Pietsosähköinen injektori vs. suoraruiskutussuutin: Tekninen opas

Polttoainesuuttimet nykyaikaisissa moottoreissa: suorasuihkutuksesta pietsosähköiseen käyttöön

Polttoainesuutin on komponentti, joka syöttää polttoainetta palamisprosessiin tarkalla ajoituksella, kontrolloidulla ruiskutusmäärällä ja pisaraspektrillä, joka on optimoitu nopeaa sekoittumista ja täydellistä palamista varten. Ruiskutustekniikan kehitys viimeisen kolmen vuosikymmenen aikana – yksinkertaisesta porttiruiskutuksesta varhaiseen suoraruiskutukseen nykyisen sukupolven pietsosähköisiin ruiskutussuuttimiin, jotka pystyvät ruiskuttamaan useita ruiskutusjaksoja kohden yli 2 500 baarin ruiskutuspaineilla – on johtanut yhä vaativampiin päästömääräyksiin, polttoainetaloutta koskeviin tavoitteisiin ja suuremman tehon etsimiseen pienemmiltä iskutilavuuksilta moottoreilta.

Suoraruiskutus ja pietsosähköinen ruiskutus eivät ole kilpailevia vaihtoehtoja – ne edustavat saman teknologiahierarkian kahta tasoa. Pietsosähköinen injektori on eräänlainen suoraruiskutussuutin, joka käyttää pietsosähköistä toimilaitetta solenoidin sijaan neulaventtiilin ohjaamiseen. Suora ruiskutus on sovelluksen konteksti; pietsosähköinen käyttö on mekanismi, joka mahdollistaa suorimman suoraruiskutuksen suorituskyvyn.

Kunkin tekniikan toiminnan ymmärtäminen, miksi pietsosähköinen käyttö tarjoaa suorituskykyetuja solenoidikäyttöiseen suoraruiskutukseen verrattuna ja mitä käytännön seurauksia sillä on moottorin suorituskykyyn, diagnostiikkaan ja korjaukseen, tarjoaa perustan tietoisille päätöksille moottorin suunnittelussa, ajoneuvon valinnassa ja huoltotyössä.

Suoraruiskutussuutin : Periaatteet, paine ja suihkeen muodostuminen

Suoraruiskutussuutin ruiskuttaa polttoainetta suoraan polttokammioon sen sijaan, että se olisi imuaukkoon ennen imuventtiiliä. Tämä perustavanlaatuinen ero ruiskutuspaikassa – polttokammio vs. imuaukko – mahdollistaa joukon polttojärjestelmän ominaisuuksia, joita aukko-ruiskutus ei pysty tarjoamaan, mukaan lukien tasainen panosmuodostus korkeilla ruiskutuspaineilla, kerrostettu lataustoiminta osakuormituksella (tälle moodille suunnitelluissa bensiinin suoraruiskutusjärjestelmissä), varauksen jäähdytys polttoaineen haihtumisesta suoraan polttokammiossa ja tarkan dynaamisen syklikohtaisen polttoaineen massan säätökierroksittain.

Bensiinin suoraruiskutus (GDI)

Bensiinisuoraruiskutusmoottoreissa (GDI) polttoainetta ruiskutetaan paineilla, jotka vaihtelevat tyypillisesti 100 baarista 350 baariin nykyaikaisissa järjestelmissä, ja joissakin kehittyneissä moottoreissa paine on jopa 500 bar. Korkea ruiskutuspaine tuottaa hienojakoisen pisarasuihkeen, joka sumuttuu nopeasti sylinterin kuumassa, puristetussa panoksessa. Polttoainepisaroiden haihtuminen suoraan polttokammiossa absorboi lämpöä panoksesta, alentaen latauksen lämpötilaa ja mahdollistaen korkeammat puristussuhteet (jotka parantavat termodynaamista tehokkuutta) ilman epänormaalin palamisen (nakutuksen) alkamista, mikä rajoittaisi puristussuhdetta vastaavassa porttiruiskutetussa moottorissa.

