EnterKnow: Subaru Justy 1990 là chiếc xe cuối cùng được bán có bộ chế hòa khí; mẫu xe năm sau, Justy có phun nhiên liệu. Nhưng phun nhiên liệu đã có từ những năm 1950 và phun xăng điện tử đã được sử dụng rộng rãi trên ô tô châu Âu bắt đầu từ khoảng năm 1980. Hiện nay, tất cả ô tô bán ra đều có hệ thống phun nhiên liệu.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu cách nhiên liệu đi vào xi-lanh của động cơ và các thuật ngữ như “phun nhiên liệu đa điểm” và “phun nhiên liệu vào thân ga” nghĩa là gì.
Sự sụp đổ của bộ chế hòa khí
Trong phần lớn thời gian tồn tại của động cơ đốt trong, bộ chế hòa khí là thiết bị cung cấp nhiên liệu cho động cơ. Trên nhiều máy khác, chẳng hạn như máy cắt cỏ và máy cưa, nó vẫn như vậy. Nhưng khi ô tô phát triển, bộ chế hòa khí ngày càng phức tạp hơn trong việc cố gắng xử lý tất cả các yêu cầu vận hành. Ví dụ, để xử lý một số nhiệm vụ này, bộ chế hòa khí có năm mạch khác nhau:
- Mạch chính – Cung cấp đủ nhiên liệu để di chuyển tiết kiệm nhiên liệu
- Mạch không tải – Cung cấp đủ nhiên liệu để giữ cho động cơ chạy không tải
- Bơm tăng tốc – Cung cấp thêm lượng nhiên liệu khi nhấn bàn đạp ga lần đầu tiên, giảm hiện tượng do dự trước khi động cơ tăng tốc
- Mạch tăng cường năng lượng – Cung cấp thêm nhiên liệu khi xe lên dốc hoặc kéo rơ-moóc
- Choke – Cung cấp thêm nhiên liệu khi động cơ nguội để khởi động
Để đáp ứng các yêu cầu khắt khe hơn về khí thải, bộ chuyển đổi xúc tác đã được giới thiệu. Cần phải kiểm soát rất cẩn thận tỷ lệ không khí-nhiên liệu để bộ chuyển đổi xúc tác hoạt động hiệu quả. Cảm biến oxy theo dõi lượng oxy trong khí thải và bộ điều khiển động cơ (ECU) sử dụng thông tin này để điều chỉnh tỷ lệ không khí-nhiên liệu trong thời gian thực. Điều này được gọi là điều khiển vòng kín – việc đạt được điều khiển này bằng bộ chế hòa khí là không khả thi. Đã có một thời gian ngắn bộ chế hòa khí được điều khiển bằng điện trước khi hệ thống phun nhiên liệu tiếp quản, nhưng những bộ chế hòa khí điện này thậm chí còn phức tạp hơn những bộ chế hòa khí cơ học thuần túy.
Lúc đầu, bộ chế hòa khí được thay thế bằng hệ thống phun nhiên liệu trên thân bướm ga (còn được gọi là hệ thống phun nhiên liệu một điểm hoặc trung tâm) kết hợp các van phun nhiên liệu điều khiển bằng điện vào thân bướm ga. Đây gần như là sự thay thế hoàn toàn cho bộ chế hòa khí, vì vậy các nhà sản xuất ô tô không cần phải thực hiện bất kỳ thay đổi mạnh mẽ nào đối với thiết kế động cơ của họ.
Dần dần, khi các động cơ mới được thiết kế, phun nhiên liệu ở thân bướm ga được thay thế bằng phun nhiên liệu đa cổng (còn gọi là phun nhiên liệu cổng, đa điểm hoặc tuần tự). Các hệ thống này có một kim phun nhiên liệu cho mỗi xi-lanh, thường được đặt ở vị trí phun ngay tại van nạp. Những hệ thống này cung cấp khả năng đo nhiên liệu chính xác hơn và phản ứng nhanh hơn.
Khi bạn nhấn bàn đạp ga
Bàn đạp ga trong ô tô của bạn được kết nối với van tiết lưu – đây là van điều chỉnh lượng không khí đi vào động cơ. Vì vậy, bàn đạp ga thực sự là bàn đạp không khí.
