Piezoelektrický vstrekovač vs vstrekovač s priamym vstrekovaním: Technická príručka

Vstrekovače paliva v moderných motoroch: Od priameho vstrekovania po piezoelektrické ovládanie

Vstrekovač paliva je komponent, ktorý privádza palivo do spaľovacieho procesu s presným časovaním, riadeným množstvom spreja a spektrom kvapiek optimalizovaným pre rýchle premiešanie a úplné spaľovanie. Vývoj technológie vstrekovačov za posledné tri desaťročia – od jednoduchého vstrekovania cez port cez skoré priame vstrekovanie až po súčasnú generáciu piezoelektrických vstrekovačov schopných viacerých vstrekov za cyklus pri vstrekovacom tlaku nad 2 500 barov – bol poháňaný čoraz náročnejšími emisnými predpismi, cieľmi v oblasti spotreby paliva a hľadaním vyššieho špecifického výkonu motorov s menším objemom.

Priame vstrekovanie a piezoelektrické vstrekovanie nie sú konkurenčnými alternatívami – predstavujú dve úrovne rovnakej technologickej hierarchie. Piezoelektrický vstrekovač je typ vstrekovača s priamym vstrekovaním, ktorý na ovládanie ihlového ventilu používa skôr piezoelektrický ovládač ako solenoid. Priame vstrekovanie je kontext aplikácie; piezoelektrické ovládanie je mechanizmus, ktorý umožňuje najvýkonnejšie vykonávanie priameho vstrekovania.

Pochopenie toho, ako jednotlivé technológie fungujú, prečo piezoelektrické ovládanie poskytuje výkonnostné výhody oproti priamemu vstrekovaniu solenoidom a aké sú praktické dôsledky pre výkon motora, diagnostiku a opravy, poskytuje základ pre informované rozhodnutia pri konštrukcii motora, výbere vozidla a servisných prácach.

Injektor s priamym vstrekovaním : Princípy, tlak a tvorba spreja

Injektor s priamym vstrekovaním vstrekuje palivo priamo do spaľovacej komory a nie do sacieho otvoru pred sacím ventilom. Tento zásadný rozdiel v mieste vstrekovania – spaľovacia komora oproti saciemu otvoru – umožňuje celý rad funkcií spaľovacieho systému, ktoré vstrekovanie cez port nemôže poskytnúť, vrátane homogénnej tvorby náplne pri vysokých vstrekovacích tlakoch, prevádzky vrstvenej náplne pri čiastočnom zaťažení (v systémoch priameho vstrekovania benzínu navrhnutých pre tento režim), chladenia náplne odparovaním paliva priamo v spaľovacej komore a presného riadenia hmotnosti vstrekovaného paliva po jednotlivých cykloch nezávisle od dynamiky sacieho potrubia.

Priame vstrekovanie benzínu (GDI)

V benzínových motoroch s priamym vstrekovaním (GDI) sa palivo v moderných systémoch zvyčajne vstrekuje pri tlakoch od 100 barov do 350 barov, pričom niektoré pokročilé motory používajú tlaky až 500 barov. Vysoký vstrekovací tlak vytvára jemné kvapôčky, ktoré sa rýchlo rozprašujú v horúcej, stlačenej náplni vo valci. Odparovanie kvapôčok paliva priamo v spaľovacej komore absorbuje teplo z náplne, znižuje teplotu náplne a umožňuje vyššie kompresné pomery (ktoré zlepšujú termodynamickú účinnosť) bez začiatku abnormálneho spaľovania (klepania), ktoré by obmedzovalo kompresný pomer v ekvivalentnom motore so vstrekovaním do otvoru.

