Port Injection hay się Direct Injection? Tại sao quyết định cách cấp nhiên liệu cho động cơ lại quan trọng

Phun cổng (port injection) phun nhiên liệu vào ống hút, còn phun trực tiếp thì phun nhiên liệu thẳng vào buồng đốt; phun cổng mang lại phản ứng ga mượt mà hơn và lượng phát thải hạt thấp hơn, phun trực tiếp cho hiệu suất cao hơn và lượng CO2 thấp hơn. Vì vậy, các nhà sản xuất muốn cân bằng đồng thời giữa công suất, hiệu suất và lượng phát thải đã sử dụng cả hai hệ thống cùng nhau trên một động cơ.

Phun cổng là gì và khác với phun trực tiếp như thế nào?

Xăng ở thể lỏng không tự cháy được. Để cháy, trước hết nó phải được tách thành các hạt nhỏ - tức là quá trình phân tán - rồi mới bay hơi. Mọi khác biệt giữa hai loại phun đều bắt nguồn từ yêu cầu vật lý đơn giản này: nơi và với áp suất bao nhiêu nhiên liệu được phun ra sẽ quyết định tính cách của động cơ.

Ở phun cổng (PI, hay multi-point/MPFI vì mỗi xi-lanh được gán một vòi phun riêng), vòi phun được gắn trên ống hút và phun nhiên liệu vào ngay trước van hút, phía sau van. Nhiên liệu đi một chặng đường dài trong đường hút trước khi vào xi-lanh và có nhiều thời gian để bay hơi. Việc đặt vòi phun ở vị trí phía trên van, xa van và bugi cũng thuận lợi về mặt cơ khí; hệ thống hoạt động ở áp suất thấp nên vừa rẻ vừa bền.

Ở phun trực tiếp (GDI/DI), vòi phun mở thẳng vào buồng đốt qua một lối tiếp cận riêng trên nắp xi-lanh. Áp suất tăng lên gấp bội: gấp 50-100 lần áp suất của hệ thống phun cổng. Tỷ lệ này cho thấy sự khác biệt kịch tính đến mức nào - nhiên liệu được nén tới 1000 psi, khi phun qua các lỗ có đường kính 0,006-0,011 inch, tạo thành một lớp sương tốc độ 135 mph với đường kính hạt chỉ 0,000003 inch. Vì quá trình chuyển pha nhanh chóng này diễn ra bên trong xi-lanh nên hiệu ứng cũng được cảm nhận ngay tại đó.

Phun cổng: Tại sao vẫn là công nghệ còn giá trị?

Ưu điểm bị bỏ qua nhất của phun cổng là cách nó tận dụng hơi ấm mà nhiên liệu hấp thụ khi bay hơi. Trong hệ thống PI, hiệu ứng làm mát này diễn ra ở ống hút; nhiên liệu làm mát không khí đi vào, tăng mật độ không khí và nâng cao tiềm năng công suất trên động cơ hút khí tự nhiên. Nói cách khác, phun cổng mang lại cho các động cơ khí quyển một lợi thế nạp nhỏ ngay bên trong nó.

Ưu điểm thứ hai nằm ở khía cạnh phát thải. Nhiên liệu tiếp xúc với các bề mặt phía sau van và bay hơi trong thời gian dài hơn, tạo thành hỗn hợp đồng nhất; điều này làm giảm lượng nhiên liệu thoát ra khỏi quá trình cháy và giảm lượng phát thải vật chất hạt (PM). Phản ứng ga cũng mượt mà vì những lý do tương tự: hỗn hợp đã sẵn sàng trong mọi điều kiện, hệ thống đơn giản và dễ dự đoán. Ấn tượng "các động cơ cũ giàu cá tính hơn" của nhiều tài xế, về mặt kỹ thuật, một phần chính là do tính dự đoán được này.

Điểm yếu cũng rõ ràng. Hỗn hợp không được hóa mịn bằng như phun xăng trực tiếp; một phần nhiên liệu được phun bám vào thành cửa nạp, làm phá vỡ tỷ lệ không khí-nhiên liệu mong muốn. Vì không toàn bộ hỗn hợp đi vào xi-lanh cháy ở điều kiện lý tưởng, động cơ PI thua kém DI về hiệu suất nhiệt.

Phun Xăng Trực Tiếp Mang Lại Điều Gì, Mất Đi Điều Gì?

Những gì nó mang lại: Tỷ lệ nén, hiệu suất và CO2

Sức mạnh thực sự của phun xăng trực tiếp là đưa khả năng làm mát bằng bay hơi vào bên trong buồng đốt. Sự thay đổi pha diễn ra trong suốt kỳ nén làm giảm khả năng hỗn hợp bắt cháy sớm và mất kiểm soát - tức là giảm khả năng phát nổ. Vì nhiệt độ bề mặt buồng đốt giảm, các kỹ sư có thể tăng tỷ lệ nén cao hơn trên cả động cơ hút khí tự nhiên lẫn động cơ tăng áp turbo; tỷ lệ nén cao đồng nghĩa trực tiếp với hiệu suất cao hơn. Nhiên liệu cháy hiệu quả hơn nghĩa là ít nhiên liệu hơn cho cùng một công việc và lượng khí thải CO2 thấp hơn. Đây là bước tiến công nghệ nền tảng cho phép chúng ta so sánh tỷ lệ nén của phần lớn xe xăng hiện đại với các động cơ đầu những năm 2000.