GDI-ruiskutusjärjestelmille on tunnusomaista niiden ruiskutuspaineen annostelu (nokka-akselista ohjatun korkeapaineisen polttoainepumpun kautta), ruiskutustapahtumien määrä sykliä kohden (joka on asteittain kasvanut yhdestä ruiskutuksesta viiteen tai useampaan nykyisen sukupolven järjestelmissä) ja ruiskutussuuttimen ruiskutusgeometria - olipa kyseessä sitten monireikäinen kuvio, joka tuottaa erillisiä ruiskutussuihkuja, äskettäinen suihkutus, ontto suihkutin. ulospäin avautuva tappiventtiilirakenne.

Diesel Common Rail -suoraruiskutus

Dieselin suoraruiskutus Common rail -järjestelmän kautta on hallitseva dieselin ruiskutusarkkitehtuuri henkilöautoissa, kevyissä hyötyajoneuvoissa ja yhä useammin raskaassa käytössä. Common rail varastoi polttoainetta tavoiteruiskutuspaineella (vaihtelee 1 600 baarista aikaisemmissa järjestelmissä 2 700 baariin nykyisen sukupolven raskaan käytön järjestelmissä) jaettuun akkutilavuuteen - kiskoon -, josta yksittäiset ruiskuttimet imevät polttoainetta. Kiskossa oleva korkeapainevarasto erottaa ruiskutuspaineen moottorin nopeudesta, mikä mahdollistaa suurimman ruiskutuspaineen käytön missä tahansa moottorin toimintapisteessä sen sijaan, että se olisi rajoitettu suuriin nopeuksiin kuten aikaisemmissa pumppulinja-suutinruiskutusjärjestelmissä.

Common rail -dieselsuuttimien on toimittava luotettavasti painealueella tyhjäkäynnistä täyden kuormituksen huippupaineeseen, avattava ja suljettava neulaventtiili vasteajoilla mikrosekunnista millisekuntiin, jotta saavutetaan tarkka ruiskutuksen ajoitus ja kesto, ja ylläpidettävä ruiskutusmäärän tarkkuus miljoonien ruiskutustapahtumien ajan minimaalisella suorituskyvyn vaihtelulla. Nämä vaatimukset edellyttävät tarkkoja valmistustoleransseja, laadukkaimpia materiaaleja ja käyttömekanismia, joka pystyy täyttämään vasteaika- ja voimavaatimukset koko toiminta-alueella.

Injektorin neulaventtiili ja suihkeen muodostus

Ruiskun rungon kärjessä oleva neulaventtiili on elementti, joka ohjaa polttoaineen virtausta korkeapaineisesta polttoainejärjestelmästä polttokammioon. Kun neula nousee paikaltaan, korkeapaineinen polttoaine virtaa suuttimen kärjessä olevan pussitilavuuden läpi ja poistuu määrätyn määrän reikiä (yleensä 5-10 nykyaikaisissa dieselsuuttimissa, 3-12 GDI-suuttimissa) suurnopeussuihkuina, jotka sumutuvat hienoiksi pisaroiksi turbulentissa hajoamis- ja aerodynaamisessa vuorovaikutuksessa tiheysliinan ilman kanssa.

Neulaventtiilin nosto, avautumis- ja sulkemisnopeus sekä suutinreikien välinen paine-ero avaamishetkellä vaikuttavat pisarakokojakaumaan, suihkun tunkeutumiseen (miten pitkälle suihkusuihkut kulkevat ennen kuin menettävät vauhtia ja sekoittuvat panokseen) sekä ruiskutettavan polttoaineen määrään tapahtumaa kohden. Injektorin käyttömekanismi - joko solenoidi tai pietsosähköinen - ohjaa suoraan neulan venttiilin liikkeen nopeutta ja tarkkuutta, mikä tekee siitä ruiskutuslaadun keskeisen tekijän.

Solenoidin käyttö suoraruiskutussuuttimissa

Suurin osa nykyisin käytössä olevista suoraruiskutussuuttimista käyttää magneettiventtiiliä käyttömekanismina. Solenoidiruiskutin on ollut hallitseva malli siitä lähtien, kun Common rail -ruiskutus otettiin käyttöön 1990-luvulla, ja se on edelleen yleisimmin valmistettu suoraruiskutussuutintyyppi maailmanlaajuisesti.

