1 Các yêu cầu cơ bản của buồng cháy GDI:
Hệ thống buồng cháy của động cơ GDI hoàn thiện phải đảm bảo được cả 2 yếu tố:
- Tạo hỗn hợp đồng nhất và phân lớp, giữa các lớp không có đường chuyển tiếp.
- Tạo được một vùng hỗn hợp đậm (dễ cháy) xung quanh bougie và phải đúng ngay thời điểm đánh lửa của động cơ.
Để thỏa mãn 2 yêu cầu trên, người ta đưa ra một số kiểu buồng đốt kết hợp với việc đặt kim phun và bougie:
2 Vị trí đặt kim phun và bougie:
Mối quan hệ giữa vị trí kim phun và bougie trong buồng đốt động cơ GDI là hết sức quan trọng để tạo nên tâm cháy trong kỳ cháy của động cơ. Đặt trưng quá trình nạp của động cơ GDI ở tải nhỏ là tạo hỗn hợp nghèo và phân lớp, vì vậy cần phải bố trí kim phun và bougie sao cho hướng dòng nhiên liệu vào đỉnh đầu bougie để tạo nên hỗn hợp đậm khu vực xung quanh đỉnh bougie trong thời điểm đánh lửa. Nếu đặt kim phun quá xa bougie, khu vực xung quanh bougie tại thời điểm đánh lửa mà hỗn hợp nghèo thì khó hình thành tâm cháy và mở rộng vùng cháy (hình 2a). Tuy nhiên, nếu bố trí kim phun gần bougie thì sẽ tạo được hỗn hợp đậm đặt xung quanh bugi nhưng do dòng nhiên liệu phun ra từ kim có thể làm đầu bougie ẩm ướt nhiên liệu và cũng chính lý do này sẽ làm bougie không thể tạo tia lửa trong thời điểm đánh lửa (hình 2b).
3 Các phương pháp tạo hỗn hợp phân lớp trong buồng đốt động cơ GDI:
Về cơ bản, động cơ GDI tạo hỗn hợp phân lớp nghèo khi hoạt động ở mức tải nhỏ. Để tạo một hỗn hợp phân lớp nghèo nhưng khu vực xung quanh bougie hỗn hợp đậm đặc để có thể cháy được trong thời điểm đánh lửa, hệ thống buồng đốt động cơ GDI có thể thực thiện theo 3 phương án sau:
- Bố trí kim phun để hướng dòng nhiên liệu vào đỉnh bougie (Spray – Guide) (hình 3a).
- Hướng dòng nhiên liệu vào đỉnh bougie bằng hình dạng đỉnh piston (Wall – Guide) (hình 3b).
- Hướng dòng nhiên liệu vào đỉnh bougie bằng chuyển động của dòng không khí nạp vào (Air – Guide) (hình 3c).
Buồng đốt loại này được tìm ra sớm nhất ứng dụng nạp trực tiếp hỗn hợp phân lớp (DISC) cho động cơ GDI. Nó được Ford PROCO (Ford programmed combustion control system) kiểm nghiệm và kết luận là đạt được sự cháy nghèo với hỗn hợp nạp phân lớp khi bố trí kim phun và bougie hợp lý. Ơ buồng cháy này, việc tạo được hỗn hợp phân lớp cần phải có sự kết hợp giữa hình dạng đỉnh piston (hình 3a), sự chuyển động của piston và của dòng không khí nạp vào chuyển động rối, tại thời điểm phun nhiên liệu được phun vào sẽ bốc hơi nhanh chống hoà trộn cùng với dòng khí như hình 4. Với phương pháp này sẽ tạo ra hỗn hợp phân lớp nghèo khi động cơ hoạt động chế độ tải nhỏ, động cơ có thể hoạt động khi tỷ lệ l » 8.0 nên tiết kiệm đáng kể lượng nhiên liệu tiêu thụ ở chế độ này.