Những gì nó đánh mất: Chi phí, tiếng ồn và hạt bụi

Cùng công nghệ đó cũng có cái giá của nó. Áp suất cao hơn 50-100 lần đồng nghĩa với kim phun đắt hơn và bơm cao áp; việc bơm liên tục tạo áp suất cao còn gây ra tiếng ồn, và vì lý do đó, hầu hết các động cơ DI hoạt động với hai bơm nhiên liệu. Kim phun trực tiếp vốn ồn ào và tạo thêm một âm thanh gõ lách cạch đặc trưng cho động cơ.

Cân bằng khí thải cũng là con dao hai lưỡi. Trong khi DI giảm CO2, nó lại tạo ra nhiều hạt bụi hơn: vì còn ít thời gian bay hơi hơn cho việc phun, một phần nhiên liệu thoát ra khỏi buồng đốt và bộ chuyển đổi xúc tác dưới dạng các hạt bồ hóng. Các hạt này tương tự như những gì động cơ diesel thải ra, chỉ nhỏ hơn. Ngoài ra, carbon tích tụ phía sau van nạp là một vấn đề bảo dưỡng thực sự đối với một số người dùng DI - vì nhiên liệu không còn rửa sạch van nên cặn bã tích tụ lại. Lấy một ví dụ hiếm gặp nhưng nghiêm trọng: một số tài xế phải làm sạch van nạp bằng phương pháp phun vỏ óc chó (walnut blasting) sau hàng chục nghìn km. Vấn đề tích tụ carbon là chủ đề của một bài viết riêng; câu hỏi chính ở đây là các nhà sản xuất quản lý sự cân bằng giữa hai hệ thống này như thế nào.

Bảng So Sánh: PI và DI Đặt Cạnh Nhau

Nhìn vào bảng so sánh, lựa chọn có vẻ dễ dàng: DI cho ai muốn hiệu suất, PI cho ai muốn đơn giản. Nhưng bản thân sự khác biệt về hiệu năng không lớn như bạn nghĩ; Ngay cả trong các tranh luận kỹ thuật cấp diễn đàn, người ta cũng nói rằng chênh lệch công suất trực tiếp giữa hai hệ thống chỉ ở mức vài phần trăm, và đóng góp thực sự của DI là cho phép tỷ lệ nén cao hơn. Nói cách khác, câu chuyện thực sự không phải là một công nghệ đánh bại công nghệ kia, mà là cả hai phân công làm việc trên cùng một động cơ.

Tại Sao Các Nhà Sản Xuất Sử Dụng Cả Hai Loại Phun Nhiên Liệu Cùng Nhau?

Phun kép (dual injection) là việc trang bị cả vòi phun cổ hút lẫn vòi phun trực tiếp trên cùng một động cơ. ECU sẽ kích hoạt một trong hai, cả hai hoặc một hỗn hợp được lập trình tùy theo vòng tua và tải. Logic rất đơn giản: Kết hợp ưu thế tiết kiệm nhiên liệu và chống kích nổ của DI với ưu thế phát thải thấp và làm sạch van của PI. Phương pháp cấp nhiên liệu tối ưu được lựa chọn ở mọi điểm trong dải hoạt động của động cơ.

Toyota là người ứng dụng nổi tiếng nhất cho giải pháp này. Hãng đã giới thiệu hệ thống D-4S trên một động cơ V-6 cách đây hơn mười năm; hiện nay hệ thống này được sử dụng trên động cơ bốn xi-lanh phẳng 2,0 lít (do Subaru sản xuất), V-6 3,5 lít và V-8 5,0 lít. Ở tải và vòng tua thấp - tương ứng với lái xe bình thường - cả hai vòi phun được kích hoạt cùng lúc, điều này vừa làm tăng mật độ không khí nạp của động cơ hút khí tự nhiên, vừa tiếp tục để phun qua cổ hút rửa van, nghĩa là thực tế làm sạch lượng muội bám. Còn ở tải và vòng tua cao, nơi rủi ro kích nổ cao, DI tiếp quản toàn bộ việc cấp nhiên liệu.

Cách tiếp cận của Ford khác biệt: DI áp suất cao đi kèm với PI áp suất thấp, và phun qua cổ hút không bao giờ bị tắt hoàn toàn. Phạm vi ứng dụng rộng rãi - các động cơ V-6/V-8 tăng áp và hút khí tự nhiên từ 2,7 đến 5,0 lít, các bản F-150 với V-6 3,3, V-6 3,5 lít EcoBoost trên F-150 Raptor 2017 và GT, cùng V-8 5,0 trên Mustang GT 2018. Ở chế độ không tải và vòng tua thấp, chỉ mình PI vận hành êm ái và hiệu quả; khi vòng tua và tải tăng, hai hệ thống phun phối hợp, với PI luôn đảm nhiệm ít nhất 5-10% lượng nhiên liệu. Trên V-6 3,5 lít mới, Ford đã kết hợp phun kép với áp suất tăng áp cao hơn, giúp mô-men xoắn cực đại tăng thêm 30 lb-ft. Audi cũng áp dụng ý tưởng tương tự trên các động cơ V-6 3,0 lít và V-10 5,2 lít.