Vstrekovacie systémy GDI sa vyznačujú dodávkou vstrekovacieho tlaku (cez vysokotlakové palivové čerpadlo poháňané z vačkového hriadeľa), počtom vstrekovacích udalostí za cyklus (ktorý sa postupne zvýšil z jedného vstrekovania na päť alebo viac v systémoch súčasnej generácie) a geometriou vstrekovacej dýzy - či už ide o viacotvorový vzor vytvárajúci diskrétne rozprašovacie prúdy, vírivý vstrekovač, ktorý vytvára dutý ventil alebo novší rozstrek s otvoreným čapom.

Priame vstrekovanie nafty Common Rail

Priame vstrekovanie nafty cez systém Common Rail je dominantnou architektúrou vstrekovania nafty v osobných automobiloch, ľahkých úžitkových vozidlách a čoraz častejšie aj v aplikáciách pre ťažké úžitkové vozidlá. Common Rail ukladá palivo pri cieľovom vstrekovacom tlaku (v rozmedzí od 1 600 barov v skorých systémoch po 2 700 barov v súčasných generáciách vysokovýkonných systémov) v zdieľanom objeme akumulátora – koľajnici – z ktorého jednotlivé vstrekovače čerpajú palivo. Vysokotlakový zásobník v koľajnici oddeľuje vstrekovací tlak od otáčok motora, čo umožňuje použitie maximálneho vstrekovacieho tlaku v akomkoľvek prevádzkovom bode motora a nie je obmedzené na vysokorýchlostné podmienky ako v predchádzajúcich vstrekovacích systémoch čerpadlo-potrubie-dýza.

Naftové vstrekovače Common Rail musia spoľahlivo fungovať v tlakovom rozsahu od voľnobehu po špičkový tlak pri plnom zaťažení, otvárať a zatvárať ihlový ventil s dobou odozvy v rozsahu mikrosekúnd až milisekúnd, aby sa dosiahlo presné načasovanie a trvanie vstreku a aby sa zachovala presnosť vstrekovaného množstva počas miliónov vstrekovacích udalostí s minimálnym kolísaním výkonu. Tieto požiadavky vyžadujú presné výrobné tolerancie, materiály najvyššej kvality a ovládací mechanizmus schopný splniť požiadavky na čas odozvy a silu v celom prevádzkovom rozsahu.

Injektorový ihlový ventil a tvorba spreja

Ihlový ventil na konci telesa vstrekovača je prvkom, ktorý riadi tok paliva z vysokotlakového palivového systému do spaľovacej komory. Keď sa ihla zdvihne zo sedla, vysokotlakové palivo prúdi cez objem vrecka na špičke dýzy a vystupuje cez definovaný počet otvorov (zvyčajne 5 až 10 v moderných dieselových dýzach, 3 až 12 v dýzach GDI) ako vysokorýchlostné prúdy, ktoré sa rozprašujú na jemné kvapôčky prostredníctvom turbulentného rozpadu a aerodynamickej interakcie s hustým plniacim vzduchom vo valci.

Zdvih ihlového ventilu, rýchlosť otvárania a zatvárania a tlakový rozdiel v otvoroch dýzy v momente otvorenia ovplyvňujú počiatočnú distribúciu veľkosti kvapiek, penetráciu spreja (ako ďaleko prúdy spreja prejdú pred stratou hybnosti a zmiešaním s náplňou) a množstvo vstrekovaného paliva na udalosť. Ovládací mechanizmus vstrekovača – či už solenoidový alebo piezoelektrický – priamo riadi rýchlosť a presnosť pohybu ihlového ventilu, čo z neho robí kľúčový determinant kvality vstrekovania.

Solenoidové ovládanie v vstrekovačoch s priamym vstrekovaním

Väčšina vstrekovačov s priamym vstrekovaním, ktoré sa dnes používajú, používa ako ovládací mechanizmus solenoidový ventil. Solenoidový vstrekovač je dominantným dizajnom od zavedenia vstrekovania Common Rail v 90. rokoch a zostáva celosvetovo najrozšírenejším typom vstrekovača s priamym vstrekovaním.

