Phun nhiên liệu là việc đưa nhiên liệu vào động cơ đốt trong, thông thường nhất là động cơ ô tô, bằng kim phun. Bài viết này tập trung nghiên cứu vấn đề phun nhiên liệu trong động cơ pittông pittông và động cơ quay Wankel.
Tất cả các động cơ đánh lửa do nén (ví dụ: động cơ diesel) và nhiều động cơ đánh lửa (tức là động cơ xăng (xăng), chẳng hạn như Otto hoặc Wankel), đều sử dụng loại phun nhiên liệu này hoặc loại khác. Động cơ diesel sản xuất hàng loạt cho xe ô tô chở khách (như Mercedes-Benz OM 138) đã có mặt vào cuối những năm 1930 và đầu những năm 1940, là động cơ phun nhiên liệu đầu tiên dành cho xe ô tô chở khách. Trong động cơ xăng của xe ô tô chở khách, phun nhiên liệu đã được giới thiệu vào đầu những năm 1950 và dần trở nên phổ biến cho đến khi nó thay thế phần lớn bộ chế hòa khí vào đầu những năm 1990. Sự khác biệt chính giữa chế hòa khí và phun nhiên liệu là phun nhiên liệu phun sương nhiên liệu thông qua một vòi phun nhỏ dưới áp suất cao, trong khi chế hòa khí dựa vào lực hút được tạo ra bởi không khí nạp được tăng tốc qua ống Venturi để đưa nhiên liệu vào luồng khí.
Thuật ngữ “phun nhiên liệu” rất mơ hồ và bao gồm nhiều hệ thống riêng biệt với các nguyên tắc chức năng cơ bản khác nhau. Thông thường, điểm chung duy nhất của tất cả các hệ thống phun nhiên liệu là không có chế hòa khí. Có hai nguyên tắc chức năng chính của hệ thống tạo hỗn hợp cho động cơ đốt trong: tạo hỗn hợp bên trong và tạo hỗn hợp bên ngoài. Hệ thống phun nhiên liệu tạo hỗn hợp bên ngoài được gọi là hệ thống phun ống góp nạp (manifold). Có hai loại hệ thống phun ống góp nạp: phun đa điểm (hoặc phun cổng) và phun một điểm (hoặc phun thân ga). Hệ thống tạo hỗn hợp bên trong có thể được chia thành nhiều loại phun trực tiếp và gián tiếp khác nhau, phổ biến nhất là hệ thống phun common-rail, một loại phun trực tiếp. Thuật ngữ “phun nhiên liệu điện tử” dùng để chỉ bất kỳ hệ thống phun nhiên liệu nào được điều khiển bởi một bộ phận điều khiển động cơ.
Chức năng hệ thống
Nén nhiên liệu
Phun nhiên liệu được thực hiện bằng cách phun nhiên liệu có áp suất vào động cơ. Do đó, cần có một thiết bị để tạo áp suất cho nhiên liệu, chẳng hạn như bơm nhiên liệu.
Định lượng nhiên liệu
Hệ thống phải xác định lượng nhiên liệu thích hợp cần cung cấp và kiểm soát lưu lượng nhiên liệu để cung cấp lượng này.
Một số hệ thống phun cơ học ban đầu sử dụng bơm phun điều khiển xoắn ốc tương đối tinh vi, vừa đo nhiên liệu vừa tạo áp suất phun. Từ những năm 1980, các hệ thống điện tử đã được sử dụng để kiểm soát việc đo nhiên liệu. Các hệ thống gần đây hơn sử dụng bộ điều khiển động cơ điện tử để đo nhiên liệu, kiểm soát thời điểm đánh lửa và kiểm soát nhiều chức năng khác của động cơ.
Phun nhiên liệu
Kim phun nhiên liệu thực chất là một vòi phun thực hiện giai đoạn cuối cùng trong quá trình cung cấp nhiên liệu vào động cơ. Kim phun nằm trong buồng đốt, ống góp nạp hoặc – ít phổ biến hơn – thân bướm ga.
Kim phun nhiên liệu cũng kiểm soát việc đo lường được gọi là “van phun”, với kim phun thực hiện cả ba chức năng được gọi là đơn vị kim phun.
