Wtryskiwacz piezoelektryczny a wtryskiwacz z bezpośrednim wtryskiem: przewodnik techniczny

Wtryskiwacze paliwa w nowoczesnych silnikach: od wtrysku bezpośredniego po sterowanie piezoelektryczne

Wtryskiwacz paliwa to element wprowadzający paliwo do procesu spalania z precyzyjnym wyczuciem czasu, kontrolowaną ilością rozpylanego paliwa i widmem kropel zoptymalizowanym pod kątem szybkiego mieszania i całkowitego spalania. Ewolucja technologii wtryskiwaczy w ciągu ostatnich trzydziestu lat – od prostego wtrysku do otworu przelotowego, poprzez wczesny wtrysk bezpośredni, aż do obecnej generacji wtryskiwaczy piezoelektrycznych zdolnych do wielokrotnych wtrysków na cykl przy ciśnieniu wtrysku powyżej 2500 barów – była napędzana przez coraz bardziej rygorystyczne przepisy dotyczące emisji, cele w zakresie oszczędności paliwa i poszukiwanie wyższej mocy właściwej z silników o mniejszej pojemności skokowej.

Wtrysk bezpośredni i wtrysk piezoelektryczny nie są konkurencyjnymi alternatywami – reprezentują dwa poziomy tej samej hierarchii technologicznej. Wtryskiwacz piezoelektryczny to rodzaj wtryskiwacza z bezpośrednim wtryskiem, który do sterowania zaworem iglicowym wykorzystuje siłownik piezoelektryczny zamiast solenoidu. Bezpośredni wtrysk to kontekst aplikacji; Uruchomienie piezoelektryczne to mechanizm pozwalający na najwyższą wydajność wykonania wtrysku bezpośredniego.

Zrozumienie, jak działa każda technologia, dlaczego sterowanie piezoelektryczne zapewnia przewagę wydajności w porównaniu z bezpośrednim wtryskiem elektromagnetycznym oraz jakie są praktyczne implikacje dla wydajności silnika, diagnostyki i napraw, stanowi podstawę do podejmowania świadomych decyzji przy projektowaniu silnika, wyborze pojazdu i pracach serwisowych.

Wtryskiwacz bezpośredni : Zasady, ciśnienie i tworzenie się aerozolu

Wtryskiwacz z bezpośrednim wtryskiem wtryskuje paliwo bezpośrednio do komory spalania, a nie do otworu wlotowego przed zaworem dolotowym. Ta zasadnicza różnica w umiejscowieniu wtrysku – komora spalania a króciec dolotowy – umożliwia szereg funkcji układu spalania, których wtrysk do otworu dolotowego nie jest w stanie zapewnić, w tym jednorodne tworzenie ładunku przy wysokich ciśnieniach wtrysku, działanie ładowania warstwowego przy częściowym obciążeniu (w układach bezpośredniego wtrysku benzyny zaprojektowanych dla tego trybu), chłodzenie ładunku poprzez odparowanie paliwa bezpośrednio w komorze spalania oraz precyzyjną kontrolę masy wtryskiwanego paliwa cykl po cyklu, niezależnie od dynamiki kolektora dolotowego.

Bezpośredni wtrysk benzyny (GDI)

W silnikach benzynowych z bezpośrednim wtryskiem (GDI) paliwo jest wtryskiwane pod ciśnieniem zazwyczaj w zakresie od 100 barów do 350 barów w nowoczesnych układach, a w niektórych zaawansowanych silnikach stosuje się ciśnienia do 500 barów. Wysokie ciśnienie wtrysku wytwarza drobne kropelki, które szybko atomizują gorący, sprężony ładunek w cylindrze. Odparowanie kropelek paliwa bezpośrednio w komorze spalania pochłania ciepło z ładunku, obniżając temperaturę ładunku i umożliwiając wyższy stopień sprężania (co poprawia sprawność termodynamiczną) bez wystąpienia nieprawidłowego spalania (stuku), które ograniczałoby stopień sprężania w równoważnym silniku z wtryskiem do otworu.