Ako funguje solenoidový vstrekovač

V solenoidom ovládanom dieselovom vstrekovači Common Rail nie je ihlový ventil poháňaný priamo solenoidom. Namiesto toho solenoid ovláda malý riadiaci ventil (dvojcestný alebo trojcestný riadiaci ventil) vo vysokotlakovom palivovom okruhu v tele vstrekovača. Riadiaci ventil riadi tlak v hydraulickej riadiacej komore nad ihlou, ktorá určuje, či čistá hydraulická sila na ihlu smeruje k sedlu (ihla zatvorená, vstrekovanie zastavené) alebo preč od sedla (ihla otvorená, vstrekovanie prebieha).

Keď je solenoid pod napätím, otvorí regulačný ventil a odvzdušní tlak v riadiacej komore, aby sa vrátil (nízky tlak). Tlakový rozdiel medzi riadiacou komorou a tlakom dýzy pôsobí smerom nahor na ihlu, zdvihne ju z jej sedla a spustí vstrekovanie. Keď je solenoid bez napätia, riadiaci ventil sa zatvorí, v riadiacej komore sa obnoví tlak a ihla sa vráti do svojho sedla pod kombinovaným pôsobením hydraulickej vratnej sily a ihlovej pružiny. Trvanie vstrekovania je preto obdobie medzi aktiváciou solenoidu a deaktiváciou energie a vstrekované množstvo je určené integrálom prietoku za túto dobu.

Vlastným obmedzením ovládania solenoidom pri priamom vstrekovaní je čas mechanickej odozvy systému solenoid-ventil-ihla. Elektromagnety solenoidov vyžadujú čas na vytvorenie a zrútenie magnetického poľa a hydraulický zosilňovací obvod pridáva ďalšie oneskorenie medzi aktiváciou solenoidu a reakciou ihlového ventilu. To obmedzuje minimálne dosiahnuteľné trvanie vstrekovania a minimálny odstup medzi po sebe nasledujúcimi vstrekmi, čím sa obmedzuje počet vstrekovacích udalostí, ktoré možno vykonať v rámci jedného cyklu motora pri vysokých otáčkach motora.

Piezoelektrický vstrekovač : Ako funguje piezoelektrické ovládanie

Piezoelektrický injektor nahrádza solenoidový ovládač piezoelektrickým zásobníkovým ovládačom - stĺpcom piezoelektrických keramických prvkov (najčastejšie olovnatý zirkoničitan titaničitan alebo PZT), ktoré sa roztiahnu, keď sa na ne privedie napätie, a stiahnu sa, keď sa napätie odstráni. Toto fyzické roztiahnutie a zmrštenie zostavy poskytuje ovládaciu silu a posunutie, ktoré ovláda riadiaci ventil vstrekovača alebo v niektorých konštrukciách priamo riadi polohu ihlového ventilu.

Piezoelektrický efekt v ovládačoch vstrekovačov

Piezoelektrická keramika vykazuje opačný piezoelektrický efekt: keď na keramiku pôsobí elektrické pole, materiál sa mechanicky deformuje. V zostavách PZT navrhnutých pre ovládače vstrekovačov paliva napätie 100 až 200 V aplikované cez sadu 200 až 400 jednotlivých keramických plátkov (každá s hrúbkou približne 0,1 mm) vytvára celkový lineárny posun približne 30 až 60 mikrometrov. K posunu dochádza v priebehu mikrosekúnd pri aplikácii napätia – táto takmer okamžitá odozva je základnou výkonnostnou výhodou piezoelektrického ovládania oproti ovládaniu solenoidom v vstrekovačoch s priamym vstrekovaním.

Vzťah medzi aplikovaným napätím a posunom zásobníka je takmer lineárny, čo znamená, že aplikácia čiastočného napätia vytvára proporcionálny čiastočný posun. Táto charakteristika umožňuje piezoelektrickému injektoru vykonávať presné čiastočné zdvihy riadiaceho ventilu alebo ihly - vstrekovanie malých, presne kontrolovaných množstiev pri akomkoľvek zlomku plného zdvihu ihly, ktorý solenoidový systém nedokáže replikovať.

