Tính toán lượng nhiên liệu phun trên động cơ GDI

Công thức cơ bản để tính lượng nhiên liệu là:

m_f = m_a/AFR

Trong đó:

m_f: Khối lượng nhiên liệu phun vào mỗi xi-lanh mỗi chu kỳ (thường tính bằng miligam – mg/xi-lanh/chu kỳ). Đây là lượng xăng cần phun để cháy đúng cách.

m_a: Khối lượng không khí nạp vào mỗi xi-lanh mỗi chu kỳ (mg/xi-lanh/chu kỳ). Đây là lượng không khí mà động cơ “hút” vào để trộn với xăng.

AFR: Tỷ lệ không khí-nhiên liệu (Air-Fuel Ratio), thường là 14.7:1 cho xăng thông thường (stoichiometric ratio – tỷ lệ cân bằng hóa học). Nghĩa là cần 14.7 kg không khí để đốt cháy hoàn toàn 1 kg xăng, giúp giảm khí thải tối đa.

Công thức này dựa trên nguyên lý cân bằng khối lượng trong buồng đốt: lượng xăng phải khớp với lượng không khí để cháy hiệu quả. Nếu AFR quá cao (hỗn hợp nghèo – lean, ví dụ >16:1), động cơ tiết kiệm xăng hơn nhưng có thể chạy giật, tăng nhiệt độ và gây kích nổ (knock – nổ sớm do nhiệt cao). Ngược lại, nếu AFR quá thấp (hỗn hợp giàu – rich, ví dụ <12:1), công suất tăng nhưng tốn xăng hơn và khí thải NOx cao. ECU điều chỉnh AFR động dựa trên tình huống (tải trọng, tốc độ, nhiệt độ), sử dụng Fuel Map (bản đồ nhiên liệu – một bảng dữ liệu 2D hoặc 3D trong ECU) để tra cứu giá trị, rồi tinh chỉnh qua vòng kín (closed-loop) với cảm biến oxy (lambda sensor) để đo AFR thực tế và bù trừ (như STFT – Short Term Fuel Trim cho điều chỉnh ngắn hạn, LTFT cho dài hạn).

Tính lượng nhiên liệu cho Direct Injection (DI), còn gọi là GDI (Gasoline Direct Injection), là công nghệ phun xăng tiên tiến hơn so với Port Injection (PI). Trong DI, xăng được phun trực tiếp vào buồng đốt (cylinder) với áp suất rất cao, thường từ 50 đến 350 bar (cao gấp 10-100 lần so với PI). Điều này giúp ECU kiểm soát lượng xăng chính xác hơn, tạo ra hỗn hợp không khí-xăng tốt hơn, dẫn đến hiệu suất cao hơn, tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải. Ví dụ, DI có thể hỗ trợ chế độ “lean-burn” (hỗn hợp nghèo, AFR lên đến 20:1 hoặc cao hơn) hoặc “stratified charge” (hỗn hợp phân tầng, nơi xăng tập trung quanh bugi để dễ cháy, trong khi phần còn lại nghèo hơn).

Khối lượng không khí nạp m_a, (mg/xi-lanh/chu kỳ) là nền tảng để tính lượng xăng. Cách tính giống PI, chủ yếu dùng MAF (đo trực tiếp lưu lượng khí) hoặc MAP (tính gián tiếp từ áp suất).

a-Sử dụng MAF hoặc MAP: Công thức tổng quát cho lưu lượng khí tổng dot{m}_a (kg/s):

dot{m}_a = V_d*rho_a*eta_v*RPM/120

(Giải thích: 120 = 2 × 60, vì động cơ 4 kỳ nạp khí mỗi 2 vòng quay, chuyển phút sang giây).

Sau đó, tính m_a cho mỗi xi-lanh/chu kỳ:

m_a = dot{m}_a*RPM*Z/120

(Z: số xi-lanh).