Với cách bố trí bougie và kim phun như trên gây khó khăn cho việc thiết kế và chế tạo culasse. Vì với động cơ có 4 soupape/1cylindre thì bố trí kim phun và bougie để thỏa mãn điều kiện nêu trên thì rất khó khăn. Người ta đưa ra một số cách bố trí soupape, bougie, kim phun như sau:
[FONT="]
[/FONT] b. Hệ thống buồng đốt kiểu Wall – Guide:
Để khắc phục tình trạng bougie bị ướt của buồng đốt Spray – Guide, hệ thống buồng đốt này không hướng kim phun dòng nhiên liệu trực tiếp vào bougie mà nhiên liệu được phun vào chỏm của đỉnh piston (hình 2.4 – 10), tại đây nhiên liệu được bốc hơi nhanh chóng nhờ vào nhiệt độ cao của đỉnh piston, sau đó dòng hỗn hợp này sẽ được dẫn hướng đến đỉnh của bougie.
[/FONT] c. Hệ thống buồng đốt kiểu Air – Guide:
Hệ thống buồng đốt Air – Guide lợi dụng chuyển động của dòng không khí trong cylindre nhiên liệu được phun vào sẽ chuyển động theo và bốc hơi. Bougie được bố trí ngay trung tâm buồng đốt và kim phun được bố trí ngay soupape nạp, nhờ sự cuộn xoáy của dòng khí nên dòng hỗn hợp được tạo ra ngay trung tâm đậm đặc hơn thuận lợi cho sự cháy (hình 12). Với kiểu buồng đốt này, kim phun ít chịu tác động của khí cháy vì không bố trí trực tiếp.
[/FONT] 4 Các kiểu buồng đốt đầu tiên của động cơ GDI:
- Hệ thống buồng đốt MAN – FM như hình 1 là mẫu đầu tiên được các nhà nghiên cứu thiết kế đầu tiên.
- Hệ thống buồng đốt của Benz 300SL đầu tiên của Mercedes vào năm 1954 (hình 12).
[/FONT] - Hệ thống buồng đốt MCP (Mitsubishi Combustion Process) và IH – White (International Harvester and White Motors system) vào những năm 1970 (hình 2.4 – 16 a&b).
Hệ thống buồng cháy của động cơ GDI hoàn thiện phải đảm bảo được cả 2 yếu tố:
- Tạo hỗn hợp đồng nhất và phân lớp, giữa các lớp không có đường chuyển tiếp.
- Tạo được một vùng hỗn hợp đậm (dễ cháy) xung quanh bougie và phải đúng ngay thời điểm đánh lửa của động cơ.
Để thỏa mãn 2 yêu cầu trên, người ta đưa ra một số kiểu buồng đốt kết hợp với việc đặt kim phun và bougie:
Hình 1 Các dạng cơ bản của buồng đốt GDI.
Với các dạng buồng đốt như hình 1, nhiên liệu phun ra nhờ sự cuộn xoáy, nhào trộn của dòng không khí và hình dạng của buồng đốt sẽ bốc hơi và hoà trộn nhanh chóng. Đối với dạng buồng đốt hình 1a, kim phun được đặt ngay giữa trung tâm, vị trí của bougie được bố trí như hình trên. Với cách bố trí này, khi nhiên liệu phun vào sẽ đảm bảo được tỷ lệ A/F xung quanh bugi có thể cháy được. Cách bố trí thứ 2, bougie được đặt ngay trung tâm kim phun được bố trí sao cho dòng nhiên liệu khi phun vào giai đoạn đầu sẽ bốc hơi tạo hỗn hợp đồng nhất, giai đoạn sau khi piston lên gần điểm chết trên sẽ cuộn xoáy theo biên dạng của buồng cháy và tạo ra hỗn hợp đậm xung quanh đỉnh bougie như hình 1b. Tương tự, kiểu buồng đốt hình 1c,d cũng tạo ra hỗn hợp như trên nhưng kim phun và bougie được bố trí trong phạm vi chỏm của buồng đốt (piston hoặc culasse) dựa vào biên dạng này để tạo ra hỗn hợp đậm xung quanh đầu bougie.2 Vị trí đặt kim phun và bougie:
Mối quan hệ giữa vị trí kim phun và bougie trong buồng đốt động cơ GDI là hết sức quan trọng để tạo nên tâm cháy trong kỳ cháy của động cơ. Đặt trưng quá trình nạp của động cơ GDI ở tải nhỏ là tạo hỗn hợp nghèo và phân lớp, vì vậy cần phải bố trí kim phun và bougie sao cho hướng dòng nhiên liệu vào đỉnh đầu bougie để tạo nên hỗn hợp đậm khu vực xung quanh đỉnh bougie trong thời điểm đánh lửa. Nếu đặt kim phun quá xa bougie, khu vực xung quanh bougie tại thời điểm đánh lửa mà hỗn hợp nghèo thì khó hình thành tâm cháy và mở rộng vùng cháy (hình 2a). Tuy nhiên, nếu bố trí kim phun gần bougie thì sẽ tạo được hỗn hợp đậm đặt xung quanh bugi nhưng do dòng nhiên liệu phun ra từ kim có thể làm đầu bougie ẩm ướt nhiên liệu và cũng chính lý do này sẽ làm bougie không thể tạo tia lửa trong thời điểm đánh lửa (hình 2b).
