Nếu như bạn đang quan tâm đến các dòng xe ô tô cũng như cấu tạo và cách hoạt động của nó thì chắc chắn bạn không thể bỏ qua thông tin về hệ thống phun nhiên liệu trên xe ô tô. Với chức năng cung cấp nhiên liệu cho xi lanh để thực hiện quá trình kích nổi, thì từ xưa đến nay cũng đã có rất nhiều loại hệ thống phun nhiên liệu được ra đời, tuy nhiên đa số vẫn chưa thật sự hiệu quả nên cũng đã nằm lại quá khứ. Hiện nay, ta có 2 loại công nghệ phun nhiên liệu chính phổ biến nhất là phun GDI – Gasonline Direct Injection (phun nhiên liệu trực tiếp) và EFI – Electronic Fuel Injection (phun xăng điện tử hay còn gọi là phun xăng gián tiếp).
Ở bài viết này, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp GDI – Gasoline Direct Injection. Hãy cùng xem hệ thống này mang lại hiệu quả gì và có cấu tạo ra sao để tạo được hiệu suất cao và giữ được phong độ đến ngày nay nhé.
Đặc điểm cấu tạo hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp GDI
Gasoline Direct Injection là dạng phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng đốt với áp suất cao, đây cũng là một trong những loại có lịch sử phát triển lâu đời nhất. Hệ thống này xuất hiện lần đầu tiên vào năm 1925 trong động cơ Hesselman dành cho máy bay và ứng dụng trên ô tô là năm 1953 (do Bosch ra mắt công nghệ phun xăng trực tiếp vào năm 1951, đây cũng là tiên phong cho công nghệ này). Cho đến nay, hệ thống này vẫn không ngừng cải tiến, hoàn thiện về cấu tạo và nguyên lý hoạt động nhằm đạt hiệu quả cao nhất.
Điểm nhấn của hệ thống GDI là thay vì phun nhiên liệu trước cửa nạp (xupap nạp), GDI lại phun nhiên liệu trực tiếp vào bên trong xi lanh với áp suất cao. Điều này đồng nghĩa với việc trong kỳ nạp chỉ có không khí được hút vào xi lanh mà không hề có nhiên liệu, do đó đảm bảo được việc điều khiển quá trình phun tốt và linh hoạt hơn.
Cấu tạo của hệ thống phun xăng trực tiếp GDI gồm hai phần chính, chúng có sự tương quan và hỗ trợ lẫn nhau trong quá trình hoạt động:
- Phần thấp áp: phần này thì gồm có các bộ phận như bơm, lọc, van điều áp,… tất cả cùng được đặt trong thùng nhiên liệu. Nhiên liệu lần lượt được bơm qua lọc thô, lọc tinh thông qua ống dẫn tới bơm cao áp, áp suất nhiên liệu thông thường từ 4,5-6 kg/cm2 tùy vào từng mẫu xe. Có thể hiểu hoạt động của phần thấp áp là giúp duy trì tính ổn định của lực tác động lên bơm cao áp.
- Phần cao áp: phần này gồm các bộ phận: bơm cao áp, ống rail (ống chưa, phân phối nhiên liệu), kim phun, cảm biến áp suất ống rail. Bơm cao áp có nhiệm vụ nén nhiên liệu có áp suất thấp từ bơm lên thành nhiên liệu áp suất cao và được tích trữ trong ống rail. Cảm biến áp suất ống rail cung cấp thông tin cho ECU, bộ vi xử lý trong ECU sẽ tính toán và điều chỉnh van FPRV (Fuel Pressure Regulator Valve) – van điều áp trên bơm cao áp. Sau đó kim phun phun nhiên liệu dưới áp suất cao vào buồng đốt được điều khiển bởi ECM (Engine Control Module) – hệ thống điều khiển động cơ.