Hệ thống phun trực tiếp
Phun trực tiếp có nghĩa là nhiên liệu được phun vào buồng đốt chính của mỗi xi-lanh. Không khí và nhiên liệu chỉ được hòa trộn bên trong buồng đốt. Do đó, chỉ có không khí được hút vào động cơ trong quá trình nạp. Sơ đồ phun luôn là gián đoạn (hoặc tuần tự hoặc riêng lẻ từng xi-lanh).
Việc phun nhiên liệu có thể được thực hiện bằng luồng khí hoặc thủy lực, phương pháp thủy lực phổ biến hơn ở động cơ ô tô. Thông thường, hệ thống phun trực tiếp thủy lực phun nhiên liệu vào không khí bên trong xi lanh hoặc buồng đốt. Việc phun trực tiếp có thể đạt được bằng bơm phun điều khiển bằng xoắn ốc thông thường (helix), kim phun đơn vị (unit injector) hoặc hệ thống phun common-rail. Hệ thống unit injector là hệ thống phổ biến nhất trong động cơ ô tô hiện đại.
Phun trực tiếp cho động cơ xăng
Trong thế kỷ 20, hầu hết các động cơ xăng đều sử dụng bộ chế hòa khí hoặc phun nhiên liệu gián tiếp. Việc sử dụng phun trực tiếp trong động cơ xăng ngày càng trở nên phổ biến trong thế kỷ 21.
Hệ thống phun common-rail
Trong hệ thống common rail, nhiên liệu từ bình nhiên liệu được cung cấp đến một ống góp chung (gọi là buồng tích áp), sau đó được đưa qua ống đến các kim phun, phun vào buồng đốt. Buồng tích áp có van xả áp suất cao để duy trì áp suất và đưa nhiên liệu dư trở lại bình nhiên liệu. Nhiên liệu được phun nhờ sự hỗ trợ của một vòi phun được mở và đóng bằng van kim hoạt động bằng điện từ. Động cơ diesel common rail thế hệ thứ ba sử dụng kim phun áp điện (piezoelectric) để tăng độ chính xác, với áp suất nhiên liệu lên đến 300 MPa hoặc 44.000 psi.
Hệ thống phun đơn vị
Được sử dụng bởi động cơ diesel, các hệ thống này bao gồm Pumpe-Düse và Pump-rail-nozzle
Hệ thống bơm điều khiển xoắn ốc – Helix-controlled
Phương pháp phun này trước đây đã được sử dụng trong nhiều động cơ diesel. Các loại hệ thống bao gồm:
- Phun trực tiếp Lanova.
- Phun buồng sau.
- G-System (buồng đốt cầu).
- Hệ thống Gardner (buồng đốt hình bán cầu).
- Hệ thống Saurer (buồng đốt hình xuyến).
- Piston phẳng (buồng đốt giữa piston và đầu xi lanh).
Hệ thống phun thổi khí (Air-blast)
Phun khí nén là một hệ thống phun trực tiếp mang tính lịch sử dành cho động cơ Diesel. Không giống như các thiết kế hiện đại, động cơ Diesel phun khí không có bơm phun. Thay vào đó, một bơm nhiên liệu áp suất thấp đơn giản được sử dụng để cung cấp nhiên liệu cho vòi phun. Khi phun, luồng khí nén sẽ đẩy nhiên liệu vào buồng đốt, do đó có tên là phun khí nén hoặc thổi khí Air-blast. Khí nén đến từ các bình khí nén cung cấp cho vòi phun.
Hệ thống khác
Hệ thống M, được sử dụng trong một số động cơ diesel từ những năm 1960 đến những năm 1980, phun nhiên liệu vào thành buồng đốt, trái ngược với hầu hết các hệ thống phun trực tiếp khác phun nhiên liệu vào giữa buồng.
Hệ thống phun gián tiếp
Phun ống góp nạp
Hệ thống phun ống góp phổ biến trong các động cơ chạy bằng xăng như động cơ Otto và động cơ Wankel. Trong hệ thống phun ống góp, không khí và nhiên liệu được trộn bên ngoài buồng đốt để hỗn hợp không khí và nhiên liệu được hút vào động cơ. Các loại chính của hệ thống phun ống góp là phun đa điểm và phun một điểm.