Priamočinné a hydraulicky zosilnené piezoelektrické vstrekovače

V sériových vozidlách sa používajú dve hlavné architektúry piezoelektrických vstrekovačov:

• Hydraulicky zosilnený piezoelektrický vstrekovač : Piezoelektrický zásobník poháňa servoventil vo vysokotlakovom palivovom okruhu (princíp podobný prístupu solenoidového riadiaceho ventilu), ktorý potom hydraulicky ovláda polohu ihly. Hydraulický zosilňovací stupeň znásobuje malé mechanické posunutie piezoelektrického stĺpca do väčšieho zdvihu ihly, za cenu určitej doby odozvy. Toto je architektúra používaná v Bosch CRI3 (vstrekovač common rail) a podobných systémoch, ktoré boli prvými komerčnými piezoelektrickými dieselovými vstrekovačmi.
• Priamočinný piezoelektrický vstrekovač : V tejto architektúre je piezoelektrická zostava mechanicky spojená priamo s ihlovým ventilom prostredníctvom spojovacieho prvku, typicky hydraulickej spojky, ktorá kompenzuje teplotne závislé zmeny rozmerov zostavy a materiálov telesa vstrekovača (oba majú rôzne koeficienty tepelnej rozťažnosti). Priama väzba úplne eliminuje hydraulický riadiaci obvod a poskytuje najrýchlejšiu možnú odozvu - otvorenie ihly v priebehu približne 50 až 100 mikrosekúnd od aplikácie napätia. Spoločnosť Delphi (teraz BorgWarner Fuel Systems) bola prvá, ktorá uviedla do výroby priamočinný piezoelektrický vstrekovač Common Rail a táto architektúra poskytuje maximálnu rýchlosť odozvy vstrekovania dostupnú v súčasnej technológii.

Hydraulická spojka v priamočinných systémoch

Hydraulická spojka v priamočinnom piezoelektrickom vstrekovači je malá, utesnená hydraulická komora medzi piezoelektrickým komínom a spojovacou tyčou ihlového ventilu. Jeho primárnou funkciou je kompenzovať čistý rozdiel v tepelnej rozťažnosti medzi oceľovým telesom vstrekovača a keramickým zásobníkom PZT, ktorý by inak spôsobil, že vstrekovač dodáva nepredvídateľné množstvá pri zmenách teploty počas zahrievania a prevádzky pri plnom zaťažení. Hydraulická spojka verne prenáša mechanickú silu zo zásobníka na ihlovú spojku počas rýchlej dynamiky vstrekovania (časové intervaly od mikrosekundy po milisekundu), pričom pomaly uniká, aby sa prispôsobili rozdielom v tepelnej rozťažnosti (časové intervaly od sekundy do minúty). Táto elegantná mechanická konštrukcia je jedným z kľúčových technických úspechov priamo pôsobiaceho piezoelektrického vstrekovača a je základom pre jeho dlhodobú stabilitu množstva vstreku.

Výkonnostné výhody piezoelektrických vstrekovačov oproti solenoidovým vstrekovačom

Výkonové výhody piezoelektrického ovládania v porovnaní so solenoidovým ovládaním v vstrekovačoch s priamym vstrekovaním podnietili prijatie piezoelektrických vstrekovačov v najvýkonnejších a na emisie najcitlivejších aplikáciách, najmä v dieselových systémoch Common Rail, kde sú požiadavky na presnosť vstrekovania najvyššie.

