Fuel Injection (FI) có thực sự ưu việt?

Công suất lớn hơn, tiết kiệm nhiên liệu hơn đồng thời kiểm soát động cơ hiệu quả hơn đang khiến phun nhiên liệu trực tiếp trở thành một giải pháp rất được quan tâm, áp dụng trong các động cơ của tương lai

Trong nỗ lực nhằm giảm khí thải cũng như lượng nhiên liệu tiêu thụ, hệ thống cấp liệu sử dụng trong xe đương đại đã thay đổi đáng kể trong những năm qua. Subaru Justy đời 1990 là chiếc xe con cuối cùng sử dụng cácbuaratơ (chế hòa khí) được tiêu thụ ở Mỹ. Vào năm sau, Justy đã ứng dụng giải pháp kim phun nhiên liệu (fuel injection). Tuy nhiên, kim phun nhiên liệu có từ thập niên 1950 và kim phun nhiên liệu điện tử đã được sử dụng rộng rãi trong ôtô của châu Âu vào khoảng thập niên 1980. Ngày nay, tất cả ôtô bán ở Mỹ đều sử dụng hệ thống kim phun nhiên liệu.

Bộ chế hòa khí vẫn là thành phần cấp liệu cho xylanh trong phần lớn thời gian tồn tại của động cơ đốt trong. Tuy nhiên, khi ngành công nghiệp ôtô phát triển, những đòi hỏi đối với Bộ chế hòa khí ngày càng nhiều. Với các yêu cầu nghiêm ngặt hơn về khí thải, người ta đã lắp thêm bộ chuyển đổi xúc tác (catalytic converter) cho ôtô. Và để hệ thống này hoạt động hiệu quả, cần phải kiểm soát rất chặt chẽ tỷ lệ hỗn hợp đốt không khí/nhiên liệu (air-to-fuel ratio) trong xylanh. Nhằm kiểm soát được tỷ lệ này, các cảm biến sẽ xác định lượng ôxy trong ống xả, và máy tính điều khiển động cơ (ECU) sẽ sử dụng thông tin đó để điều chỉnh tỷ lệ hỗn hợp đốt thực tế. Song, việc kiểm soát như vậy sẽ không khả thi nếu sử dụng cácbuaratơ. Và thế là đã có một thời gian ngắn người ta sử dụng cácbuaratơ điện tử trước khi đưa vào ứng dụng kim phun nhiên liệu. Tuy vậy, cácbuaratơ điện tử phức tạp hơn rất nhiều so với hệ thống cơ khí truyền thống khiến người ta nhanh chóng chuyển sang ứng dụng giải pháp kim phun nhiên liệu.
Ban đầu, các cácbuaratơ được thay thế bằng hệ thống phun nhiên liệu vào thân van tiết lưu (hay còn gọi là hệ thống phun nhiên liệu một điểm). Ở hệ thống này, các van phun nhiên liệu điện tử được đưa vào trong thân của van tiết lưu (còn gọi là van bướm) và vì thế chúng đóng vai trò gần như không khác gì chế hòa khí. Do vậy, các nhà sản xuất ôtô không cần có bất cứ sự thay đổi lớn nào trong thiết kế của động cơ.

Dần dần khi các động cơ mới được thiết kế, hệ thống phun nhiên liệu một điểm được thay thế bằng hệ thống phun nhiêu liệu đa cổng (hay còn gọi là phun nhiên liệu liên tục). Ở các hệ thống này, mỗi xylanh của động cơ có một kim phun nhiên liệu, thông thường được bố trí để phun nhiên liệu ngay vào van nạp. Thiết kế này giúp lượng nhiên liệu được phun vào xylanh chuẩn xác hơn đồng thời phản ứng của kim phun cũng nhanh hơn.

Kim phun nhiên liệu trên thực tế là một van điều khiển điện tử. Nó giúp đưa nhiên liệu được nén qua bơm vào xylanh và có thể đóng mở nhiều lần trong mỗi giây. Khi kim phun nhiên liệu hoạt động, một nam châm điện từ sẽ điều khiển mở van để đưa luồng nhiên liệu nén đi qua một miệng vòi (kim phun) nhỏ. Miệng vòi này được thiết kế để phân tán nhiên liệu thành sương mù sao cho nó có thể cháy dễ dàng. Lượng nhiên liệu đưa vào được xác định thông qua thời gian mở kim phun và thông qua kiểm soát của ECU. Ở hệ thống phun nhiêu liệu kiểu cổng, kim phun được bố trí trong cổ góp nạp để phun trực tiếp nhiên liệu vào van nạp. Một ống gọi là “đường nhiên liệu” (fuel rail) sẽ cung cấp nhiên liệu đã nén vào các kim phun.