Kuinka solenoidisuutin toimii

Solenoiditoimisessa yhteispaineruiskuttimessa neulaventtiiliä ei ohjata suoraan solenoidista. Sen sijaan solenoidi käyttää pientä ohjausventtiiliä (kaksi- tai kolmitieohjausventtiiliä) korkeapaineisessa polttoainepiirissä suuttimen rungossa. Ohjausventtiili ohjaa painetta neulan yläpuolella olevassa hydraulisessa ohjauskammiossa, joka ohjaa, suuntautuuko neulan hydraulinen nettovoima istukkaa kohti (neula kiinni, ruiskutus pysäytetty) vai poispäin istukasta (neula auki, ruiskutus käynnissä).

Kun solenoidi on jännitteessä, se avaa ohjausventtiilin ja vapauttaa ohjauskammion paineen takaisin (matala paine). Paine-ero ohjauskammion ja suuttimen paineen välillä vaikuttaa neulaan ylöspäin, nostaen sen istukasta ja käynnistäen ruiskutuksen. Kun solenoidi on jännitteetön, ohjausventtiili sulkeutuu, paine palautuu ohjauskammioon ja neula palaa istuimelleen hydraulisen palautusvoiman ja neulajousen yhteisvaikutuksesta. Ruiskutuksen kesto on siis solenoidin virran kytkemisen ja virrankatkaisun välinen aika, ja ruiskutettu määrä määräytyy tämän ajan virtausnopeuden integraalista.

Solenoidin käytön luontainen rajoitus suoraruiskutuksessa on solenoidi-venttiili-neulajärjestelmän mekaaninen vasteaika. Solenoidisähkömagneetit vaativat aikaa rakentaa ja romuttaa magneettikenttä, ja hydraulinen vahvistuspiiri lisää ylimääräistä viivettä solenoidin aktivoinnin ja neulaventtiilin vasteen välillä. Tämä rajoittaa saavutettavissa olevaa pienintä ruiskutusaikaa ja peräkkäisten ruiskutusten välistä vähimmäiseroa, mikä rajoittaa ruiskutustapahtumien määrää, jotka voidaan suorittaa yhden moottorisyklin aikana suurilla moottorin kierrosnopeuksilla.

Pietsosähköinen injektori : Kuinka pietsosähköinen käyttö toimii

Pietsosähköinen injektori korvaa solenoiditoimilaitteen pietsosähköisellä pinotoimilaitteella - pietsosähköisten keraamisten elementtien (yleisimmin lyijyzirkonaattititanaatti tai PZT) pylväs, joka laajenee, kun jännite kohdistetaan niiden yli ja supistuu, kun jännite poistetaan. Tämä pinon fyysinen laajeneminen ja supistuminen saa aikaan käyttövoiman ja siirtymän, joka käyttää ruiskun ohjausventtiiliä tai joissakin malleissa suoraan neulaventtiilin asentoa.

Pietsosähköinen vaikutus injektoritoimilaitteissa

Pietsosähköisellä keramiikalla on käänteinen pietsosähköinen vaikutus: kun sähkökenttä kohdistetaan keramiikan poikki, materiaali deformoituu mekaanisesti. Polttoainesuuttimien toimilaitteille suunnitelluissa PZT-pinoissa 100 - 200 V:n jännite, joka on kohdistettu 200 - 400 yksittäisen keraamisen kiekon (kukin noin 0,1 mm paksu) pinoon, tuottaa noin 30 - 60 mikrometrin lineaarisen kokonaissiirtymän. Siirtyminen tapahtuu mikrosekunneissa jännitteen kohdistamisesta – tämä lähes hetkellinen vaste on pietsosähköisen ohjauksen perustavanlaatuinen suorituskykyetu verrattuna solenoidikäyttöön suoraruiskutussuuttimissa.

Syötetyn jännitteen ja pinon siirtymän välinen suhde on lähes lineaarinen, mikä tarkoittaa, että osittaisjännitteen käyttö tuottaa verrannollisen osittaisen siirtymän. Tämän ominaisuuden ansiosta pietsosähköinen injektori voi suorittaa tarkkoja ohjausventtiilin tai neulan osittaisia ​​nostoja – ruiskuttamalla pieniä, tarkasti ohjattuja määriä millä tahansa neulan täyden noston murto-osalla, joita solenoidijärjestelmä ei voi toistaa.