Khi bạn đạp bàn đạp ga, van tiết lưu sẽ mở ra nhiều hơn, cho nhiều không khí vào hơn. Bộ điều khiển động cơ (ECU, máy tính điều khiển tất cả các bộ phận điện tử trên động cơ của bạn) “thấy” van tiết lưu mở và tăng tốc độ nhiên liệu với dự đoán sẽ có nhiều không khí đi vào động cơ hơn. Điều quan trọng là phải tăng lượng nhiên liệu ngay khi bướm ga mở; nếu không, khi nhấn bàn đạp ga lần đầu tiên, có thể xảy ra hiện tượng giật do một lượng không khí đi vào xi-lanh mà không có đủ nhiên liệu trong đó.
Các cảm biến giám sát khối lượng không khí đi vào động cơ cũng như lượng oxy trong khí thải. ECU sử dụng thông tin này để tinh chỉnh việc cung cấp nhiên liệu sao cho tỷ lệ không khí-nhiên liệu ở mức vừa phải.
Kim phun nhiên liệu
Bản chất thực sự của kim phun nhiên liệu là một van điện từ, nó đóng mở do điều khiển của ECU. Nhiên liệu áp suất cao từ bơm nhiên liệu cung cấp cho kim phun. Kim phun nhiên liệu có thể đóng mở nhiều lần trong một giây.
Khi kim phun được cấp điện, một nam châm điện sẽ di chuyển một pít tông mở van, cho phép nhiên liệu có áp suất phun ra qua một vòi phun nhỏ. Vòi phun được thiết kế để nguyên tử hóa nhiên liệu – tạo ra sương mù càng mịn càng tốt để nhiên liệu có thể cháy dễ dàng.
Lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ được xác định bằng khoảng thời gian kim phun nhiên liệu mở. Đây được gọi là độ rộng xung và được điều khiển bởi ECU.
Các kim phun được lắp vào ống nạp để chúng phun nhiên liệu trực tiếp vào các van nạp. Một đường ống được gọi là đường ray (rail) nhiên liệu cung cấp nhiên liệu có áp suất cho tất cả các kim phun.
Có hai loại điều khiển chính cho hệ thống nhiều cổng: Tất cả các kim phun nhiên liệu có thể mở cùng lúc hoặc mỗi kim phun có thể mở ngay trước khi van nạp cho xi-lanh của nó mở (điều này được gọi là phun nhiên liệu nhiều cổng tuần tự).
Ưu điểm của phun xăng tuần tự là nếu người lái thay đổi đột ngột thì hệ thống có thể phản hồi nhanh hơn vì kể từ thời điểm thực hiện thay đổi, nó chỉ phải đợi cho đến khi van nạp tiếp theo mở ra, thay vì chờ đợi vòng quay hoàn chỉnh tiếp theo của động cơ.
Cảm biến động cơ
Để cung cấp lượng nhiên liệu chính xác cho mọi điều kiện vận hành, bộ điều khiển động cơ (ECU) phải giám sát một số lượng lớn cảm biến đầu vào.
- Cảm biến lưu lượng khối khí – Báo cho ECU biết khối lượng không khí đi vào động cơ
- Cảm biến oxy – Theo dõi lượng oxy trong khí thải để ECU có thể xác định mức độ giàu hay nghèo của hỗn hợp nhiên liệu và điều chỉnh cho phù hợp
- Cảm biến vị trí bướm ga – Giám sát vị trí bướm ga (xác định lượng không khí đi vào động cơ) để ECU có thể phản ứng nhanh với những thay đổi, tăng hoặc giảm mức nhiên liệu khi cần thiết
- Cảm biến nhiệt độ nước làm mát – Cho phép ECU xác định khi nào động cơ đã đạt đến nhiệt độ vận hành thích hợp
- Cảm biến điện áp – Theo dõi điện áp hệ thống trong xe để ECU có thể tăng tốc độ không tải nếu điện áp giảm (điều này cho thấy tải điện cao)
- Cảm biến áp suất tuyệt đối đường ống nạp – Theo dõi áp suất của không khí trong đường ống nạp. Lượng không khí được hút vào động cơ là một dấu hiệu tốt cho biết nó đang tạo ra bao nhiêu công suất; và càng nhiều không khí đi vào động cơ thì áp suất đường ống góp càng thấp, vì vậy số đọc này được sử dụng để đánh giá lượng năng lượng được tạo ra.