Układy wtryskowe GDI charakteryzują się ciśnieniem wtrysku (za pośrednictwem wysokociśnieniowej pompy paliwa napędzanej z wałka rozrządu), liczbą wtrysków na cykl (która stopniowo zwiększa się z pojedynczego wtrysku do pięciu lub więcej w układach obecnej generacji) oraz geometrią rozpylania dyszy wtryskiwacza – niezależnie od tego, czy jest to układ wielootworowy wytwarzający dyskretne strumienie rozpylające, wtryskiwacz wirowy wytwarzający strumień pustego stożka czy nowsza konstrukcja zaworu czopowego otwierającego się na zewnątrz.

Bezpośredni wtrysk oleju napędowego Common Rail

Bezpośredni wtrysk oleju napędowego poprzez system Common Rail to dominująca architektura wtrysku oleju napędowego w samochodach osobowych, lekkich pojazdach użytkowych i coraz częściej w zastosowaniach ciężkich. Układ Common Rail przechowuje paliwo pod docelowym ciśnieniem wtrysku (od 1600 barów we wczesnych systemach do 2700 barów w ciężkich układach obecnej generacji) we wspólnym akumulatorze – szynie – z którego poszczególne wtryskiwacze pobierają paliwo. Magazynowanie wysokiego ciśnienia w szynie oddziela ciśnienie wtrysku od prędkości obrotowej silnika, umożliwiając wykorzystanie maksymalnego ciśnienia wtrysku w dowolnym punkcie pracy silnika, zamiast ograniczać się do warunków wysokich prędkości, jak w poprzednich układach wtrysku typu pompa-dysza.

Wtryskiwacze Common Rail do silników wysokoprężnych muszą działać niezawodnie w zakresie ciśnień od biegu jałowego do szczytowego ciśnienia przy pełnym obciążeniu, otwierać i zamykać zawór iglicowy z czasem reakcji w zakresie od mikrosekund do milisekund, aby uzyskać precyzyjny czas i czas trwania wtrysku oraz zachować dokładność dawki wtrysku przez miliony wtrysków przy minimalnym odchyleniu wydajności. Wymagania te wymagają precyzyjnych tolerancji produkcyjnych, najwyższej jakości materiałów i mechanizmu uruchamiającego zdolnego spełnić wymagania dotyczące czasu reakcji i siły w pełnym zakresie roboczym.

Zawór iglicowy wtryskiwacza i tworzenie się sprayu

Zawór iglicowy znajdujący się na końcu korpusu wtryskiwacza jest elementem sterującym przepływem paliwa z układu paliwowego wysokiego ciśnienia do komory spalania. Kiedy igła podnosi się z gniazda, paliwo pod wysokim ciśnieniem przepływa przez worek na końcu dyszy i wychodzi przez określoną liczbę otworów (zazwyczaj od 5 do 10 w nowoczesnych dyszach diesla, od 3 do 12 w dyszach GDI) w postaci strumieni o dużej prędkości, które atomizują się w drobne kropelki w wyniku turbulentnego rozpadu i aerodynamicznej interakcji z gęstym powietrzem doładowującym w cylindrze.

Skok zaworu iglicowego, prędkość otwierania i zamykania oraz różnica ciśnień na otworach dysz w momencie otwierania wpływają na początkowy rozkład wielkości kropel, penetrację strumienia (jak daleko przemieszczają się strumienie rozpylacza, zanim stracą pęd i zmieszają się z ładunkiem) oraz ilość wtryskiwanego paliwa w jednym zdarzeniu. Mechanizm uruchamiający wtryskiwacz – elektromagnetyczny lub piezoelektryczny – bezpośrednio steruje szybkością i dokładnością ruchu zaworu iglicowego, co czyni go kluczowym czynnikiem wpływającym na jakość wtrysku.

Sterowanie elektromagnesem we wtryskiwaczach z wtryskiem bezpośrednim

Większość obecnie używanych wtryskiwaczy z wtryskiem bezpośrednim wykorzystuje zawór elektromagnetyczny jako mechanizm uruchamiający. Wtryskiwacz elektromagnetyczny jest konstrukcją dominującą od czasu wprowadzenia wtrysku Common Rail w latach 90. XX wieku i pozostaje najpowszechniej produkowanym na świecie typem wtryskiwaczy z wtryskiem bezpośrednim.