Nguyên lý làm việc của hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp
Nguyên lý hoạt động của hệ thống phun xăng trực tiếp tương tự như động cơ dầu. Điểm khác biệt là ở tia lửa điện để đốt cháy hòa khí trên hệ thống phun xăng. Hệ thống GDI có 2 chế độ nạp chính theo nguyên lý hoạt động:
- Nạp phân tầng (stratified charge): Chế độ nạp phân tầng phun trễ được sử dụng ở chế độ tải vừa và nhỏ, nhiên liệu lúc này sẽ được phun vào trong kỳ nén. Tại đây, động cơ hoạt động với tỷ lệ hòa khí hơi loãng do nhiên liệu được phun vào gần thời điểm đánh lửa, lúc đó chỉ có một lượng nhiên liệu nhỏ tập trung ngay trước bugi. Tuy nhiên, lượng khí thải NOx (NO, NO2, N¬2O, N2O3, N2O4, N2O5) thải ra môi trường lớn nên van EGR sẽ được tăng lên kịp thời để giảm nồng độ NOx.
- Nạp đồng nhất (homogeneous charge): Khi ở chế độ tải nặng, chế độ đồng nhất phun sớm được sử dụng. Nhiên liệu được phun vào trong kỳ nạp tạo thời gian giúp cho hòa khí có được đạt đồng nhất. Tại đây, động cơ hoạt động với tỷ lệ hòa khí cân bằng hoặc hơi giàu. Tỷ lệ NOx phát thải ít nên van EGR không hoạt động.
Hệ thống phun trực tiếp này có 3 chế độ làm việc cơ bản là: chế độ phân tầng (stratified), chế độ đồng nhất (homogeneous) và chế độ đồng nhất loãng (homogeneous lean). Hộp đen của xe sẽ lựa chọn một trong 3 chế độ trên bằng cách xác định tỷ lệ hòa khí, tỉ lệ hòa khí cân bằng ở động cơ xăng là 14,7:1 (λ=1). Tuy nhiên, khi ở chế độ phân tầng, tỉ lệ hòa khí lên tới 65:1, từ đó giúp tiết kiệm xăng. Vậy, có thể thấy GDI hoạt động ở nhiều chế độ khác nhau tùy thuộc vào tốc độ động cơ và tải giúp tạo sự ổn định, hiệu quả cho quá trình làm việc của động cơ.
Ưu, nhược điểm của hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp GDI (cụ thể là phun xăng)
Với các yêu cầu khắt khe về khí thải và mục đích tiết kiệm nhiên liệu, hệ thống GDI sử dụng công nghệ phun xăng tiên tiến, hiện tại có nhiều ưu điểm như:
✔ Tiết kiệm nhiên liệu: Với tỉ lệ hòa khí A/F ở chế độ nạp đồng nhất tới ngưỡng lý tưởng là 14,7:1 và loãng hơn ở chế độ nạp phân tầng khoảng 65:1. Điều này đảm bảo động cơ cháy sạch, tiết kiệm nhiên liệu đến 15% so với các hệ thống phun xăng khác.
✔ Giảm thiểu khí thải gây ô nhiễm môi trường:
Nhằm giảm thiểu gánh nặng từ khí thải ô tô với môi trường, từ nằm 1970 đến nay, Liên minh Châu Âu đã thông qua 6 tiêu chuẩn khí thải Euro nghiêm ngặt. Với ưu điểm giảm khí thải do việc phun đủ và cháy sạch, GDI được các hãng sản xuất ô tô lựa chọn và trang bị trên nhiều dòng xe hiện đại.
Thực tế vận hành dòng xe trang bị hệ thống phun xăng GDI cho thấy, ở chế độ nạp đồng nhất, tỉ lệ hòa khí A/F cân bằng ít thải khí Nox. Còn ở chế độ nạp phân tầng, khí Nox xuất hiện nhiều hơn những van luân hồi khí xả EGR được hệ thống kích hoạt kịp thời đã giúp giảm lượng khí thải độc hại này ra môi trường.
✔ Tăng công suất động cơ mặc dù dung tích không thay đổi
So với động cơ phun xăng thông thường cùng dung tích, hệ thống GDI đạt tỉ suất nén cao hơn 10%. Khi tỉ suất nén tăng, áp suất nén của động cơ cũng tăng theo, giúp xe vận hành mạnh mẽ hơn. Ví dụ như động cơ 2GR-FE và 2GR-FSE cùng dung tích 3.5L nhưng động cơ FSE sử dụng GDI cho ra 300+HP, trong khi động cơ FE chỉ khoảng 280+HP.