Suoratoimiset ja hydraulisesti vahvistetut pietsosähköiset injektorit

Tuotantoajoneuvoissa käytetään kahta pääasiallista pietsosähköistä ruiskutusarkkitehtuuria:

• Hydraulisesti vahvistettu pietsosähköinen injektori : Pietsosähköinen pino käynnistää korkeapaineisen polttoainepiirin servoventtiilin (periaatteessa samanlainen kuin solenoidiohjausventtiilin lähestymistapa), joka sitten ohjaa neulan asentoa hydraulisesti. Hydraulinen vahvistusaste moninkertaistaa pietsopinon pienen mekaanisen siirtymän suuremmaksi neulannostoksi jonkin vasteajan kustannuksella. Tätä arkkitehtuuria käytettiin Bosch CRI3:ssa (common rail injector) ja vastaavissa järjestelmissä, jotka olivat ensimmäiset kaupalliset pietsosähköiset dieselsuuttimet.
• Suoratoiminen pietsosähköinen injektori : Tässä arkkitehtuurissa pietsosähköinen pino on kytketty mekaanisesti suoraan neulaventtiiliin kytkentäelementin, tyypillisesti hydraulisen liittimen, kautta, joka kompensoi pinon ja injektorirungon materiaalien lämpötilasta riippuvat mittamuutokset (joilla molemmilla on erilaiset lämpölaajenemiskertoimet). Suora kytkentä eliminoi hydraulisen ohjauspiirin kokonaan ja tarjoaa nopeimman mahdollisen vasteen - neulan avautumisen noin 50-100 mikrosekunnissa jännitteen kytkemisestä. Delphi (nykyisin BorgWarner Fuel Systems) esitteli ensimmäisenä suoratoimisen pietsosähköisen yhteispaineruiskuttimen tuotannossa, ja tämä arkkitehtuuri tarjoaa parhaan mahdollisen ruiskutusvastenopeuden nykytekniikassa.

Hydraulinen liitin suoratoimisissa järjestelmissä

Suoratoimisen pietsosähköisen injektorin hydrauliliitin on pieni, tiivistetty hydraulikammio pietsosähköisen pinon ja neulaventtiilin kytkentätangon välillä. Sen ensisijainen tehtävä on kompensoida lämpölaajenemisen nettoeroa teräsruiskun rungon ja PZT-keraamisen pinon välillä, mikä muutoin saisi ruiskun syöttämään arvaamattomia määriä lämpötilan muuttuessa lämpenemisen ja täyden kuormituksen aikana. Hydraulinen liitin siirtää mekaanisen voiman pinosta neulaliittimeen uskollisesti ruiskutuksen nopean dynamiikan aikana (mikrosekunnista millisekuntiin aikaskaalat) samalla kun se vuotaa hitaasti mukautuakseen lämpölaajenemiseroihin (sekunnista minuuttiin). Tämä tyylikäs mekaaninen muotoilu on yksi suoratoimisen pietsosähköisen injektorin tärkeimmistä teknisistä saavutuksista ja on olennainen sen pitkän aikavälin ruiskutusmäärän vakauden kannalta.

Pietsosähköisten suuttimien suorituskykyedut solenoidisuuttimiin verrattuna

Pietsosähköisen ohjauksen suorituskykyedut suoraruiskutussuuttimien solenoiditoimiin verrattuna ovat saaneet aikaan pietsosähköisten suuttimien käyttöönoton tehokkaimmissa ja päästöherkimmissä sovelluksissa, erityisesti dieselin yhteispaineruiskutusjärjestelmissä, joissa ruiskutustarkkuuden vaatimukset ovat suurimmat.