Các hệ thống này sử dụng thiết kế phun liên tục hoặc phun ngắt quãng. Trong hệ thống phun liên tục, nhiên liệu luôn chảy từ các kim phun nhiên liệu, nhưng với lưu lượng thay đổi. Hệ thống phun liên tục ô tô phổ biến nhất là hệ thống Bosch K-Jetronic, được giới thiệu vào năm 1974 và được nhiều nhà sản xuất ô tô sử dụng cho đến giữa những năm 1990. Hệ thống phun ngắt quãng có thể là tuần tự, trong đó phun được định thời gian trùng với kỳ nạp của mỗi xi-lanh; theo đợt, trong đó nhiên liệu được phun vào các xi lanh theo nhóm mà không có sự đồng bộ chính xác với hành trình nạp của bất kỳ xi lanh cụ thể nào; đồng thời, trong đó nhiên liệu được phun cùng lúc vào tất cả các xi-lanh; hoặc từng xi-lanh, trong đó bộ điều khiển động cơ có thể điều chỉnh lượng phun cho từng xi-lanh riêng lẻ.
Phun đa điểm (Multi-point)
Hệ thống phun đa điểm (còn được gọi là ‘phun cổng’) phun nhiên liệu vào các cổng nạp ngay phía trước van nạp của mỗi xi-lanh, thay vì tại điểm trung tâm trong đường ống nạp. Thông thường, hệ thống phun đa điểm sử dụng nhiều kim phun nhiên liệu, nhưng một số hệ thống, chẳng hạn như hệ thống phun cổng trung tâm của GM, sử dụng các ống có van poppet được cung cấp bởi một kim phun trung tâm thay vì nhiều kim phun.
Phun đơn điểm (Single-point)
Phun một điểm (còn gọi là ‘phun thân ga’) sử dụng một kim phun trong thân ga được gắn tương tự như bộ chế hòa khí trên ống nạp. Giống như trong hệ thống nạp chế hòa khí, nhiên liệu được trộn với không khí trước khi vào ống nạp. Phun một điểm là một cách tương đối tiết kiệm chi phí để các nhà sản xuất ô tô giảm lượng khí thải nhằm tuân thủ các quy định chặt chẽ hơn trong khi vẫn mang lại “khả năng lái” tốt hơn (khởi động dễ dàng, chạy êm, động cơ không bị giật) so với bộ chế hòa khí. Nhiều bộ phận hỗ trợ của bộ chế hòa khí — chẳng hạn như bộ lọc không khí, đường ống nạp và đường dẫn nhiên liệu — có thể được sử dụng mà không cần thay đổi nhiều hoặc ít. Điều này đã trì hoãn việc thiết kế lại và chi phí chế tạo các bộ phận này. Phun một điểm được sử dụng rộng rãi trên xe ô tô chở khách và xe tải nhẹ do Mỹ sản xuất trong giai đoạn 1980–1995 và trên một số xe ô tô châu Âu vào đầu và giữa những năm 1990. Tại Hoa Kỳ, động cơ G10 trong xe Chevrolet Metro đời 2000 đã trở thành động cơ cuối cùng được trang bị trên xe bán tại Mỹ sử dụng hệ thống phun nhiên liệu qua thân ga.
Động cơ diesel
Trong động cơ diesel phun gián tiếp (cũng như động cơ Akroyd), có hai buồng đốt: buồng đốt chính và buồng đốt trước được kết nối với buồng đốt chính. Nhiên liệu chỉ được phun vào buồng đốt trước (nơi bắt đầu cháy) chứ không được phun trực tiếp vào buồng đốt chính. Do đó, nguyên lý này được gọi là phun gián tiếp. Tồn tại một số hệ thống phun gián tiếp hơi khác nhau nhưng có những đặc điểm tương tự.
Các loại phun gián tiếp được động cơ diesel sử dụng bao gồm:
- Phun buồng đốt trước.
- Phun buồng tế bào khí.
Phun bầu nóng (Hot-bulb)
Động cơ bầu nóng (hot-bulb), còn được gọi là động cơ semi-diesel, là một loại động cơ đốt trong trong đó nhiên liệu bắt lửa bằng cách tiếp xúc với bề mặt kim loại nóng đỏ bên trong bầu nóng (hot-bulb), sau đó không khí (oxy) được nén vào buồng hot-bulb bằng piston đang đi lên. Có một số tia lửa bốc lên khi nhiên liệu được đưa vào, nhưng nó nhanh chóng sử dụng hết lượng oxy có sẵn trong hot-bulb. Đánh lửa mạnh chỉ diễn ra khi đủ oxy được cung cấp cho buồng hot-bulb trong quá trình nén của động cơ.