Bên cạnh những ưu điểm vượt trội của GDI, hệ thống này vẫn chưa phải là hệ thống hoàn thiện nhất vì vẫn còn một số nhược điểm:
- Với bản chất là phun trực tiếp nhiên liệu vào buồng đốt không qua van hút, nên van hút (xupap nạp) chí có không khí đi qua mà không có xăng hay dầu đi cùng, do đó van dễ bị đóng bụi, cặn carbon, nhất là sau khoảng 90-100.000km. Điều này có thể dẫn đến hao xăng và giảm công suất máy vì lượng khí nạp bị ảnh hưởng, thiếu hụt,… Đây cũng chính là nhược điểm lớn nhất của GDI
- Với việc bố trí phun trực tiếp nên cần sử dụng bơm cao áp thay vì chỉ cần bơm xăng như hệ thống EFI, do đó kết cấu GDI phức tạp hơn, đồng nghĩa với việc bảo dưỡng cũng sẽ phức tạp hơn và chi phí cao hơn.
Một số cách khắc phục:
Thông thường biện pháp khắc phục sẽ là tháo dỡ chi tiết và vệ sinh thủ công. Đồng thời bạn cần thường xuyên đem xe đi bảo dưỡng để đảm bảo hiệu quả và an toàn.
Hiện nay với công nghệ tiên tiến và ngày càng phát triển, thì ta không nhất thiết phải tháo hết các chi tiết ra để vệ sinh thủ công nếu tình trạng của nó không quá nặng. Chúng tôi có thể giới thiệu với các bạn một trong những phương pháp phổ biến hiện nay với mức độ làm sạch đến 99,99% cặn bẩn và ngăn ngừa được sự hình thành cặn và vi khuẩn thêm một thời gian sau khi vệ sinh mà không cần phải tháo dỡ bộ phận, giúp tiết kiệm chi phí, thời gian và nhân lực.
Sử dụng dung dịch vệ sinh xupap hoặc phụ gia vệ sinh kim phun,… từ nhãn hiệu TUNAP – nhãn hiệu đến từ Đức, đã được chứng nhận về tiêu chuẩn khí thải Euro 4,5 và 6 trên một số động cơ. Các bạn có thể tham khảo thông tin tại website: https://tunapvietnam.com/, tại đây có rất nhiều sản phẩm chuyên vệ sinh, chăm sóc động cơ, ngoại – nội thất,… liên quan đến chăm sóc ô tô của bạn. Đây cũng là nhà phân phối độc quyền tại Việt Nam, vì vậy hãy lưu ý khi lựa chọn các sản phẩm chăm sóc ô tô nhé.
Mặc dù hệ thống phun xăng trực tiếp được ứng dụng trong nhiều thập kỷ và không ngừng được cải tiến. Đến nay, hệ thống này vẫn được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp ô tô với những dòng xe đạt hiệu suất động cơ cao và tiết kiệm nhiên liệu. Nổi bật như hai dòng xe VinFast Lux SA2.0 và Lux A2.0 được trang bị hệ thống phun xăng trực tiếp cao cấp, nâng cao hiệu quả hoạt động cũng như đảm bảo quá trình vận hành trơn tru, an toàn.
Ngoài ra, do 1 số nhược điểm như trên, mà các hãng xe hơi đã làm ra loại động cơ kết hợp cả 2 loại phun xăng vào trong 1 máy. Có thể nhắc đến công nghệ D-4S của hãng Toyota, tuy nhiên giá thành cao cùng việc bảo dưỡng, sửa chữa phức tạp hơn là điều hiển nhiên.
Bạn có thể tìm hiểu thêm
Cách hoạt động cơ bản hệ thống phun nhiên liệu đa điểm MPFI
Cách hoạt động cơ bản hệ thống phun nhiên liệu thân bướm ga
Tại sao cần phải vệ sinh kim phun động cơ ô tô?
TUNAP Service – Quy trình bảo dưỡng kim phun nhiên liệu buồng đốt chuyên sâu theo tiêu chuẩn khí thải Euro 6
Nguồn tham khảo: vinfastauto, tunapvietnam