Jak działa wtryskiwacz elektromagnetyczny

We wtryskiwaczu oleju napędowego typu Common Rail uruchamianym elektromagnetycznie zawór iglicowy nie jest napędzany bezpośrednio przez elektromagnes. Zamiast tego elektromagnes steruje małym zaworem sterującym (dwudrożnym lub trójdrogowym zaworem sterującym) w wysokociśnieniowym obwodzie paliwa w korpusie wtryskiwacza. Zawór sterujący steruje ciśnieniem w hydraulicznej komorze sterującej nad igłą, co decyduje o tym, czy siła hydrauliczna netto działająca na igłę jest skierowana w stronę gniazda (igła zamknięta, wtrysk zatrzymany), czy od gniazda (igła otwarta, wtrysk w toku).

Gdy elektromagnes jest zasilany, otwiera zawór sterujący, upuszczając ciśnienie w komorze sterującej i powracając (niskie ciśnienie). Różnica ciśnień pomiędzy komorą kontrolną a ciśnieniem w dyszy działa na igłę w górę, unosząc ją z gniazda i inicjując wtrysk. Po odłączeniu zasilania elektromagnesu zawór sterujący zamyka się, ciśnienie w komorze sterującej odbudowuje się, a igła powraca na swoje miejsce pod wpływem połączonego działania hydraulicznej siły przywracającej i sprężyny igłowej. Czas wtrysku jest zatem okresem pomiędzy włączeniem zasilania elektromagnesu a wyłączeniem zasilania, a wtryśnięta ilość jest określana przez całkę natężenia przepływu w tym czasie.

Nieodłącznym ograniczeniem uruchamiania elektromagnesu przy wtrysku bezpośrednim jest czas reakcji mechanicznej układu elektrozawór-igła. Elektromagnesy elektromagnetyczne wymagają czasu na wytworzenie i załamanie pola magnetycznego, a obwód wzmocnienia hydraulicznego dodaje dodatkowe opóźnienie między uruchomieniem elektromagnesu a reakcją zaworu iglicowego. Ogranicza to minimalny osiągalny czas wtrysku i minimalną odstęp między kolejnymi wtryskami, ograniczając liczbę wtrysków, które można wykonać w ciągu jednego cyklu silnika przy dużych prędkościach obrotowych silnika.

Wtryskiwacz piezoelektryczny : Jak działa sterowanie piezoelektryczne

Wtryskiwacz piezoelektryczny zastępuje siłownik elektromagnetyczny piezoelektrycznym siłownikiem stosowym – kolumną piezoelektrycznych elementów ceramicznych (najczęściej tytanianu cyrkonu ołowiu, czyli PZT), które rozszerzają się, gdy przyłożone jest do nich napięcie, i kurczą się, gdy napięcie jest usuwane. To fizyczne rozszerzanie i kurczenie się stosu zapewnia siłę uruchamiającą i przemieszczenie, które sterują zaworem sterującym wtryskiwacza lub, w niektórych konstrukcjach, bezpośrednio sterują położeniem zaworu iglicowego.

Efekt piezoelektryczny w siłownikach wtryskiwaczy

Ceramika piezoelektryczna wykazuje odwrotny efekt piezoelektryczny: gdy na ceramikę przyłożone jest pole elektryczne, materiał odkształca się mechanicznie. W stosach PZT przeznaczonych do siłowników wtryskiwaczy paliwa napięcie od 100 do 200 V przyłożone do stosu składającego się z 200 do 400 pojedynczych płytek ceramicznych (każdy o grubości około 0,1 mm) powoduje całkowite przemieszczenie liniowe wynoszące około 30 do 60 mikrometrów. Przemieszczenie następuje w ciągu mikrosekund od przyłożenia napięcia — ta niemal natychmiastowa reakcja stanowi podstawową zaletę działania uruchamiania piezoelektrycznego w porównaniu z uruchamianiem elektromagnetycznym we wtryskiwaczach z bezpośrednim wtryskiem.

Zależność między przyłożonym napięciem a przemieszczeniem stosu jest prawie liniowa, co oznacza, że ​​częściowe przyłożenie napięcia powoduje proporcjonalne częściowe przemieszczenie. Ta cecha umożliwia wtryskiwaczowi piezoelektrycznemu wykonywanie precyzyjnych częściowych podniesień zaworu sterującego lub igły – wtryskiwanie małych, precyzyjnie kontrolowanych ilości przy dowolnej części pełnego wzniesienia igły, której system elektromagnetyczny nie jest w stanie odtworzyć.

