Khái quát về động cơ GDI

Động cơ GDI (Gasoline Direct Injection) là động cơ chạy bằng xăng với hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp. Động cơ có tên viết tắt GDI được sản xuất bởi các công ty Nhật Bản Mitsubishi, Toyota, Nissan, các nhà sản xuất ô tô Hàn Quốc, cũng như Bosh.
Ý tưởng chế tạo động cơ phun nhiên liệu trực tiếp vào xi-lanh đã ra đời cách đây khá lâu, trong khi GDI đại trà lần đầu tiên được trình làng vào năm 1995. Động cơ với công nghệ GDI hầu hết được tìm thấy trên xe Mitsubishi. Mẫu xe đầu tiên có khối năng lượng như vậy là Mitsubishi Galant, có thể tích công tác 1,8 GDI.

1. Tính năng và sự khác biệt của động cơ GDI

Nguyên lý hoạt động của động cơ GDI là kiểu “cộng sinh” của động cơ đốt trong xăng và diesel quen thuộc. Để bắt đầu, để hoạt động bình thường của bất kỳ động cơ đốt trong nào, một hỗn hợp được gọi là không khí-nhiên liệu phải được đưa vào các xi lanh. Nói cách khác, một phần nhiên liệu nhất định được trộn theo tỷ lệ cần thiết với một phần không khí liên quan đến các chế độ vận hành khác nhau của động cơ. Công suất động cơ, hiệu suất, hiệu suất, thân thiện với môi trường và một số đặc tính khác phụ thuộc trực tiếp vào thành phần của hỗn hợp.

Hầu hết các động cơ xăng và diesel ngày nay là:

– Động cơ với sự hình thành hỗn hợp bên ngoài. Chúng bao gồm các bộ chế hòa khí chạy bằng xăng đã lỗi thời và các động cơ xăng phun bên ngoài ống nạp, máy nén hoặc tăng áp hiện đại. Trong những động cơ như vậy, quá trình chuẩn bị hỗn hợp nhiên liệu-không khí xảy ra riêng biệt (trong đường
ống nạp), sau đó thì sẵn sàng đi vào xi-lanh và bắt lửa từ bugi để đốt cháy.

– Động cơ có sự hình thành hỗn hợp bên trong. Loại đơn vị này được đại diện bởi động cơ Diesel, trong đó một phần nhiên liệu diesel được đưa trực tiếp vào các xi lanh và trộn với không khí đã có sẵn ở đó. Sự bốc cháy điện tích xảy ra do sự tiếp xúc của nhiên liệu diesel được cung cấp với thể tích không khí được đốt nóng từ quá trình nén. Nghĩa là không có sự tham gia của nguồn đánh lửa bên ngoài (bugi).

Động cơ GDI là động cơ xăng, trong đó quá trình trộn tương tự như động cơ Diesel, tức là nhiên liệu được phun trực tiếp vào các xi lanh, nơi nó được trộn với không khí đã được cung cấp trước đó. Trong trường hợp này, hỗn hợp nhiên liệu-không khí tạo thành được đốt cháy trong xi lanh nhờ tia lửa điện từ bugi.

Nói cách khác, không khí đi vào động cơ riêng biệt, kim phun GDI trực tiếp phun nhiên liệu vào xi-lanh, sau đó các thành phần được trộn lẫn, sau đó hỗn hợp này được đánh lửa bằng bugi điện. Cần nói thêm rằng trong quá trình hình thành hỗn hợp như vậy, các nhà thiết kế đã tính đến một số đặc điểm khí động học để có được thành phần hỗn hợp có thứ tự tối ưu. Vì lý do này, thiết kế của piston và buồng đốt khác biệt đáng kể so với các thiết bị tương tự trong động cơ có sự hình thành hỗn hợp bên ngoài, cũng như trong ICEs trước. Phần đáy của piston có hình dạng đặc biệt để hướng tia phun tới bugi, đầu xi lanh có nhận các kênh nạp thẳng đứng giúp không khí có thể “xoáy” trong các xi lanh động cơ.

Hơn nữa, thành phần của hỗn hợp khác nhau ở các khu vực khác nhau của tổng thể tích của hình trụ. Kết quả của những quyết định như vậy, các động cơ của dòng GDI có thể hoạt động trên một hỗn hợp rất nạc, không phù hợp với hoạt động của động cơ xăng thông thường. Tỷ lệ nhiên liệu và không khí cần thiết để đánh lửa từ tia lửa điện được tập trung trong xi lanh GDI ở khu vực của bugi, trong khi hỗn hợp này càng nhỏ càng tốt dọc theo các “cạnh” thông thường của xi lanh.

Một tính năng khác của động cơ GDI là sự hiện diện của hai bơm nhiên liệu:

– bơm xăng điện thông thường trong bình nhiên liệu.
– bơm nhiên liệu cao áp (TNVD) dẫn động bằng cơ khí của động cơ đốt trong.

Giải pháp này cũng tương tự như nguyên tắc cung cấp nhiên liệu trong động cơ Diesel. Trong động cơ GDI, áp suất phun là khoảng 50 bar, trong khi ở động cơ xăng thông thường là khoảng 3 bar.

Động cơ GDI có một số khác biệt về thiết kế, do đó chúng có thể được chia thành hai nhóm:

– Thị trường nội địa Nhật Bản.
– Thị trường Châu Âu.

Các đơn vị này khác nhau về thiết kế của chính động cơ, về các tính năng của bơm phun và thiết kế của hệ thống phun nhiên liệu. Các phiên bản Nhật Bản có hai chế độ phun nhiên liệu GDI chính:

1. chế độ đốt cực kỳ nạc.
2. chế độ đầu ra cao cấp.