Ở ôtô, chân ga được kết nối với van bướm. Chiếc van này có chức năng điều chỉnh lượng không khí đưa vào động cơ. Vì thế, pêđan ga trên thực tế là “pêđan không khí” và người điều khiển ôtô đạp chân ga để điều chỉnh độ mở của van tiết lưu, điều tiết khối không khí được đưa vào xylanh. ECU – máy tính trung tâm điều khiển mọi thiết bị điện tử của động cơ – sẽ giám sát độ mở của van bướm để qua đó tăng tỷ lệ nhiên liệu đầu vào căn cứ theo khối không khí đưa vào xylanh. Yếu tố quan trọng là việc tăng tỷ lệ nhiên liệu này phải diễn ra đồng thời với thời điểm mở van tiết lưu, nếu không, khi nhấn pêđan ga, sẽ có một khoảng thời gian trễ và một lượng không khí được đưa vào xylanh mà không có đủ nhiên liệu kết hợp. ECU sẽ sử dụng thông tin từ các cảm biến về lượng không khí đưa vào động cơ cũng như cảm biến đo lượng ôxy trong ống xả để điều chỉnh tỷ lệ hỗn hợp đốt cho phù hợp.

Với bất kể dạng cấp liệu nào thì mục tiêu đặt ra vẫn là đạt tỷ lệ không khí/nhiên liệu trong buồng đốt bằng 14,7/1. Nguyên nhân thật đơn giản, các bộ chuyển đổi xúc tác ngày nay có hai chế độ hoạt động. Một chế độ hoạt động tốt nhất khi giàu nhiên liệu (tỷ lệ không khí/nhiên liệu thấp hơn 14,7/1) và một chế độ hoạt động tốt nhất khi hiếm nhiên liệu (tỷ lệ không khí/nhiên liệu cao hơn 14,7/1). Và chỉ ở tỷ lệ 14,7/1, bộ chuyển đổi xúc tác mới hoạt động thích hợp nhất.

Phun nhiên liệu trực tiếp vào xylanh là công nghệ mới nhất hiện nay. Giải pháp này có chi phí tốn kém hơn những hệ thống phun nhiên liệu không trực tiếp bởi các kim phun nhiên liệu phải tiếp xúc với nhiệt độ và áp suất cao, do đó, cần được chế tạo từ những vật liệu bền vững và đắt tiền hơn, đồng thời cũng đòi hỏi hệ thống điều kiển điện tử tốn kém hơn. Kim phun nhiên liệu trực tiếp đưa nhiên liệu vào buồng đốt với áp suất cao hơn nhiều. Một số hệ thống hoạt động ở mức áp suất từ 2.000 đến 3.000 psi (136- 204 atmosphere). Nếu để ý nghe kỹ dưới nắp capô, bạn có thể thấy tiếng cơ khí lách cách từ các cuộn điện từ trường của kim phun cũng như thiết bị điều tiết áp suất hoạt động khi chúng kiểm soát nhiên liệu phun vào xylanh. Áp suất cao hơn giúp nhiên liệu phun vào xylanh có dạng sương mù mịn, đều và nhanh chóng bốc hơi hơn.

Ngoài ra, phun nhiên liệu trực tiếp cũng làm giảm diện tích tiếp xúc của nhiên liệu trước khi nó được đốt cháy. Một khi tiếp xúc với thành xylanh, mặt trong của van nạp hay các cổng nạp, một phần nhiên liệu có thể ngưng tụ lại thành những giọt nhỏ trong khi nhiên liệu chỉ cháy khi ở dạng hơi. Vì thế, các giọt nhỏ này sẽ không được đốt cháy trong xylanh và phun nhiên liệu trực tiếp giúp hạn chế khả năng này. Những yếu tố đó giúp phun nhiên liệu trực tiếp tăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu từ 15-20%.

Ngày nay, tất cả các động cơ chạy dầu của ôtô đều ứng dụng giải pháp kim phun nhiên liệu trực tiếp. Còn ở động cơ xăng, việc ứng dụng giải pháp này cũng ngày càng tăng lên mà điển hình là dòng động cơ Ecoboost mới của Ford (xem ảnh minh họa). Ở các động cơ xăng hiện đại, giải pháp phun nhiên liệu trực tiếp thường được kết hợp với tăng áp để trộn nhiên liệu với không khí nhanh hơn. Nếu kết hợp cả hai phương pháp này, động cơ có thể giảm bớt từ 20-30% lượng nhiên liệu tiêu thụ đồng thời công suất động cơ cũng tăng lên khoảng 15%.