Rýchlejší čas odozvy

Piezoelektrické ovládače reagujú v mikrosekundách v porovnaní s milisekundovým časovým rozsahom solenoidových ovládačov. Táto rýchlejšia odozva umožňuje kratšie minimálne trvanie vstrekovania, čo je rozhodujúce pre pilotné a post-vstrekovacie udalosti, ktoré sa používajú v pokročilých dieselových spaľovacích systémoch na zníženie hluku spaľovania, reguláciu emisií pevných častíc a podporu regenerácie filtra pevných častíc. Piezoelektrický vstrekovač dokáže spoľahlivo vstrekovať množstvá menšie ako 1 mm3 na jeden zdvih – množstvá, ktoré by vyžadovali príliš krátke trvanie vstrekovania na presné ovládanie solenoidovým vstrekovačom.

Vyšší počet udalostí vstrekovania na cyklus

Minimálna vzdialenosť medzi po sebe nasledujúcimi vstrekovacími udalosťami (doba zotrvania medzi vstrekmi) je pri piezoelektrických vstrekovačoch kratšia ako pri solenoidových vstrekovačoch, pretože ihlový ventil dosiahne svoju úplne uzavretú polohu rýchlejšie po vypnutí. Moderné piezoelektrické naftové vstrekovače Common Rail môžu vykonávať až osem alebo viac vstrekovacích udalostí za cyklus (viacnásobné pilotné vstrekovanie, hlavné vstrekovanie a viacnásobné dodatočné vstrekovanie) pri vysokých otáčkach motora, kde by solenoidové vstrekovače boli svojou pomalšou odozvou obmedzené na menej udalostí. Zvýšený počet vstrekovacích udalostí na cyklus umožňuje stratégie spaľovania, ktoré dramaticky znižujú hluk (viacnásobné malé pilotné vstreky pred hlavnou udalosťou predmiešajú malé množstvo paliva pred zapálením, čím sa zníži rýchlosť nárastu tlaku) a emisie (dodatočné vstreky podporujú dodatočnú úpravu častíc a stratégie znižovania NOx).

Proporcionálne ovládanie zdvihu ihly

Pretože posun piezoelektrického stĺpca je úmerný aplikovanému napätiu, zdvih ihlového ventilu možno ovládať v medziľahlých polohách a neobmedzovať sa na úplné otvorenie alebo úplné zatvorenie. Táto schopnosť proporcionálneho riadenia umožňuje plynulé menenie prietoku cez otvory dýzy počas vstrekovania – funkcia nazývaná tvarovanie rýchlosti – pri ktorej je rýchlosť dodávky paliva zámerne riadená tak, aby sledovala požadovaný profil (napríklad nábeh na začiatku vstrekovania, trvalá plató počas hlavného vstrekovania a riadené znižovanie na konci). Tvarovanie rýchlosti môže ešte viac znížiť hluk spaľovania a emisie NOx v porovnaní s konvenčnými pravouhlými profilmi rýchlosti vstrekovania.

Nižšia spotreba energie a tvorba tepla

Piezoelektrické kapacitné ovládače uchovávajú a vracajú elektrickú energiu počas každého cyklu vstrekovania (zásobník ukladá energiu ako náboj, keď je privedené napätie a vracia ju, keď je vybitý), na rozdiel od solenoidových ovládačov, ktoré premieňajú elektrickú energiu na teplo v odpore cievky. Táto kapacitná rekuperácia energie znamená, že špičkový výkon na elektronike ovládača vstrekovača je vysoký, ale čistá spotreba energie na vstrekovanie je nižšia ako pri ekvivalentnom solenoidovom systéme. Nižšia tvorba tepla v samotnom ovládači znižuje tepelné namáhanie komponentov vstrekovača a zjednodušuje požiadavky na tepelný manažment elektroniky ovládača vstrekovača.

Elektronika a stratégia riadenia piezoelektrického vstrekovača

Piezoelektrický vstrekovač vyžaduje vyhradený vysokonapäťový riadiaci obvod v riadiacej jednotke motora (ECU) alebo samostatný riadiaci modul vstrekovača. Pohon piezoelektrického vstrekovača je zásadne odlišný od pohonu solenoidového vstrekovača, pretože piezoelektrický pohon je skôr kapacitná záťaž než indukčná záťaž.