Chế độ đầu tiên giả định hoạt động của động cơ trên hỗn hợp siêu nạc, có tỷ lệ 37: 1 đến 43: 1. Chế độ vận hành này được hỗ trợ bởi ECU ở tốc độ vừa phải lên đến 110-120 km/h. Ở chế độ này, động cơ GDI cung cấp mô-men xoắn cực đại. Kim phun phun nhiên liệu vào thời điểm khi piston đang ở hành trình nén và chưa đạt TDC. Trong trường hợp này, nhiên liệu được cung cấp bởi kim phun dưới dạng một tia đồng nhất, sau đó dòng chảy sẽ xoáy theo chiều kim đồng hồ để hòa trộn tốt nhất với không khí trong xi lanh.

Trong chế độ thứ hai, thành phần phân cực của hỗn hợp nhiên liệu và không khí được giả định. Chế độ vận hành được chỉ định sẽ được kích hoạt nếu động cơ đang thiếu tải (lái xe ở tốc độ cao, kéo theo rơ moóc, lái xe lên dốc, v.v.)

Ở các phiên bản châu Âu, động cơ GDI có thêm chế độ trộn hai giai đoạn.
Chế độ được chỉ định được thiết kế để tăng tốc chủ động khi dừng lại hoặc cần tăng tốc mạnh khi vượt. Ở chế độ này, nhiên liệu được phun vào xi lanh theo từng bước (hai giai đoạn trong 4 lần).

Ở hành trình nạp ở chế độ này, lần phun đầu tiên được thực hiện, kết quả là hỗn hợp nạc tối đa trong xi lanh với tỷ lệ khoảng 60:1. Hỗn hợp này không được thiết kế để bắt lửa. Nhiệm vụ chính là làm mát buồng đốt một cách hiệu quả, do một lượng không khí và nhiên liệu lớn hơn có thể được cung cấp cho buồng làm mát trong quá trình nén. Nói cách khác, giải pháp này cải thiện việc làm đầy các xi lanh. Sau đó, trên hành trình nén, lần phun thứ hai xảy ra, sau đó thành phần hỗn hợp đã là 12: 1.
Kết quả là, các xi lanh được làm đầy một cách hiệu quả và động cơ mang lại công suất tối đa. So với động cơ có phun phân phối, GDI mạnh hơn 10%. Do đó, các phiên bản châu Âu của GDI linh hoạt hơn và có khả năng cung cấp nhiều mô-men xoắn hơn ở “đáy” nếu cần thiết để tăng tốc mạnh khi lái xe ở tốc độ 30-60 km/h.

Cũng đáng chú ý là chế độ đặc biệt của động cơ GDI được gọi là stich F / B. Chế độ vận hành được chỉ định giả định thành phần đẳng áp gần nhất của hỗn hợp nhiên liệu và không khí, và cũng được chia thành hai chế độ phụ: vòng kín và vòng hở.

Trong trường hợp đầu tiên, thành phần của hỗn hợp được điều chỉnh dựa trên số đọc của cảm biến oxy. Trong trường hợp thứ hai, các số đọc của cảm biến không ảnh hưởng đến thành phần của hỗn hợp nhiên liệu và không khí. Tính năng này là sự khác biệt giữa GDI và các động cơ khác trong quá trình chạy không tải. ECU động cơ tự động thay đổi lực nén ở chế độ F / B nghiêng và cứng trong khi động cơ chạy không tải, thổi khí có điều kiện. Một tính năng là tăng tốc độ không tải của động cơ lên ​​đến 900-950 vòng / phút, tại thời điểm chuyển đổi giữa các chế độ được chỉ định. Thông thường, sự thay đổi được chỉ định của các chế độ hoạt động GDI sẽ diễn ra 4 phút một lần. Tất cả các chế độ được chuyển đổi dưới sự điều khiển của ECU. Nếu chúng ta nói về sự thoải mái của người lái, những thay đổi trong chế độ và những thay đổi trong hoạt động của động cơ thực tế không thể cảm nhận được.
Về tính độc hại của GDI, các kỹ sư Nhật Bản đã phát triển chất xúc tác đặc biệt cho động cơ chạy bằng hỗn hợp rất nạc. Kết quả là mức ôxit nitơ trong khí thải của một động cơ như vậy đã giảm trong khuôn khổ Euro-3. Cần lưu ý rằng hàm lượng lưu huỳnh cao, được ghi nhận trong xăng trong nước, nhanh chóng làm cho các bộ chuyển đổi xúc tác không hoạt động.

2 – Các trục trặc và sự cố của động cơ GDI

Vấn đề chính của động cơ loại này là độ nhạy của chúng tăng lên đối với chất lượng nhiên liệu, cũng như đối với bất kỳ yếu tố và sự cố nào có thể ảnh hưởng đến chất lượng của sự hình thành hỗn hợp.
Trên động cơ GDI, bugi nhanh chóng chuyển sang màu đen và hỏng. Thiết bị nhiên liệu của các động cơ như vậy nhạy cảm hơn nhiều với sự hiện diện của nước và các tạp chất cơ học trong xăng. Sự hình thành cặn cacbon trong đường ống nạp và sự tích tụ của muội than trên van có thể làm thay đổi quá trình hình thành hỗn hợp, do đường dẫn dòng chảy trong xi lanh bị gián đoạn. Do đó, GDI mất điện và hoạt động với những gián đoạn đáng chú ý.