Nopeampi vasteaika

Pietsosähköiset toimilaitteet reagoivat mikrosekunneissa verrattuna solenoiditoimilaitteiden millisekunnin aikaskaalaan. Tämä nopeampi vaste mahdollistaa lyhyemmät minimiruiskutusajat, mikä on kriittistä pilotti- ja jälkiruiskutustapahtumissa, joita käytetään edistyneissä dieselpolttojärjestelmissä polttomelun vähentämiseksi, hiukkaspäästöjen hallitsemiseksi ja dieselhiukkassuodattimen regeneraation tukemiseksi. Pietsosähköinen injektori voi injektoida luotettavasti alle 1 mm3:n iskua kohti – määriä, jotka vaatisivat liian lyhyitä injektioaikoja, jotta solenoidiruiskutin ohjaisi tarkasti.

Suurempi ruiskutustapahtumien määrä sykliä kohti

Peräkkäisten ruiskutustapahtumien välinen vähimmäisetäisyys (injektioiden välinen viive) on lyhyempi pietsosähköisillä injektoreilla kuin solenoidisuuttimilla, koska neulaventtiili saavuttaa täysin kiinni-asennon nopeammin sammutuksen jälkeen. Nykyaikaiset pietsosähköiset yhteispaineruiskuttimet voivat suorittaa jopa kahdeksan ruiskutustapahtumaa jaksoa kohden (useita pilotteja, pääruiskutusta ja useita jälkiruiskutuksia) suurilla moottorin kierrosnopeuksilla, jolloin solenoidisuuttimet rajoittuisivat harvempiin tapahtumiin niiden hitaamman vasteen vuoksi. Lisääntynyt ruiskutustapahtumien määrä sykliä kohti mahdollistaa polttostrategioiden, jotka vähentävät dramaattisesti melua (useita pieniä pilottiruiskutuksia ennen päätapahtumaa esisekoittavat pienen määrän polttoainetta ennen sytytystä, mikä vähentää paineen nousua) ja päästöjä (jälkiruiskutukset tukevat hiukkasten jälkikäsittelyä ja NOx-vähennysstrategioita).

Suhteellinen neulan noston ohjaus

Koska pietsosähköisen pinon siirtymä on verrannollinen käytettyyn jännitteeseen, neulaventtiilin nostoa voidaan ohjata väliasennoissa sen sijaan, että se olisi rajoitettu täysin auki tai kokonaan kiinni. Tämä suhteellinen ohjaus mahdollistaa virtausnopeuden jatkuvan muuttamisen suuttimen reikien läpi ruiskutustapahtuman aikana – ominaisuus, jota kutsutaan nopeuden muotoiluksi –, jossa polttoaineen syöttönopeutta ohjataan tarkoituksella noudattamaan haluttua profiilia (esimerkiksi nousu ruiskutuksen alussa, jatkuva tasanne pääruiskutuksen aikana ja hallittu ramppi lopussa). Nopeuden muotoilu voi edelleen vähentää palamismelua ja NOx-päästöjä verrattuna perinteisiin suorakaiteen muotoisiin ruiskutusnopeusprofiileihin.

Pienempi virrankulutus ja lämmöntuotanto

Pietsosähköiset kapasitiiviset toimilaitteet varastoivat ja palauttavat sähköenergiaa jokaisen ruiskutusjakson aikana (pino varastoi energiaa varauksena, kun jännitettä syötetään, ja palauttaa sen purkautuessaan), toisin kuin solenoiditoimilaitteet, jotka muuttavat sähköenergian lämmöksi kelan resistanssissa. Tämä kapasitiivinen energian talteenotto tarkoittaa, että ruiskutusohjaimen elektroniikan huipputehotarve on korkea, mutta nettoenergiankulutus ruiskutustapahtumaa kohden on pienempi kuin vastaavassa solenoidijärjestelmässä. Alhaisempi lämmöntuotto itse toimilaitteessa vähentää injektorikomponenttien lämpörasitusta ja yksinkertaistaa ruiskutusohjaimen elektroniikan lämmönhallintavaatimuksia.

Pietsosähköinen injektorin ohjainelektroniikka ja ohjausstrategia

Pietsosähköinen injektori vaatii erillisen suurjänniteohjainpiirin moottorin ohjausyksikössä (ECU) tai erillisen ruiskutusohjainmoduulin. Pietsosähköisen injektorin käyttö eroaa pohjimmiltaan solenoidisuuttimen käyttämisestä, koska pietsosähköinen toimilaite on kapasitiivinen kuorma induktiivisen kuorman sijaan.