Na otvorenie vstrekovača vodič nabije piezoelektrickú zostavu na cieľové napätie - zvyčajne 100 V až 200 V - zo zosilnenej napájacej kondenzátorovej banky. Nabíjací prúd je riadený tak, aby vytváral požadovanú rýchlosť nárastu napätia, ktorá určuje rýchlosť otvárania ihly a rýchlosť vstrekovania počas otváracieho prechodu. Na zatvorenie injektora sa uložený náboj vybije zo zásobníka späť do napájacích kondenzátorov na obnovenie.

Presná úroveň napätia aplikovaného na komín určuje stupeň zdvihu ihly, ktorý priamo ovplyvňuje množstvo vstrekovaného paliva pri akomkoľvek danom vstrekovacom tlaku. ECU preto musí riadiť výstupné napätie budiča s vysokou presnosťou – zvyčajne v rozsahu 1 až 2 voltov v rámci prevádzkového rozsahu – na dosiahnutie presnosti vstrekovaného množstva, ktorá je potrebná pre zhodu s emisiami a ovládateľnosť. Korekcia vstrekovaného množstva v uzavretej slučke pomocou údajov z modulu merania prietoku alebo snímača zdvihu ihly sa bežne implementuje na kompenzáciu variácií medzi vstrekovačmi a dlhodobého posunu v charakteristikách odozvy zásobníka.

Údaje o kalibrácii špecifické pre vstrekovač

Piezoelektrické vstrekovače sú počas výroby individuálne kalibrované a je im priradený súbor korekčných kódov (kódy IMA, kódy C3I alebo ekvivalentné v závislosti od výrobcu a platformy vozidla), ktoré kódujú špecifické výkonové charakteristiky vstrekovača v kľúčových prevádzkových bodoch vzhľadom na nominálnu špecifikáciu. Tieto korekčné kódy sú naprogramované do ECU, keď je nainštalovaný vstrekovač, čo umožňuje riadiacemu softvéru vstrekovania kompenzovať charakteristiky jednotlivých vstrekovačov a dodávať presné vstrekované množstvá napriek výrobným odchýlkam v rámci povoleného tolerančného pásma. Pri výmene piezoelektrického vstrekovača je nevyhnutným krokom naprogramovanie kalibračných kódov náhradného vstrekovača do ECU – ak tak neurobíte, bude to mať za následok chyby v množstve vstreku, ktoré spôsobia hrubý chod, zvýšené emisie a potenciálne poškodenie motora v dôsledku preplnenia paliva.

Aplikácie piezoelektrických vstrekovačov v sériových vozidlách

Piezoelektrické vstrekovače boli prvýkrát predstavené vo výrobe osobných áut s naftovým motorom začiatkom roku 2000 a odvtedy sa začali používať v širokej škále aplikácií s priamym vstrekovaním nafty a benzínu, najmä tam, kde sa vyžaduje najvyšší výkon vstrekovania a schopnosť emisií.

Dieselové aplikácie

Piezoelektrické vstrekovače Common Rail sa používajú v osobných automobiloch a ľahkých komerčných dieselových motoroch u viacerých výrobcov. Priamočinné piezoelektrické systémy Bosch CRI3 (Common Rail Injector 3) a Delphi DFI1 (neskôr DCO) boli prvými výrobnými predstaviteľmi a táto technológia sa odvtedy zdokonaľovala prostredníctvom niekoľkých generácií, aby dosiahla súčasné systémy pracujúce pri tlaku v koľajnici až 2 700 barov s počtom vstrekovacích udalostí sedem až osem za cyklus. Okrem osobných automobilov sa piezoelektrické vstrekovanie používa aj v ťažkých dieselových motoroch pre nákladné autá a terénne zariadenia, kde výhody výkonu vstrekovania z hľadiska dodržiavania emisných noriem (Euro VI, EPA 2010 a novšie normy) odôvodňujú vyššie náklady na vstrekovanie v porovnaní so solenoidovými systémami.

