Tính toán lượng nhiên liệu hệ thống phun xăng điện tử EFI

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 Port Injection (PI). Hệ thống PI (hay còn gọi là MPI) phun xăng vào đường ống nạp (intake port) ngay trước supap nạp, giúp hỗn hợp không khí-xăng hình thành sớm trước khi vào buồng đốt. Đây là hệ thống phổ biến ở động cơ xăng cũ hơn, đơn giản và rẻ tiền, nhưng kém hiệu quả ở tải cao do hỗn hợp có thể không đồng đều. Tính toán chủ yếu dựa trên khối lượng không khí nạp, đo trực tiếp bằng MAF hoặc gián tiếp bằng MAP.

Có hai cách chính:

a-Sử dụng cảm biến MAF: MAF đo trực tiếp lưu lượng khí khối lượng tổng qua đường nạp (đơn vị g/s hoặc kg/s). Đối với động cơ 4 kỳ (hút khí mỗi 2 vòng quay), khối lượng không khí tổng cho toàn động cơ là:

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

Trong đó:

V_d: Dung tích động cơ tổng (m³, ví dụ 0.002 m³ cho động cơ 2.0L).

rho_a: Mật độ không khí (khoảng 1.2 kg/m³ ở 20°C, 1 atm; ECU bù theo nhiệt độ và áp suất).

eta_v: Hiệu suất nạp (Volumetric Efficiency, thường 0.5-0.9 tùy tải, ví dụ 0.5 cho 50% tải).

RPM: Tốc độ động cơ (vòng/phút).

Đối với mỗi xi-lanh mỗi chu kỳ (intake stroke):

m_a = dot{m}_a*60*2*RPM*Z

Với Z: Số xi-lanh (ví dụ 4). Điều này chia đều lượng khí cho từng xi-lanh.

Ví dụ: Động cơ 2.0L, 4 xi-lanh, RPM = 3000, dot{m}_a= 40 g/s (từ MAF). Số lần nạp/giây = (3000/60) × 0.5 = 25 lần/giây/xi-lanh (vì 4 kỳ).

m_a = 40.000/(25 × 4) = 400 mg/xi-lanh/chu kỳ.

b-Sử dụng MAP (nếu không có MAF): Tính gián tiếp dựa trên luật khí lý tưởng:

m_a = P*V_c *eta_v/R* T

Trong đó:

P: Áp suất MAP (Pa, ví dụ 50.000 Pa ở tải thấp).

V_c: Dung tích mỗi xi-lanh (m³, ví dụ 0.0005 m³ cho 2.0L/4).

eta_v: hiệu suất nạp u .

R: Hằng số khí (287 J/kg·K cho không khí).

T: Nhiệt độ khí nạp (K, ví dụ 300K = 27°C).

Ví dụ: P = 80.000 Pa, V_c = 0.0005m³, eta_v = 0.8, T = 300K.

m_a = (80.000 × 0.0005 × 0.8/ (287 × 300) ≈ 370 mg/xi-lanh/chu kỳ.

Áp dụng công thức cơ bản với AFR thường cố định quanh 14.7:1 ở PI (vì hệ thống này khó hỗ trợ hỗn hợp nghèo do phun sớm). ECU phun một lần/chu kỳ.

m_f = m_a/AFR

Ví dụ: Từ ví dụ MAF trên, m_a = 400mg, AFR = 14.7:1 → m_f = 400/14.7

m_f≈ 27.2 mg/xi-lanh/chu kỳ.

Thời gian phun (Injector Pulse Width – IPW) để đạt m_f:

IPW = m_f/Injector Flow Rate

Injector Flow Rate: Lưu lượng kim phun (mg/ms), thường 3-5 mg/ms ở PI (áp suất thấp 3-5 bar).

Ví dụ: Flow Rate = 3.7 mg/ms → IPW = 27.2 / 3.7 ≈ 7.4 ms.

a-Ưu điểm: Đơn giản, đáng tin cậy ở tải thấp-trung bình (như chạy phố), chi phí thấp. ECU dễ bù enrichment (tăng m_f 20-50% ở khởi động lạnh để dễ nổ máy).

b-Hạn chế: Kém chính xác ở tải cao do hỗn hợp không đồng đều (xăng bám tường intake), dễ gây knock nếu AFR lệch. Không hỗ trợ tốt lean-burn (AFR >14.7:1) vì hỗn hợp đồng nhất.