Injektorin avaamiseksi ohjain lataa pietsosähköisen pinon tavoitejännitteeseen - tyypillisesti 100 V - 200 V - tehostetusta syöttökondensaattoriryhmästä. Latausvirtaa ohjataan tuottamaan haluttu jännitteen nousunopeus, joka määrää neulan avautumisnopeuden ja ruiskutusnopeuden avautumistransientin aikana. Injektorin sulkemiseksi varastoitu varaus puretaan pinosta takaisin syöttökondensaattoreihin talteenottoa varten.

Pinoon kohdistettu tarkka jännitetaso määrittää neulan nostoasteen, joka vaikuttaa suoraan ruiskutetun polttoaineen määrään millä tahansa ruiskutuspaineella. ECU:n on siksi ohjattava ohjaimen lähtöjännitettä suurella tarkkuudella – tyypillisesti 1–2 voltin sisällä toiminta-alueella – saavuttaakseen päästöjen noudattamisen ja ajettavuuden edellyttämän ruiskutusmäärän tarkkuuden. Suljetun silmukan ruiskutusmäärän korjaus käyttämällä virtausnopeuden mittausmoduulin tai neulan nostoanturin tietoja käytetään yleisesti kompensoimaan injektorien välistä vaihtelua ja pinon vasteominaisuuksien pitkäaikaista poikkeamaa.

Injektorikohtaiset kalibrointitiedot

Pietsosähköiset injektorit kalibroidaan yksilöllisesti valmistuksen aikana ja niille on määritetty joukko korjauskoodeja (IMA-koodit, C3I-koodit tai vastaavat valmistajasta ja ajoneuvon alustasta riippuen), jotka koodaavat suuttimen erityiset suorituskykyominaisuudet tärkeimmissä toimintapisteissä suhteessa nimellismääritykseen. Nämä korjauskoodit ohjelmoidaan ECU:hun, kun injektori asennetaan, jolloin ruiskutuksen ohjausohjelmisto voi kompensoida yksittäisen ruiskutussuuttimen ominaisuuksia ja toimittaa tarkat ruiskutusmäärät huolimatta valmistusvaihteluista sallitun toleranssialueen sisällä. Kun pietsosähköinen ruisku vaihdetaan, vaihtosuuttimen kalibrointikoodien ohjelmointi ECU:hun on olennainen vaihe – jos näin ei tehdä, seurauksena on ruiskutusmäärän virheitä, jotka aiheuttavat epätasaista käyntiä, lisääntyvät päästöt ja mahdollisesti moottorivaurioita ylitankkauksesta.

Pietsosähköisten injektorien sovellukset tuotantoajoneuvoissa

Pietsosähköiset ruiskutussuuttimet otettiin käyttöön dieselhenkilöautoissa 2000-luvun alussa, ja siitä lähtien ne on otettu käyttöön useissa diesel- ja bensiinikäyttöisissä suoraruiskutussovelluksissa, erityisesti missä vaaditaan korkeinta ruiskutuskykyä ja päästöjä.

Dieselsovellukset

Pietsosähköisiä common rail -suuttimia käytetään useiden valmistajien henkilöautoissa ja kevyissä kaupallisissa dieselmoottoreissa. Boschin CRI3 (Common Rail Injector 3) ja Delphin DFI1 (myöhemmin DCO) suoratoimiset pietsosähköiset järjestelmät olivat tuotannon varhaisia ​​edustajia, ja tekniikkaa on sittemmin jalostettu useiden sukupolvien ajan saavuttamaan nykyiset järjestelmät, jotka toimivat jopa 2 700 baarin kiskon paineella ja injektiotapahtumien määrä on 7-8 per jakso. Pietsosähköistä ruiskutusta käytetään henkilöautojen lisäksi raskaissa kuorma-autojen dieselmoottoreissa ja maastokaluston kalustossa, joissa ruiskutussuorituskyvyn edut päästöjen vaatimustenmukaisuuden kannalta (Euro VI, EPA 2010 ja uudemmat standardit) oikeuttavat korkeammat ruiskutuskustannukset solenoidijärjestelmiin verrattuna.