Aplikácie priameho vstrekovania benzínu

Piezoelektrické ovládanie sa používa aj v systémoch priameho vstrekovania benzínu, aj keď nižšie vstrekovacie tlaky v GDI (100 až 500 barov oproti 1 600 až 2 700 barov v dieselových motoroch) znamenajú, že výhody piezoelektrického ovládania v porovnaní so solenoidovým ovládaním sú menej extrémne ako v prípade dieselového common railu. Vysokovýkonné aplikácie a systémy GDI zamerané na najprísnejšie limity počtu pevných častíc (PN) – kde sú potrebné presne kontrolované viacnásobné vstreky na cyklus na zníženie zvlhčovania stien a tvorby častíc – najviac profitujú z piezoelektrického ovládania v kontexte benzínu.

Vznikajúce aplikácie

Priame vstrekovanie vodíka pre spaľovacie motory – nová technológia hnacieho ústrojenstva pre vozidlá a ťažkú dopravu – predstavuje oblasť budúcej aplikácie, kde je výkon piezoelektrických vstrekovačov obzvlášť dôležitý. Nízka hustota energie vodíka, široký rozsah horľavosti a veľmi vysoká rýchlosť plameňa vytvárajú dynamiku spaľovania, ktorá si vyžaduje rýchle a presné riadenie vstrekovania, aby sa zabránilo abnormálnym udalostiam spaľovania. Vďaka vysokej rýchlosti odozvy a schopnosti proporcionálneho riadenia piezoelektrických vstrekovačov sú vhodné pre požiadavky spaľovania vodíka DI.

Diagnostika, údržba a výmena piezoelektrických vstrekovačov

Piezoelektrické vstrekovače predstavujú špecifické diagnostické a servisné požiadavky, ktoré sa líšia od solenoidových vstrekovačov. Ich vyššia cena – zvyčajne dvoj- až päťnásobok ceny ekvivalentných solenoidových vstrekovačov – robí správnu diagnostiku porúch vstrekovacieho systému dôležitou pred výmenou. Ich požiadavka na kalibračný kód robí z programovania povinný krok v akomkoľvek postupe výmeny.

Bežné režimy porúch

Piezoelektrické vstrekovače môžu zlyhať niekoľkými mechanizmami:

• Piezoelektrická delaminácia alebo praskanie : Keramický komín môže spôsobiť praskliny alebo delamináciu jednotlivých vrstiev, zvyčajne v dôsledku tepelného šoku, mechanického nárazu z vodného rázu v palivovom systéme alebo poškodenia napäťovými špičkami. Porucha zásobníka spôsobí stratu funkcie ovládača, pričom injektor sa zvyčajne prepne do režimu zlyhania zaseknutého-otvoreného alebo zaseknutého-zatvoreného v závislosti od typu poruchy.
• Zaseknutie alebo zadretie ihlového ventilu : Nahromadenie uhlíka na ihle a sedle z produktov degradácie paliva alebo spätného rázu spaľovania môže spôsobiť zaseknutie ihly, pričom nedochádza k žiadnemu vstrekovaniu (ihla je zaseknutá zatvorená) alebo k nepretržitému vstrekovaniu (ihla je zaseknutá otvorená). Tento poruchový režim je bežnejší pri palivách nízkej kvality alebo v motoroch s predĺženými servisnými intervalmi nad rámec plánu výmeny palivového filtra.
• Netesnosť tela vstrekovača : Vysokotlakové palivové prípojky a tesnenie telesa vstrekovača môžu presakovať zvnútra alebo zvonka, pričom vnútorná netesnosť spôsobuje zvýšenie spätného toku paliva, čím sa znižuje tlak v koľajnici a množstvo vstreku, a vonkajší únik vytvára riziko požiaru.
• Degradácia hydraulického spriahadla (priamočinné systémy) : Olej hydraulickej spojky môže degradovať alebo presakovať cez tesniace prvky spojky, čo spôsobuje stratu funkcie tepelnej kompenzácie a progresívny posun vstrekovaného množstva, keď sa vôľa spojky zväčšuje alebo zmenšuje v porovnaní s kalibrovaným stavom.