Wtryskiwacze piezoelektryczne bezpośredniego działania i wzmacniane hydraulicznie

W pojazdach produkcyjnych stosowane są dwie główne architektury wtryskiwaczy piezoelektrycznych:

• Hydraulicznie wzmocniony wtryskiwacz piezoelektryczny : Stos piezoelektryczny uruchamia serwozawór w wysokociśnieniowym obwodzie paliwa (w zasadzie podobnie jak w przypadku elektromagnetycznego zaworu sterującego), który następnie hydraulicznie reguluje położenie iglicy. Stopień wzmocnienia hydraulicznego zwielokrotnia małe mechaniczne przemieszczenie stosu piezoelektrycznego w celu uzyskania większego uniesienia igły, kosztem pewnego czasu reakcji. Jest to architektura zastosowana w Bosch CRI3 (wtryskiwacz Common Rail) i podobnych układach, które były pierwszymi komercyjnymi piezoelektrycznymi wtryskiwaczami diesla.
• Wtryskiwacz piezoelektryczny bezpośredniego działania : W tej architekturze stos piezoelektryczny jest mechanicznie połączony bezpośrednio z zaworem iglicowym za pomocą elementu sprzęgającego, zazwyczaj łącznika hydraulicznego, który kompensuje zależne od temperatury zmiany wymiarów stosu i materiałów korpusu wtryskiwacza (oba mają różne współczynniki rozszerzalności cieplnej). Bezpośrednie połączenie całkowicie eliminuje hydrauliczny obwód sterujący, zapewniając najszybszą możliwą reakcję – otwarcie iglicy w ciągu około 50 do 100 mikrosekund od przyłożenia napięcia. Firma Delphi (obecnie BorgWarner Fuel Systems) jako pierwsza wprowadziła do produkcji bezpośrednio działający piezoelektryczny wtryskiwacz Common Rail, a architektura ta zapewnia najwyższą prędkość reakcji wtrysku dostępną w obecnej technologii.

Złącze hydrauliczne w układach bezpośredniego działania

Złącze hydrauliczne w wtryskiwaczu piezoelektrycznym bezpośredniego działania to mała, szczelna komora hydrauliczna pomiędzy stosem piezoelektrycznym a prętem sprzęgającym zaworu iglicowego. Jego podstawową funkcją jest kompensowanie różnicy netto w rozszerzalności cieplnej pomiędzy stalowym korpusem wtryskiwacza a ceramicznym stosem PZT, która w przeciwnym razie spowodowałaby dostarczanie przez wtryskiwacz nieprzewidywalnych ilości w miarę zmian temperatury podczas nagrzewania i pracy przy pełnym obciążeniu. Złącze hydrauliczne wiernie przenosi siłę mechaniczną ze stosu na łącznik igłowy podczas szybkiej dynamiki wtrysku (skala czasu od mikrosekund do milisekund), jednocześnie powoli przeciekając, aby skompensować różnice rozszerzalności cieplnej (skala czasu od sekundy do minuty). Ta elegancka konstrukcja mechaniczna jest jednym z kluczowych osiągnięć inżynieryjnych wtryskiwacza piezoelektrycznego bezpośredniego działania i ma fundamentalne znaczenie dla jego długoterminowej stabilności ilości wtrysku.

Zalety wydajności wtryskiwaczy piezoelektrycznych w porównaniu z wtryskiwaczami elektromagnetycznymi

Zalety wydajnościowe uruchamiania piezoelektrycznego w porównaniu z uruchamianiem elektromagnetycznym we wtryskiwaczach z wtryskiem bezpośrednim spowodowały przyjęcie wtryskiwaczy piezoelektrycznych w zastosowaniach o najwyższej wydajności i najbardziej wrażliwych na emisję, szczególnie w układach Common Rail w silnikach wysokoprężnych, gdzie wymagania dotyczące precyzji wtrysku są największe.