Hình 2 Mối quan hệ giữa vị trí kim phun và bougie trong buồng đốt động cơ GDI.
Vì vậy khi thiết kế buồng cháy, cần tính toán dòng nhiên liệu do kim phun phun vào buồng cháy và tia lửa điện do bougie phát ra để có thể tính toán bố trí kim phun và bougie hợp lý.3 Các phương pháp tạo hỗn hợp phân lớp trong buồng đốt động cơ GDI:
Về cơ bản, động cơ GDI tạo hỗn hợp phân lớp nghèo khi hoạt động ở mức tải nhỏ. Để tạo một hỗn hợp phân lớp nghèo nhưng khu vực xung quanh bougie hỗn hợp đậm đặc để có thể cháy được trong thời điểm đánh lửa, hệ thống buồng đốt động cơ GDI có thể thực thiện theo 3 phương án sau:
- Bố trí kim phun để hướng dòng nhiên liệu vào đỉnh bougie (Spray – Guide) (hình 3a).
- Hướng dòng nhiên liệu vào đỉnh bougie bằng hình dạng đỉnh piston (Wall – Guide) (hình 3b).
- Hướng dòng nhiên liệu vào đỉnh bougie bằng chuyển động của dòng không khí nạp vào (Air – Guide) (hình 3c).
Hình 3 Sơ đồ các dạng buồng đốt tạo hỗn hợp phân lớp ở động cơ GDI.
a. Hệ thống buồng đốt kiểu Spray – Guide:Buồng đốt loại này được tìm ra sớm nhất ứng dụng nạp trực tiếp hỗn hợp phân lớp (DISC) cho động cơ GDI. Nó được Ford PROCO (Ford programmed combustion control system) kiểm nghiệm và kết luận là đạt được sự cháy nghèo với hỗn hợp nạp phân lớp khi bố trí kim phun và bougie hợp lý. Ơ buồng cháy này, việc tạo được hỗn hợp phân lớp cần phải có sự kết hợp giữa hình dạng đỉnh piston (hình 3a), sự chuyển động của piston và của dòng không khí nạp vào chuyển động rối, tại thời điểm phun nhiên liệu được phun vào sẽ bốc hơi nhanh chống hoà trộn cùng với dòng khí như hình 4. Với phương pháp này sẽ tạo ra hỗn hợp phân lớp nghèo khi động cơ hoạt động chế độ tải nhỏ, động cơ có thể hoạt động khi tỷ lệ l » 8.0 nên tiết kiệm đáng kể lượng nhiên liệu tiêu thụ ở chế độ này.
Hình 4 Sơ đồ chuyển động dòng khí nạp vào của buồng cháy Spray – Guide.
Theo thực nghiệm, vị trí đặt kim phun được đặt gần trung tâm của buồng đốt và bougie nằm trong phạm vi được giới hạn bởi hình nón của đỉnh piston (hình 5).
Hình 5 Vị trí của kim phun và bougie trong kiểu buồng đốt Spray – Guide.
Tuy nhiên, nhược điểm của việc bố trí kim phun và bougie như trên là trong quá trình phun nhiên liệu vào các hạt nhiên liệu có thể làm ướt bougie và làm cho bougie không thể đánh lửa để đốt cháy hỗn hợp. Với kết cấu đỉnh piston như trên ảnh hưởng đến áp suất trong buồng cháy của động cơ, có thể động cơ không nổ trong một số chu trình làm việc và sẽ ảnh hưởng đến công suất phát ra.Với cách bố trí bougie và kim phun như trên gây khó khăn cho việc thiết kế và chế tạo culasse. Vì với động cơ có 4 soupape/1cylindre thì bố trí kim phun và bougie để thỏa mãn điều kiện nêu trên thì rất khó khăn. Người ta đưa ra một số cách bố trí soupape, bougie, kim phun như sau:
Hình 6 Sơ đồ bố trí buồng cháy động cơ GDI kim phun, bougie, 3 soupape.