Bensiinin suoraruiskutussovellukset

Pietsosähköistä käyttöä käytetään myös bensiinin suoraruiskutusjärjestelmissä, vaikka pienemmät GDI:n ruiskutuspaineet (100 - 500 bar vs. 1 600 - 2 700 bar dieselissä) tarkoittavat, että pietsosähköisen käytön edut solenoidikäyttöön verrattuna ovat vähemmän äärimmäisiä kuin dieselin yhteispaineruiskutuksessa. Tehokkaat GDI-sovellukset ja -järjestelmät, jotka tähtäävät tiukimpiin hiukkasmäärän (PN) rajoihin – joissa tarvitaan tarkasti ohjattuja useita ruiskutuksia sykliä kohden seinämien kastumisen ja hiukkasten muodostumisen vähentämiseksi – hyötyvät eniten pietsosähköisestä toiminnasta bensiinin yhteydessä.

Kehittyvät sovellukset

Vedyn suoraruiskutus polttomoottoreille – uusi voimansiirtotekniikka ajoneuvoihin ja raskaaseen liikenteeseen – edustaa tulevaisuuden sovellusaluetta, jossa pietsosähköisten ruiskutussuuttimien suorituskyky on erityisen tärkeä. Vedyn alhainen energiatiheys, laaja syttyvyysalue ja erittäin suuri liekin nopeus luovat palamisdynamiikkaa, joka vaatii nopeaa ja tarkkaa ruiskutusohjausta epänormaalien palamistapahtumien välttämiseksi. Pietsosähköisten injektorien suuri vastenopeus ja suhteellinen ohjauskyky tekevät niistä hyvin sopivia vedyn DI-polton vaatimuksiin.

Pietsosähköisten suuttimien diagnostiikka, huolto ja vaihto

Pietsosähköisillä suuttimilla on erityisiä diagnostiikka- ja huoltovaatimuksia, jotka eroavat solenoidisuuttimista. Niiden korkeammat kustannukset – tyypillisesti 2–5 kertaa vastaavien solenoidisuuttimien kustannukset – tekevät ruiskutusjärjestelmän vikojen oikean diagnoosin tärkeäksi ennen vaihtamista. Niiden kalibrointikoodivaatimus tekee ohjelmoinnista pakollisen vaiheen kaikissa vaihtomenettelyissä.

Yleiset vikatilat

Pietsosähköiset injektorit voivat epäonnistua useiden mekanismien takia:

• Pietsosähköinen pinon delaminaatio tai halkeilu : Keraamiseen pinoon voi muodostua halkeamia tai yksittäisten kerrosten irtoamista, tyypillisesti lämpöshokin, polttoainejärjestelmän vesivasaran aiheuttaman mekaanisen iskun tai jännitepiikin vaurioiden seurauksena. Pinon vika aiheuttaa toimilaitteen toiminnan menetyksen, ja injektori siirtyy tyypillisesti oletusarvoisesti jumissa auki tai juuttunut kiinni -vikatilaan vian tyypistä riippuen.
• Neulaventtiili juuttuu tai jumittuu : Polttoaineen hajoamistuotteista tai palamisen takaiskusta kertynyt hiilikerrostuma neulaan ja istukkaan voi saada neulan tarttumaan, jolloin se ei tuota ruiskutusta (neula jumissa kiinni) tai jatkuvaa ruiskutusta (neula jumissa auki). Tämä vikatila on yleisempi huonolaatuisilla polttoaineilla tai moottoreissa, joiden huoltovälit ovat pitkiä polttoainesuodattimen vaihtoaikataulun ulkopuolella.
• Suuttimen rungon vuoto : Korkeapaineiset polttoaineliitännät ja suuttimen rungon tiiviste voivat vuotaa sisäisesti tai ulkoisesti, jolloin sisäinen vuoto aiheuttaa polttoaineen paluuvirtauksen lisääntymistä, mikä vähentää kiskon painetta ja ruiskutusmäärää, ja ulkoinen vuoto aiheuttaa palovaaran.
• Hydraulisen kytkimen huononeminen (suoratoimiset järjestelmät) : Hydrauliliittimen öljy voi heikentyä tai vuotaa kytkimen tiivisteelementtien ohi, mikä aiheuttaa lämpökompensointitoiminnon menetyksen ja asteittaisen ruiskutusmäärän siirtymisen, kun liittimen välys kasvaa tai pienenee kalibroidusta tilasta.