Khi các động cơ điện được giao vai trò truyền động ngày càng lớn, nhiệm vụ của chúng ta là cải thiện hiệu suất động cơ ở mọi cơ hội. Công nghệ phun kép của Ford đã chứng minh là một chiến lược hiệu quả về chi phí, có giá trị trong nỗ lực này.

Tài liệu khoa học cũng ủng hộ hướng đi này: phun kép; được liệt kê với những ưu thế như tính linh hoạt kiểm soát cao hơn, hiệu ứng làm mát tăng cường, giảm kích nổ, thân thiện với xu hướng thu nhỏ động cơ (downsizing) và khả năng vận hành hỗn hợp nghèo (lean-burn) mở rộng. Trên thực tế, mức cải thiện khiêm tốn nhưng có thật: đặc biệt khi chạy không tải và ở tốc độ thấp trong đô thị, khả năng tiết kiệm nhiên liệu được cải thiện; khi tăng tốc ở mức trung bình, hai vòi phun cùng nhau cân bằng độ khuếch tán, làm sạch xupáp và phản ứng ga.

Cần nêu một điểm tinh tế: không phải hệ thống phun kép nào cũng giải quyết được vấn đề lắng đọng muội than. Ở một số động cơ hiệu suất cao, vòi phun cổng hút chỉ được kích hoạt để phun thêm nhiên liệu ở vòng tua cao và khi có boost; trong phần lớn thời gian lái bình thường, xupáp vẫn chỉ tiếp xúc với DI nên có thể xảy ra lắng đọng cặn. Điều quyết định hệ thống có hiệu quả hay không là vòi phun cổng hút hoạt động ở vùng vận hành nào.

Chu trình Atkinson và mối liên hệ với xe hybrid

Chu trình Atkinson là một chiến lược vận hành chấp nhận hy sinh cố ý mật độ công suất để theo đuổi hiệu suất; nó tạo ra ít công suất hơn chu trình Otto truyền thống nhưng cải thiện khả năng tiết kiệm nhiên liệu. Vì vậy, ngôi nhà tự nhiên của nó là các xe hybrid: động cơ điện bù đắp phần công suất thiếu hụt, còn động cơ đốt trong vận hành ở điểm hiệu quả nhất có thể. Toyota Prius và các xe như Ford C-Max, Fusion Hybrid là những ví dụ điển hình của chu trình Atkinson hiện đại; Toyota là thương hiệu tiên phong đưa công nghệ này phổ biến trong sản xuất.

Mối liên hệ với khía cạnh phun nhiên liệu nằm ở đây: trên các động cơ chu trình Atkinson cũng có thể đồng thời có hai phương pháp cấp nhiên liệu - phun trực tiếp và phun cổng hút; tùy nhu cầu mà dùng một trong hai hoặc cả hai. Vì trong một chu trình hướng tới hiệu suất, mỗi điểm phần trăm đều quý giá, đóng góp kinh tế nhỏ nhưng thực tế của phun kép đặc biệt có ý nghĩa trên các nền tảng này.

Điều này có ý nghĩa gì đối với người mua?

Hệ thống, vượt ra ngoài sự tò mò kỹ thuật, ảnh hưởng đến quyết định mua sắm và sử dụng. Ngày nay càng khó tìm được động cơ chỉ dùng phun cổng hút; phần lớn xe xăng mới hoặc là GDI thuần túy, hoặc dùng phun kép. Nếu bạn mua xe chỉ có DI thuần túy, hãy tính lắng đọng muội than ở xupáp nạp như một khoản bảo trì dài hạn; một động cơ phun kép có vòi phun cổng hút hoạt động cả ở vòng tua cao sẽ giảm đáng kể rủi ro này. Nếu phong cách lái của bạn đòi hỏi tải nặng và vòng tua cao, ưu thế về khả năng chịu kích nổ và boost của DI sẽ nổi bật; nếu bạn chủ yếu dùng xe trong đô thị và chạy không tải nhiều, ưu thế về khí thải và độ mượt của PI sẽ lên ngôi. Quyết định không phải là chọn ra một bên thắng; mà là biết được hệ thống nào hoạt động ở vùng vận hành nào của động cơ.

Nguồn tham khảo

• Explained: Why Some Engines Have Both Port and Direct Injection
• Dual injection: An effective and efficient technology to use engines
• Direct vs Port Fuel Injection Explained
• How Direct Injection Engines Work
• Atkinson cycle
• Here's how Atkinson-cycle engines work to save gas
• Port Injection vs Direct Injection: What's the Difference?