Szybszy czas reakcji

Siłowniki piezoelektryczne reagują w mikrosekundach w porównaniu do milisekundowych skali czasu siłowników elektromagnetycznych. Ta szybsza reakcja umożliwia krótsze minimalne czasy wtrysku, co ma kluczowe znaczenie w przypadku wtrysku wstępnego i po wtrysku, stosowanych w zaawansowanych układach spalania silników wysokoprężnych w celu zmniejszenia hałasu spalania, kontroli emisji cząstek stałych i wspomagania regeneracji filtra cząstek stałych. Wtryskiwacz piezoelektryczny może niezawodnie wtryskiwać ilości poniżej 1 mm3 na skok — ilości, które wymagałyby zbyt krótkich czasów wtrysku, aby wtryskiwacz elektromagnetyczny mógł dokładnie sterować.

Wyższa liczba zdarzeń wtrysku na cykl

Minimalna odległość pomiędzy kolejnymi wtryskami (czas przerwy pomiędzy wtryskami) jest krótsza w przypadku wtryskiwaczy piezoelektrycznych niż w przypadku wtryskiwaczy elektromagnetycznych, ponieważ zawór iglicowy szybciej osiąga położenie całkowicie zamknięte po wydaniu polecenia. Nowoczesne piezoelektryczne wtryskiwacze Common Rail do silników wysokoprężnych mogą wykonywać do ośmiu lub więcej wtrysków na cykl (wielu pilotów, wtrysk główny i wielokrotne wtryski wtórne) przy wysokich prędkościach obrotowych silnika, gdzie wtryskiwacze elektromagnetyczne byłyby ograniczone do mniejszej liczby wtrysków ze względu na ich wolniejszą reakcję. Zwiększona liczba wtrysków na cykl umożliwia stosowanie strategii spalania, które radykalnie redukują hałas (kilka małych wtrysków pilotowych przed głównym zdarzeniem, wstępnie mieszają niewielką ilość paliwa przed zapłonem, zmniejszając szybkość wzrostu ciśnienia) i emisję (wtryski końcowe wspomagają strategie oczyszczania cząstek stałych i redukcji NOx).

Proporcjonalna kontrola podnoszenia igły

Ponieważ przemieszczenie stosu piezoelektrycznego jest proporcjonalne do przyłożonego napięcia, skok zaworu iglicowego można kontrolować w położeniach pośrednich, zamiast ograniczać się do całkowitego otwarcia lub całkowitego zamknięcia. Ta funkcja proporcjonalnego sterowania pozwala na ciągłą zmianę natężenia przepływu przez otwory dysz podczas wtrysku – jest to funkcja zwana kształtowaniem szybkości – w ramach której prędkość dostarczania paliwa jest celowo kontrolowana tak, aby odpowiadała pożądanemu profilowi ​​(na przykład zwiększanie na początku wtrysku, utrzymujące się plateau podczas wtrysku głównego i kontrolowane zmniejszanie na końcu). Kształtowanie dawki może dodatkowo zmniejszyć hałas spalania i emisję NOx w porównaniu z konwencjonalnymi prostokątnymi profilami szybkości wtrysku.

Niższe zużycie energii i wytwarzanie ciepła

Piezoelektryczne siłowniki pojemnościowe magazynują i zwracają energię elektryczną podczas każdego cyklu wtrysku (stos magazynuje energię w postaci ładunku po przyłożeniu napięcia i zwraca ją po rozładowaniu), w przeciwieństwie do siłowników elektromagnetycznych, które przekształcają energię elektryczną w ciepło w rezystancji cewki. Ten pojemnościowy odzysk energii oznacza, że ​​szczytowe zapotrzebowanie mocy na elektronikę sterownika wtryskiwacza jest wysokie, ale zużycie energii netto na wtrysk jest niższe niż w przypadku równoważnego układu elektromagnetycznego. Niższe wytwarzanie ciepła w samym siłowniku zmniejsza naprężenia termiczne elementów wtryskiwacza i upraszcza wymagania dotyczące zarządzania temperaturą w elektronice sterownika wtryskiwacza.

Elektronika sterownika wtryskiwaczy piezoelektrycznych i strategia sterowania

Wtryskiwacz piezoelektryczny wymaga dedykowanego obwodu sterownika wysokiego napięcia w jednostce sterującej silnika (ECU) lub oddzielnego modułu sterownika wtryskiwacza. Sterowanie wtryskiwaczem piezoelektrycznym zasadniczo różni się od napędzania wtryskiwacza elektromagnetycznego, ponieważ siłownik piezoelektryczny jest obciążeniem pojemnościowym, a nie indukcyjnym.