Diagnostinen lähestymistapa

Pietsosähköisten ruiskutussuuttimien viat diagnosoidaan ECU:n vikakoodin lukemisen, polttoainesuuttimen panoksen (sylinteritasapainon) testauksen, polttoaineen palautusmäärän mittauksen sekä suuttimen sähkövastuksen ja kapasitanssin testauksen avulla. Pietsosähköisen pinon kapasitanssi (mitattu ruiskun ollessa irrotettuna ajoneuvon johtosarjasta) on suora osoitus pinon eheydestä – halkeilevan tai irronneen pinon kapasitanssi on huomattavasti pienempi kuin spesifikaatioarvo, ja oikosuljetun pinon kapasitanssi on lähes nolla. Tämä kapasitanssitesti on lopullisin sähkötesti pinovirheiden varalta, ja se voidaan suorittaa tavallisella LCR-mittarilla, joka pystyy mittaamaan asianmukaista mittausaluetta.

Ruiskutusmäärän tarkkuus arvioidaan käyttämällä sylinterin panostasapainotestiä, joka on saatavilla useimmissa ajoneuvon kanssa yhteensopivissa diagnostisissa skannaustyökaluissa – tämä vertaa ruiskutuksen ohjausohjelmiston jokaiseen sylinteriin käyttämää joutokäyntinopeuden korjausta joutokäynnin laadun tasapainottamiseksi, sylintereihin, jotka tarvitsevat suuria positiivisia korjauksia, jotka osoittavat, että suuttimet antavat alle tavoitemäärän ja negatiiviset korjaukset osoittavat ylisyöttöä. Tämä testi tunnistaa, mikä injektori toimii toleranssin ulkopuolella, mutta ei tunnista vikamekanismia, joka aiheuttaa määrävirheen.

Korvausmenettely

Pietsosähköisen injektorin vaihtamiseen kuuluu mekaaninen irrotus ja asennus (joka noudattaa suunnilleen samanlaisia ​​vaiheita kuin solenoidisuuttimen vaihtaminen, kiinnittäen huomiota kuparitiivistealuslevyyn, hiilikerrostuman poistamiseen ruiskun reiästä ja kiristysjärjestelyn tai liitosmutterin oikeaan kiristysmomenttiin) ja kriittisen lisävaiheen ohjelmoimalla vaihtosuuttimen kalibrointikoodit ECU:n kalibrointikoodiin.

Kalibrointikoodit toimitetaan vaihtosuuttimen mukana (joko ruiskutussuuttimen rungossa tai pakkauksessa olevalla erillisellä tietokortilla), ja ne on syötettävä ECU:hun käyttämällä yhteensopivaa diagnostiikkatyökalua, joka tukee tietyn ajoneuvoalustan suuttimen koodaustoimintoa. Useimmat ammattitason diagnostiikkajärjestelmät tukevat pietsosähköisten ruiskutussuuttimien koodausta tärkeimmille moottorinhallintajärjestelmille (Bosch EDC17, Delphi DCM, Continental, Denso ja muut), ja toiminto on yleensä käytettävissä moottorin ECU:n erikoistoimintojen valikosta.

Jos kalibrointikoodeja ei ohjelmoida vaihdon jälkeen, ECU käyttää aiemman ruiskutussuuttimen koodeja (tai oletusarvoa) uuden ruiskutussuuttimen ohjaamiseen, mikä aiheuttaa ruiskutusmäärävirheitä, jotka ilmenevät karkeana joutokäynninä, savuna joutokäynnillä tai osakuormituksella, kohonneina päästöinä ja vaikeissa tapauksissa uuden suuttimen tai moottorin vaurioina yhden tai useamman polttoainesäiliön kroonisesta ylitankkauksesta. Injektorin koodaus vaihdon jälkeen on ei-valinnainen vaihe, ei suositeltu paras käytäntö.

Vertailu: Solenoidi vs. Pietsosähköiset suoraruiskutussuuttimet