hốc xoáy trên đỉnh pít-tông, dẫn nhiên liệu về phía bugi. Các cổng hút gió xoáy hoặc xáo trộn đặc biệt hỗ trợ quá trình này. Thời điểm phun phụ thuộc vào tốc độ piston, do đó, ở tốc độ piston cao hơn, thời điểm phun và thời điểm đánh lửa cần phải được nâng cao rất chính xác. Ở nhiệt độ động cơ thấp, một số phần của nhiên liệu trên piston tương đối lạnh sẽ nguội đi rất nhiều, đến mức chúng không thể cháy đúng cách. Khi chuyển từ tải động cơ thấp sang tải động cơ trung bình (và do đó nâng cao thời điểm phun), một số phần nhiên liệu có thể bị phun ra sau khoang xoáy, cũng dẫn đến quá trình đốt cháy không hoàn toàn. Do đó, các động cơ có hệ thống phun trực tiếp dẫn hướng tường có thể bị phát thải hydrocacbon cao.
Phun trực tiếp hướng dẫn dòng khí
Giống như ở động cơ phun dẫn hướng tường, ở động cơ phun dẫn hướng bằng dòng khí, khoảng cách giữa bugi và vòi phun tương đối cao. Tuy nhiên, ở đây, nhiên liệu không tiếp xúc (tương đối) với các bộ phận của động cơ nguội như thành xi lanh và pít-tông. Thay vì phun nhiên liệu vào khoang xoáy, trong động cơ phun có điều khiển bằng không khí, nhiên liệu chỉ được dẫn tới bugi bằng không khí nạp. Do đó, không khí nạp phải có chuyển động xoáy hoặc xoáy đặc biệt để hướng nhiên liệu về phía bugi. Chuyển động xoáy này phải được duy trì trong một khoảng thời gian tương đối dài để tất cả nhiên liệu được đẩy về phía bugi. Tuy nhiên, điều này làm giảm hiệu suất nạp của động cơ và do đó ảnh hưởng công suất. Trong thực tế, sự kết hợp giữa phun dẫn hướng bằng không khí và dẫn hướng qua tường được sử dụng.
Phun trực tiếp dẫn hướng tia phun
Trong các động cơ có hệ thống phun trực tiếp dẫn hướng tia phun, khoảng cách giữa bugi và vòi phun tương đối thấp. Cả vòi phun và bugi đều nằm giữa các van của xi lanh. Nhiên liệu được phun vào trong giai đoạn sau của hành trình nén, gây ra sự hình thành hỗn hợp rất nhanh (và không đồng nhất). Điều này dẫn đến độ dốc phân tầng nhiên liệu lớn, có nghĩa là có một đám mây nhiên liệu với tỷ lệ không khí rất thấp ở trung tâm và tỷ lệ không khí rất cao ở các rìa của nó. Nhiên liệu chỉ có thể được đốt cháy ở giữa hai “vùng” này. Quá trình đánh lửa diễn ra gần như ngay lập tức sau khi phun để tăng hiệu suất động cơ. Bugi phải được đặt sao cho nó nằm chính xác trong vùng mà hỗn hợp có thể bắt lửa được. Điều này có nghĩa là dung sai sản xuất cần phải rất thấp, bởi vì chỉ cần sai lệch rất ít cũng có thể dẫn đến sự suy giảm quá trình đốt cháy nghiêm trọng. Ngoài ra, nhiên liệu làm nguội bugi, ngay lập tức trước khi nó tiếp xúc với nhiệt đốt cháy. Như vậy, bugi cần có khả năng chịu sốc nhiệt rất tốt. Ở tốc độ pít-tông (và động cơ) thấp, vận tốc không khí/nhiên liệu tương đối thấp, có thể khiến nhiên liệu không hóa hơi đúng cách, dẫn đến hỗn hợp rất giàu. Các hỗn hợp giàu không cháy đúng cách và gây ra sự tích tụ carbon. Ở tốc độ piston cao, nhiên liệu sẽ lan rộng hơn trong xi lanh, điều này có thể ép các phần dễ bắt lửa của hỗn hợp ra xa bugi, khiến nó không thể đốt cháy hỗn hợp không khí/nhiên liệu nữa.