Aby otworzyć wtryskiwacz, sterownik ładuje stos piezoelektryczny do docelowego napięcia – zwykle od 100 V do 200 V – z banku kondensatorów o wzmocnionym zasilaniu. Prąd ładowania jest kontrolowany w celu wytworzenia pożądanej szybkości narastania napięcia, która określa prędkość otwierania igły i szybkość wtrysku podczas stanu przejściowego otwierania. Aby zamknąć wtryskiwacz, zmagazynowany ładunek jest odprowadzany ze stosu z powrotem do kondensatorów zasilających w celu odzyskania.

Dokładny poziom napięcia przyłożonego do stosu określa stopień wzniesienia iglicy, co bezpośrednio wpływa na ilość wtryskiwanego paliwa przy danym ciśnieniu wtrysku. Dlatego ECU musi kontrolować napięcie wyjściowe sterownika z dużą dokładnością – zwykle w zakresie od 1 do 2 woltów w całym zakresie roboczym – aby osiągnąć dokładność dawki wtrysku wymaganą dla zgodności z normami emisji i właściwości jezdnych. Korekta ilości wtrysku w zamkniętej pętli z wykorzystaniem danych z modułu pomiaru natężenia przepływu lub czujnika uniesienia igły jest powszechnie stosowana w celu kompensacji zmian między wtryskiwaczami i długoterminowego dryfu charakterystyki reakcji stosu.

Dane kalibracyjne specyficzne dla wtryskiwacza

Wtryskiwacze piezoelektryczne są indywidualnie kalibrowane podczas produkcji i przypisywany jest im zestaw kodów korekcyjnych (kody IMA, kody C3I lub ich odpowiedniki w zależności od producenta i platformy pojazdu), które kodują specyficzną charakterystykę działania wtryskiwacza w kluczowych punktach pracy w stosunku do specyfikacji nominalnej. Te kody korekcyjne są programowane w ECU po zainstalowaniu wtryskiwacza, umożliwiając oprogramowaniu sterującemu wtryskiem kompensację charakterystyki poszczególnych wtryskiwaczy i dostarczanie dokładnych ilości wtrysku pomimo odchyleń produkcyjnych w dopuszczalnym zakresie tolerancji. W przypadku wymiany wtryskiwacza piezoelektrycznego istotnym krokiem jest zaprogramowanie kodów kalibracyjnych wtryskiwacza zamiennego w ECU — niezastosowanie się do tego spowoduje błędy w ilości wtrysku, które powodują nierówną pracę, zwiększoną emisję spalin i potencjalne uszkodzenie silnika w wyniku przepełnienia paliwa.

Zastosowania wtryskiwaczy piezoelektrycznych w pojazdach produkcyjnych

Wtryskiwacze piezoelektryczne zostały po raz pierwszy wprowadzone do produkowanych samochodów osobowych z silnikiem Diesla na początku XXI wieku i od tego czasu zostały zastosowane w szerokiej gamie zastosowań z bezpośrednim wtryskiem oleju napędowego i benzyny, szczególnie tam, gdzie wymagana jest najwyższa wydajność wtrysku i zdolność do emisji.

Zastosowania Diesla

Piezoelektryczne wtryskiwacze Common Rail są stosowane w silnikach wysokoprężnych samochodów osobowych i lekkich pojazdów użytkowych wielu producentów. Systemy piezoelektryczne bezpośredniego działania CRI3 (Common Rail 3) firmy Bosch i DFI1 (później DCO) firmy Delphi były wczesnymi przedstawicielami produkcji, a od tego czasu technologia była udoskonalana przez wiele generacji, aby osiągnąć obecne systemy pracujące pod ciśnieniem w szynie do 2700 barów przy liczbie wtrysków od siedmiu do ośmiu na cykl. Oprócz samochodów osobowych, wtrysk piezoelektryczny jest stosowany w ciężkich silnikach wysokoprężnych do samochodów ciężarowych i sprzętu terenowego, gdzie korzyści w zakresie wydajności wtrysku w zakresie zgodności z normami emisji (normy Euro VI, EPA 2010 i nowsze) uzasadniają wyższy koszt wtryskiwaczy w porównaniu z układami elektromagnetycznymi.