Hình 7 Sơ đồ bố trí buồng cháy động cơ GDI kim phun, bougie, 4 soupape.
Xe đầu tiên sử dụng động cơ GDI kiểu hệ thống buồng đốt loại này được Renault sản xuất (hệ thống buồng đốt như hình 8).
Hình 8 Hệ thống buồng đốt kiểu Spray – Guide của Renault.
Tuy nhiên, với hệ thống buồng đốt này, Renault thiết kế chủ yếu để tạo ra hỗn hợp đồng nhất với tỷ lệ hoà khí chính xác cho bộ xúc tác 3 chức năng hoạt động tốt nhất.[FONT="]
[/FONT] b. Hệ thống buồng đốt kiểu Wall – Guide:
Để khắc phục tình trạng bougie bị ướt của buồng đốt Spray – Guide, hệ thống buồng đốt này không hướng kim phun dòng nhiên liệu trực tiếp vào bougie mà nhiên liệu được phun vào chỏm của đỉnh piston (hình 2.4 – 10), tại đây nhiên liệu được bốc hơi nhanh chóng nhờ vào nhiệt độ cao của đỉnh piston, sau đó dòng hỗn hợp này sẽ được dẫn hướng đến đỉnh của bougie.
Hình 10 Kết cấu buồng đốt Wall – Guide.
Với kiểu buồng đốt này bougie được bố trí ngay trung tâm, đối với trường hợp động cơ sử dụng 2 ống nạp cho 2 soupape nạp kim phun được bố trí như hình 11a và 1 ống nạp cho 2 soupape nạp như hình 11b.
Hình 11 Sơ đồ bố trí kim phun và bougie của buồng đốt Wall – Guide.
[FONT="][/FONT] c. Hệ thống buồng đốt kiểu Air – Guide:
Hệ thống buồng đốt Air – Guide lợi dụng chuyển động của dòng không khí trong cylindre nhiên liệu được phun vào sẽ chuyển động theo và bốc hơi. Bougie được bố trí ngay trung tâm buồng đốt và kim phun được bố trí ngay soupape nạp, nhờ sự cuộn xoáy của dòng khí nên dòng hỗn hợp được tạo ra ngay trung tâm đậm đặc hơn thuận lợi cho sự cháy (hình 12). Với kiểu buồng đốt này, kim phun ít chịu tác động của khí cháy vì không bố trí trực tiếp.
Hình 12 Kết cấu buồng đốt kiểu Air – Guide.
[FONT="][/FONT] 4 Các kiểu buồng đốt đầu tiên của động cơ GDI:
- Hệ thống buồng đốt MAN – FM như hình 1 là mẫu đầu tiên được các nhà nghiên cứu thiết kế đầu tiên.
- Hệ thống buồng đốt của Benz 300SL đầu tiên của Mercedes vào năm 1954 (hình 12).
Hình 13 Kết cấu buồng đốt Benz 300SL.
- Honda với kiểu buồng cháy xoáy lốc CVCC (Honda compound vortex combustion chamber) như hình 14. Buồng đốt này không nạp nhiên liệu trực tiếp vào buồng đốt nhưng nó tiền đề cho việc thiết kế các buồng đốt sau này.
Hình 14 Kết cấu buồng đốt của Honda CVCC.
- Vào những năm 1970 – 1979, PROCO và TCCS cũng có các buồng đốt kiểu Spray – Guide như hình 15 a&b.
Hình 15 Kết cấu buồng đốt PROCO (a) & TCCS (b).
[FONT="][/FONT] - Hệ thống buồng đốt MCP (Mitsubishi Combustion Process) và IH – White (International Harvester and White Motors system) vào những năm 1970 (hình 2.4 – 16 a&b).
Hình 16 Kết cấu buồng đốt MCP (a) và IH – White (b).