-Điểm khác biệt ở DI: Hệ thống tận dụng thêm cảm biến áp suất buồng đốt (in-cylinder pressure sensor) để tinh chỉnh m_a chính xác hơn, đặc biệt ở động cơ turbocharged (có tăng áp). Ví dụ, nếu turbo hoạt động, rho_a(mật độ khí) tăng lên, giúp m_a lớn hơn mà không cần thay đổi dung tích. Điều này làm DI hiệu quả hơn ở tải cao, giảm “turbo lag” (độ trễ turbo).

Ví dụ đơn giản: Động cơ 2.0L V_d = 0.002 m³, RPM = 5000, η_v = 1.0 (tải cao), ρ_a = 1.2 kg/m³, Z=4.

dot{m}_a = (0.002 × 5000 × 1.2 × 1.0) / 120 ≈ 0.1 kg/s. Số lần nạp/giây toàn động cơ = (5000/60) × (4/2) ≈ 166.67. ( m_a = 0.1 / 166.67 ≈ 600 mg/xi-lanh/chu kỳ.

Dùng công thức cơ bản:

m_f = m_a/AFR

Nhưng AFR ở DI thay đổi linh hoạt theo chế độ vận hành, không cố định như PI:

a-Chế độ đồng nhất (homogeneous mode): AFR ≈ 14.7:1, giống PI, dùng khi tải trung bình để cháy đều toàn buồng đốt.

b-Chế độ phân tầng (stratified mode): AFR tổng có thể lên 40:1 (rất nghèo), nhưng vùng quanh bugi giàu (AFR ≈ 14:1) để dễ đánh lửa. Điều này tiết kiệm xăng ở tải thấp (như chạy chậm).

c-Phun nhiều lần (multiple injection): DI cho phép phun 2-4 lần/chu kỳ để tối ưu. Tổng m_f được chia:

-Pilot injection: Phun nhỏ sớm (làm mát buồng đốt, giảm knock).

-Main injection: Phun chính (tạo hỗn hợp cháy).

-Post injection: Phun sau (kiểm soát khí thải, giảm NOx bằng cách làm mát khí xả).

m_f = m_{pilot} + m_{main} + m_{post}

Thời gian phun (IPW):

IPW = m_f/Injector Flow Rate

Flow Rate ở DI cao hơn (10-20 mg/ms nhờ áp suất lớn), giúp phun sương mịn, cháy tốt hơn. IPW ngắn (1-5 ms), cho phép ECU điều chỉnh nhanh.

Ví dụ: Từ m_a = 600 g, AFR = 16:1 (lean-burn) → m_f = 600 / 16 ≈ 37.5 mg.

Chia: 20% pilot (7.5 mg), 70% main (26.25 mg), 10% post (3.75 mg). Nếu Flow Rate = 15 mg/ms, IPW tổng ≈ 2.5 ms.

a-Ưu điểm:

Tiết kiệm nhiên liệu 10-20% so với PI nhờ lean-burn và stratified charge (xăng chỉ cháy ở vùng cần thiết, giảm lãng phí).

Tăng công suất (lên 10-15%) và giảm khí thải (NOx thấp hơn nếu post-injection tốt).

ECU dùng cảm biến knock (phát hiện nổ sớm) và oxy (lambda sensor) để điều chỉnh AFR thời gian thực, tránh NOx cao do nhiệt độ cháy lớn.

b-Hạn chế:

Phức tạp hơn: Cần ECU mạnh, injector chịu áp cao (dễ hỏng nếu xăng bẩn).

Rủi ro muội than (particulate matter – PM): Hỗn hợp không đều có thể tạo khói đen, cần bộ lọc GPF (Gasoline Particulate Filter).

Tích tụ carbon trên supap nạp: Vì không phun qua intake như PI, cần hệ thống làm sạch thêm (như dual injection ở một số xe).

Tóm lại, DI nâng cấp tính toán bằng cách làm AFR động và phun đa giai đoạn, giúp động cơ hiện đại như ở xe Toyota hoặc Volkswagen chạy hiệu quả hơn.