Diagnostický prístup

Poruchy piezoelektrického vstrekovača sa diagnostikujú prostredníctvom kombinácie čítania chybového kódu ECU, testovania príspevku vstrekovača paliva (vyváženie valca), merania vratného množstva paliva a testovania elektrického odporu a kapacity vstrekovača. Kapacita piezoelektrického zásobníka (meraná s injektorom odpojeným od káblového zväzku vozidla) je priamym indikátorom integrity zásobníka - prasknutý alebo delaminovaný zásobník bude vykazovať výrazne zníženú kapacitu v porovnaní s hodnotou špecifikácie a skratovaný zásobník bude vykazovať takmer nulovú kapacitu. Tento kapacitný test je najdefinitívnejším elektrickým testom zlyhania zásobníka a možno ho vykonať pomocou štandardného meracieho prístroja LCR s príslušným rozsahom merania.

Presnosť vstrekovaného množstva sa vyhodnocuje pomocou testu vyváženia príspevku valca dostupného vo väčšine diagnostických skenovacích nástrojov kompatibilných s vozidlom – tento porovnáva korekciu otáčok pri voľnobehu aplikovanú na každý valec softvérom na riadenie vstrekovania, aby sa vyrovnala kvalita voľnobehu, pričom valce potrebujú veľké pozitívne korekcie, ktoré indikujú, že vstrekovače dodávajú pod cieľové množstvo a negatívne korekcie označujúce nadmerné množstvo. Tento test identifikuje, ktorý vstrekovač pracuje mimo tolerancie, ale neidentifikuje mechanizmus zlyhania spôsobujúci chybu množstva.

Postup výmeny

Výmena piezoelektrického vstrekovača zahŕňa mechanické odstránenie a inštaláciu (ktorá prebieha vo veľmi podobných krokoch ako pri výmene solenoidového vstrekovača, s dôrazom na medenú tesniacu podložku, odstránenie uhlíkových usadenín z otvoru vstrekovača a správny krútiaci moment pre upínacie usporiadanie alebo prevlečnú maticu) a kritický dodatočný krok naprogramovania kalibračných kódov náhradného vstrekovača do ECU.

Kalibračné kódy sa dodávajú s náhradným vstrekovačom (buď na štítku na tele vstrekovača alebo na samostatnej dátovej karte v balení) a musia sa zadať do ECU pomocou kompatibilného diagnostického nástroja, ktorý podporuje funkciu kódovania vstrekovača pre konkrétnu platformu vozidla. Väčšina diagnostických systémov na profesionálnej úrovni podporuje kódovanie piezoelektrických vstrekovačov pre hlavné systémy riadenia motora (Bosch EDC17, Delphi DCM, Continental, Denso a ďalšie) a táto funkcia je zvyčajne dostupná v ponuke špeciálnych funkcií ECU motora.

Nenaprogramovanie kalibračných kódov po výmene bude mať za následok, že ECU použije kódy predchádzajúceho vstrekovača (alebo predvolenú hodnotu) na riadenie nového vstrekovača, čo spôsobí chyby množstva vstreku, ktoré sa prejavia ako hrubý voľnobeh, dym pri voľnobehu alebo čiastočnom zaťažení, zvýšené emisie a vo vážnych prípadoch poškodenie nového vstrekovača alebo motora chronickým pretankovaním jedného alebo viacerých valcov. Kódovanie vstrekovača po výmene nie je voliteľný krok, nie je odporúčaným osvedčeným postupom.

Porovnanie: Solenoid vs. Piezoelektrické vstrekovače s priamym vstrekovaním