- Cảm biến tốc độ động cơ – Theo dõi tốc độ động cơ, là một trong những yếu tố dùng để tính toán độ rộng xung
Điều khiển động cơ
Các thuật toán điều khiển động cơ khá phức tạp. Phần mềm phải cho phép chiếc xe đáp ứng các yêu cầu về khí thải trong quãng đường 100.000 dặm, đáp ứng các yêu cầu về tiết kiệm nhiên liệu của EPA và bảo vệ động cơ khỏi bị lạm dụng. Và còn hàng tá yêu cầu khác cần phải đáp ứng.
Bộ điều khiển động cơ sử dụng một công thức và một số lượng lớn các bảng tra cứu để xác định độ rộng xung cho các điều kiện vận hành nhất định. Phương trình sẽ là một chuỗi gồm nhiều thừa số nhân với nhau. Nhiều yếu tố trong số này sẽ đến từ các bảng tra cứu. Chúng ta sẽ thực hiện một phép tính đơn giản về độ rộng xung của kim phun nhiên liệu. Trong ví dụ này, phương trình của chúng ta sẽ chỉ có ba thừa số, trong khi một hệ thống điều khiển thực có thể có một trăm thừa số trở lên.
Độ rộng xung = (Độ rộng xung cơ sở) x (Hệ số A) x (Hệ số B)
Để tính độ rộng xung, trước tiên ECU tra cứu độ rộng xung cơ sở trong bảng tra cứu. Độ rộng xung cơ sở là một hàm của tốc độ động cơ (RPM) và tải (có thể được tính từ áp suất tuyệt đối của đường ống góp nạp). Giả sử tốc độ động cơ là 2.000 vòng/phút và tải là 4. Chúng ta tìm số ở giao điểm của 2.000 và 4, tức là 8 mili giây.
Trong các ví dụ tiếp theo, A và B là các tham số đến từ cảm biến. Giả sử A là nhiệt độ nước làm mát và B là mức oxy. Nếu nhiệt độ nước làm mát bằng 100 và mức oxy bằng 3, bảng tra cứu cho chúng ta biết rằng Hệ số A = 0,8 và Hệ số B = 1,0.
Vì vậy, vì chúng ta biết rằng độ rộng xung cơ sở là hàm của tải và RPM, và độ rộng xung đó = (độ rộng xung cơ sở) x (hệ số A) x (hệ số B), nên độ rộng xung tổng thể trong ví dụ của chúng ta bằng:
8 x 0.8 x 1.0 = 6.4 milliseconds
Từ ví dụ này, bạn có thể thấy hệ thống điều khiển thực hiện các điều chỉnh như thế nào. Với tham số B là mức oxy trong khí thải, bảng tra cứu B là điểm mà tại đó (theo các nhà thiết kế động cơ) có quá nhiều oxy trong khí thải; và theo đó, ECU sẽ điều chỉnh lượng nhiên liệu tiêu thụ.
Hệ thống điều khiển thực có thể có hơn 100 tham số, mỗi tham số có bảng tra cứu riêng. Một số thông số thậm chí còn thay đổi theo thời gian để bù đắp cho những thay đổi về hiệu suất của các bộ phận động cơ như bộ chuyển đổi xúc tác. Và tùy thuộc vào tốc độ động cơ, ECU có thể phải thực hiện những phép tính này hơn một trăm lần mỗi giây.
Chip hiệu suất
Chip hiệu suất được sản xuất bởi các công ty hậu mãi và được sử dụng để tăng sức mạnh động cơ. Có một con chip trong ECU chứa tất cả các dữ liệu bảng tra cứu; chip hiệu suất thay thế chip này. Các bảng trong chip hiệu suất sẽ chứa các giá trị dẫn đến mức tiêu thụ nhiên liệu cao hơn trong một số điều kiện lái xe nhất định. Ví dụ, chúng có thể cung cấp nhiều nhiên liệu hơn khi tăng ga tối đa ở mọi tốc độ động cơ. Họ cũng có thể thay đổi thời điểm đánh lửa (cũng có bảng tra cứu cho điều đó). Vì các nhà sản xuất chip hiệu suất không quan tâm đến các vấn đề như độ tin cậy, quãng đường đi được và kiểm soát khí thải như các nhà sản xuất ô tô nên họ sử dụng các cài đặt linh hoạt hơn trong bản đồ nhiên liệu của chip hiệu suất.