Zastosowania bezpośredniego wtrysku benzyny

Uruchamianie piezoelektryczne jest również stosowane w układach bezpośredniego wtrysku benzyny, chociaż niższe ciśnienia wtrysku w GDI (100 do 500 barów w porównaniu z 1600 do 2700 barów w oleju napędowym) oznaczają, że zalety uruchamiania piezoelektrycznego w porównaniu z uruchamianiem elektromagnetycznym są mniej ekstremalne niż w przypadku wtrysku Common Rail z silnikiem wysokoprężnym. Wysokowydajne zastosowania i systemy GDI, których zadaniem jest osiągnięcie najściślejszych limitów liczby cząstek stałych (PN) – tam, gdzie potrzebne są precyzyjnie kontrolowane wielokrotne wtryski na cykl, aby ograniczyć zwilżanie ścian i tworzenie się cząstek stałych – w kontekście silników benzynowych największe korzyści przynosi uruchamianie piezoelektryczne.

Pojawiające się aplikacje

Bezpośredni wtrysk wodoru do silników spalinowych – nowa technologia układów napędowych do pojazdów i transportu ciężkiego – stanowi przyszły obszar zastosowań, w którym szczególnie istotna jest wydajność wtryskiwaczy piezoelektrycznych. Niska gęstość energii wodoru, szeroki zakres palności i bardzo duża prędkość płomienia powodują dynamikę spalania wymagającą szybkiej i precyzyjnej kontroli wtrysku, aby uniknąć nieprawidłowych zdarzeń spalania. Wysoka prędkość reakcji i możliwość proporcjonalnego sterowania wtryskiwaczami piezoelektrycznymi sprawiają, że są one dobrze dostosowane do wymagań spalania wodoru DI.

Diagnostyka, konserwacja i wymiana wtryskiwaczy piezoelektrycznych

Wtryskiwacze piezoelektryczne stawiają specyficzne wymagania diagnostyczne i serwisowe, różniące się od wtryskiwaczy elektromagnetycznych. Ich wyższy koszt – zwykle od dwóch do pięciu razy większy od równoważnych wtryskiwaczy elektromagnetycznych – sprawia, że ​​przed podjęciem decyzji o wymianie ważna jest prawidłowa diagnostyka usterek układu wtryskowego. Wymóg dotyczący kodu kalibracji sprawia, że ​​programowanie jest obowiązkowym krokiem w każdej procedurze wymiany.

Typowe tryby awarii

Wtryskiwacze piezoelektryczne mogą zawieść z powodu kilku mechanizmów:

• Rozwarstwienie lub pękanie stosu piezoelektrycznego : Na stosie ceramicznym mogą pojawić się pęknięcia lub rozwarstwienie poszczególnych warstw, zwykle na skutek szoku termicznego, wstrząsu mechanicznego spowodowanego uderzeniem wodnym w układzie paliwowym lub uszkodzenia skoków napięcia. Awaria stosu powoduje utratę funkcji siłownika, przy czym wtryskiwacz zazwyczaj domyślnie przechodzi w tryb awarii w stanie zablokowania lub zablokowania, w zależności od rodzaju awarii.
• Zablokowanie lub zatarcie zastawki iglicowej : Nagromadzenie się węgla na iglicy i gnieździe z produktów degradacji paliwa lub przedmuchu spalania może spowodować zakleszczenie iglicy, powodując brak wtrysku (igła zablokowana w pozycji zamkniętej) lub wtrysk ciągły (igła zablokowana otwarta). Ten rodzaj awarii występuje częściej w przypadku paliw złej jakości lub w silnikach, w których okresy międzyobsługowe są wydłużone poza harmonogramem wymiany filtra paliwa.
• Wyciek korpusu wtryskiwacza : Wysokociśnieniowe połączenia paliwowe i uszczelnienie korpusu wtryskiwacza mogą przeciekać wewnętrznie lub zewnętrznie, przy czym wyciek wewnętrzny powoduje wzrost przepływu powrotnego paliwa, co zmniejsza ciśnienie w szynie i ilość wtrysku, a wyciek zewnętrzny stwarza ryzyko pożaru.
• Degradacja sprzęgła hydraulicznego (układy działania bezpośredniego) : Olej w sprzęgle hydraulicznym może ulec degradacji lub wyciekać przez elementy uszczelniające sprzęgu, powodując utratę funkcji kompensacji termicznej i postępujący dryf dawki wtrysku w miarę zwiększania się lub zmniejszania luzu łącznika w stosunku do stanu skalibrowanego.