Ưu điểm của phun nhiên liệu trực tiếp
Kết hợp với tính năng quản lý máy tính siêu chính xác, hệ thống phun trực tiếp cho phép kiểm soát chính xác hơn việc đo nhiên liệu, đó là lượng nhiên liệu phun vào và thời điểm phun, điểm chính xác khi nhiên liệu được đưa vào xi lanh. Vị trí của kim phun cũng cho phép tạo ra kiểu phun tối ưu hơn giúp chia nhỏ xăng thành những giọt nhỏ hơn. Kết quả là quá trình đốt cháy hoàn toàn hơn. Nói cách khác, lượng xăng được đốt cháy nhiều hơn, dẫn đến nhiều năng lượng hơn và ít ô nhiễm hơn từ mỗi giọt xăng.
Nhược điểm của phun nhiên liệu trực tiếp
Nhược điểm cơ bản của động cơ phun trực tiếp là phức tạp và tốn kém. Hệ thống phun trực tiếp đắt hơn để chế tạo vì các thành phần của chúng phải chắc chắn hơn. Chúng xử lý nhiên liệu ở áp suất cao hơn đáng kể so với hệ thống phun gián tiếp và bản thân các kim phun phải chịu được nhiệt và áp suất của quá trình đốt cháy bên trong xi lanh.
Công nghệ này mạnh mẽ và hiệu quả hơn như thế nào?
Cadillac CTS được bán với cả hai phiên bản phun xăng gián tiếp và trực tiếp của động cơ 3.6 lít V6. Động cơ phun gián tiếp tạo ra 263 mã lực và 253 lb.-ft. mô-men xoắn, trong khi phiên bản trực tiếp tạo ra công suất 304 mã lực và 274 lb.-ft. Mặc dù có thêm sức mạnh, nhưng ước tính mức tiết kiệm nhiên liệu của EPA đối với động cơ phun xăng trực tiếp cao hơn 1 MPG trong thành phố (18 MPG so với 17 MPG) và ngang bằng trên đường cao tốc. Một ưu điểm khác là động cơ phun xăng trực tiếp của Cadillac chạy bằng xăng 87-octan thông thường. Những chiếc xe cạnh tranh của Infiniti và Lexus, sử dụng động cơ V6 300 mã lực với hệ thống phun gián tiếp, yêu cầu nhiên liệu cao cấp hơn.
Sự quan tâm trở lại đối với công nghệ phun xăng trực tiếp
Công nghệ phun trực tiếp đã có từ giữa thế kỷ 20. Tuy nhiên, rất ít nhà sản xuất ô tô áp dụng nó cho những chiếc xe đại chúng. Hệ thống phun nhiên liệu gián tiếp được điều khiển điện tử đã thực hiện được công việc này cũng như chi phí sản xuất thấp hơn đáng kể và mang lại những lợi thế to lớn so với bộ chế hòa khí cơ khí, hệ thống cung cấp nhiên liệu thống trị cho đến những năm 1980. Những diễn biến như giá nhiên liệu tăng, tiết kiệm nhiên liệu và luật khí thải chặt chẽ hơn đã khiến nhiều nhà sản xuất ô tô bắt đầu phát triển hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp. Bạn có thể mong đợi sẽ thấy ngày càng nhiều xe sử dụng hệ thống phun xăng trực tiếp trong tương lai gần.
Ô tô động cơ diesel và động cơ phun xăng trực tiếp
Hầu như tất cả các động cơ diesel đều sử dụng phương pháp phun nhiên liệu trực tiếp. Tuy nhiên, vì động cơ diesel sử dụng một quy trình khác để đốt cháy nhiên liệu của chúng, trong đó động cơ xăng truyền thống nén hỗn hợp xăng và không khí và đốt cháy nó bằng tia lửa, diesel chỉ nén không khí, sau đó phun vào nhiên liệu được đốt cháy bởi nhiệt và áp suất. , hệ thống phun của chúng khác về thiết kế và hoạt động so với hệ thống phun xăng trực tiếp.