Podejście diagnostyczne

Usterki wtryskiwaczy piezoelektrycznych diagnozuje się poprzez połączenie odczytu kodów usterek ECU, testowania udziału wtryskiwaczy paliwa (wyważenia cylindrów), pomiaru ilości paliwa powracającego oraz testowania rezystancji elektrycznej i pojemności wtryskiwaczy. Pojemność stosu piezoelektrycznego (mierzona przy odłączonym wtryskiwaczu od wiązki przewodów pojazdu) jest bezpośrednim wskaźnikiem integralności stosu — pęknięty lub rozwarstwiony stos będzie wykazywał znacznie zmniejszoną pojemność w porównaniu do wartości podanej w specyfikacji, a zwarty stos będzie miał pojemność bliską zeru. Ten test pojemności jest najbardziej ostatecznym testem elektrycznym pod kątem uszkodzenia stosu i można go wykonać za pomocą standardowego miernika LCR o odpowiednim zakresie pomiarowym.

Dokładność ilości wtrysku ocenia się za pomocą testu zrównoważenia wkładu do cylindra, dostępnego w większości diagnostycznych narzędzi skanujących kompatybilnych z pojazdem — porównuje się w nim korektę prędkości biegu jałowego zastosowaną do każdego cylindra przez oprogramowanie sterujące wtryskiem w celu zrównoważenia jakości biegu jałowego, przy czym cylindry wymagają dużych dodatnich korekt, wskazując, że wtryskiwacze dostarczają poniżej dawki docelowej, a ujemne poprawki wskazują na nadmierną dostawę. Ten test identyfikuje, który wtryskiwacz przekracza tolerancję, ale nie identyfikuje mechanizmu awarii powodującego błąd ilościowy.

Procedura wymiany

Wymiana wtryskiwacza piezoelektrycznego obejmuje mechaniczny demontaż i montaż (który przebiega zasadniczo w podobny sposób, jak wymiana wtryskiwacza elektromagnetycznego, zwracając uwagę na miedzianą podkładkę uszczelniającą, usunięcie nagaru z otworu wtryskiwacza i prawidłowy moment obrotowy dla układu zaciskowego lub nakrętki złączkowej) oraz krytyczny dodatkowy krok polegający na zaprogramowaniu kodów kalibracji zamiennego wtryskiwacza w ECU.

Kody kalibracyjne są dostarczane z zamienny wtryskiwaczem (na etykiecie na korpusie wtryskiwacza lub na osobnej karcie danych w opakowaniu) i należy je wprowadzić do ECU za pomocą kompatybilnego narzędzia diagnostycznego, które obsługuje funkcję kodowania wtryskiwaczy dla konkretnej platformy pojazdu. Większość profesjonalnych systemów diagnostycznych obsługuje kodowanie wtryskiwaczy piezoelektrycznych dla głównych systemów zarządzania silnikiem (Bosch EDC17, Delphi DCM, Continental, Denso i inne), a funkcja jest zazwyczaj dostępna w menu funkcji specjalnych ECU silnika.

Niezaprogramowanie kodów kalibracyjnych po wymianie spowoduje, że ECU użyje kodów poprzedniego wtryskiwacza (lub wartości domyślnej) do sterowania nowym wtryskiwaczem, powodując błędy ilości wtrysku, które objawiają się nierówną pracą na biegu jałowym, dymieniem na biegu jałowym lub przy częściowym obciążeniu, podwyższonymi emisjami, a w poważnych przypadkach uszkodzeniem nowego wtryskiwacza lub silnika na skutek chronicznego nadmiernego tankowania jednego lub więcej cylindrów. Kodowanie wtryskiwaczy po wymianie nie jest krokiem opcjonalnym i nie jest zalecaną najlepszą praktyką.

Porównanie: wtryskiwacze elektromagnetyczne i piezoelektryczne z bezpośrednim wtryskiem