انژکتور پیزوالکتریک در مقابل انژکتور تزریق مستقیم: راهنمای فنی

انژکتورهای سوخت در موتورهای مدرن: از تزریق مستقیم تا تحریک پیزوالکتریک

انژکتور سوخت جزئی است که سوخت را با زمان بندی دقیق، مقدار پاشش کنترل شده و طیف قطرات بهینه شده برای اختلاط سریع و احتراق کامل وارد فرآیند احتراق می کند. تکامل فناوری انژکتور در سه دهه گذشته - از تزریق ساده در پورت تا تزریق مستقیم اولیه تا نسل فعلی انژکتورهای پیزوالکتریک با قابلیت تزریق چندگانه در هر چرخه در فشارهای پاشش بالای 2500 بار - به دلیل تقاضای روزافزون مقررات آلایندگی، اهداف صرفه‌جویی در مصرف سوخت، و جستجوی موتورهای خروجی با توان ویژه کمتر بوده است.

تزریق مستقیم و تزریق پیزوالکتریک جایگزین های رقیب نیستند - آنها دو سطح از سلسله مراتب فناوری یکسان را نشان می دهند. انژکتور پیزوالکتریک نوعی انژکتور تزریق مستقیم است که از محرک پیزوالکتریک به جای شیر برقی برای کنترل شیر سوزنی استفاده می کند. تزریق مستقیم زمینه کاربرد است. تحریک پیزوالکتریک مکانیزمی است که بالاترین عملکرد را برای تزریق مستقیم ممکن می سازد.

درک اینکه چگونه هر فناوری کار می کند، چرا محرک پیزوالکتریک مزایای عملکردی را نسبت به تزریق مستقیم الکترومغناطیسی فراهم می کند، و اینکه چه پیامدهای عملی برای عملکرد موتور، تشخیص و تعمیر وجود دارد، پایه و اساس تصمیم گیری آگاهانه در طراحی موتور، انتخاب خودرو، و کار خدمات را فراهم می کند.

انژکتور تزریق مستقیم : اصول، فشار و تشکیل اسپری

یک انژکتور تزریق مستقیم سوخت را مستقیماً به محفظه احتراق تزریق می کند تا در ورودی ورودی بالادست دریچه ورودی. این تفاوت اساسی در محل تزریق - محفظه احتراق در مقابل درگاه ورودی - طیف وسیعی از ویژگی‌های سیستم احتراق را ممکن می‌سازد که تزریق پورت نمی‌تواند ارائه دهد، از جمله تشکیل بار همگن در فشارهای پاشش بالا، عملکرد بار طبقه‌بندی شده در بار جزئی (در سیستم‌های تزریق مستقیم بنزین که برای این حالت طراحی شده‌اند)، خنک‌سازی شارژ از تبخیر سوخت در محفظه سوخت و کنترل دقیق چرخه سوخت به طور مستقیم در چرخه احتراق. دینامیک منیفولد ورودی

تزریق مستقیم بنزین (GDI)

در موتورهای تزریق مستقیم بنزین (GDI)، سوخت معمولاً در فشارهایی از 100 بار تا 350 بار در سیستم‌های مدرن تزریق می‌شود و برخی از موتورهای پیشرفته از فشارهای تا 500 بار استفاده می‌کنند. فشار تزریق بالا یک اسپری قطرات ریز تولید می کند که به سرعت در بار داغ و فشرده داخل سیلندر اتمیزه می شود. تبخیر قطرات سوخت به طور مستقیم در محفظه احتراق، گرما را از بار جذب می کند، دمای شارژ را کاهش می دهد و اجازه می دهد نسبت تراکم بالاتر (که بازده ترمودینامیکی را بهبود می بخشد) بدون شروع احتراق غیرعادی (کوبش) که نسبت تراکم را در یک موتور تزریق پورت معادل محدود می کند.

سیستم‌های تزریق GDI با انتقال فشار پاشش (از طریق پمپ سوخت پرفشار که از میل بادامک هدایت می‌شود)، تعداد رویدادهای تزریق در هر چرخه (که به تدریج از یک تزریق به پنج یا بیشتر در سیستم‌های نسل فعلی افزایش یافته است) و هندسه اسپری نازل سیم انژکتور - خواه یک الگوی پرتوی پرتوی چند سوراخ‌کننده باشد، مشخص می‌شود. تولید یک اسپری مخروطی توخالی، یا طراحی جدیدتر دریچه پینتل با بازشو به بیرون.

تزریق مستقیم دیزل Common Rail

تزریق مستقیم دیزل از طریق سیستم راه آهن مشترک، معماری غالب تزریق دیزل در خودروهای سواری، خودروهای تجاری سبک و به طور فزاینده ای در کاربردهای سنگین است. ریل مشترک سوخت را در فشار تزریق هدف (از 1600 بار در سیستم‌های اولیه تا 2700 بار در سیستم‌های سنگین نسل فعلی) در یک حجم ذخیره‌کننده مشترک - ریل - ذخیره می‌کند که انژکتورهای جداگانه از آن سوخت می‌گیرند. ذخیره سازی فشار بالا در ریل فشار تزریق را از دور موتور جدا می کند و اجازه می دهد حداکثر فشار تزریق در هر نقطه کار موتور به جای محدود شدن به شرایط با سرعت بالا مانند سیستم های تزریق پمپ-خط نازل قبلی استفاده شود.

انژکتورهای دیزلی معمولی باید به طور قابل اعتماد در محدوده فشار از شرایط بیکار تا فشار اوج بار کامل کار کنند، شیر سوزنی را با زمان پاسخ در محدوده میکروثانیه تا میلی ثانیه باز و بسته کنند تا زمان و مدت تزریق دقیق به دست آید، و دقت کمیت تزریق را در میلیون ها رویداد تزریق با کمترین تغییر در عملکرد حفظ کند. این الزامات مستلزم تلورانس‌های ساخت دقیق، مواد با بالاترین کیفیت و مکانیزم فعال‌سازی است که بتواند زمان پاسخ و نیاز نیرو را در تمام محدوده عملیاتی برآورده کند.

شیر سوزن انژکتور و تشکیل اسپری

سوپاپ سوزنی در نوک بدنه انژکتور عنصری است که جریان سوخت را از سیستم سوخت پرفشار به داخل محفظه احتراق کنترل می کند. هنگامی که سوزن از جای خود بلند می شود، سوخت پرفشار از طریق حجم کیسه در نوک نازل جریان می یابد و از طریق تعداد مشخصی سوراخ (معمولاً 5 تا 10 در نازل های دیزل مدرن، 3 تا 12 در نازل های GDI) به عنوان جت های با سرعت بالا که به قطرات ریز تجزیه می شوند و از طریق تورروبولی هوا به قطرات ریز تجزیه می شوند، خارج می شود. سیلندر

بالا بردن سوپاپ سوزنی، سرعت باز و بسته شدن، و اختلاف فشار در سوراخ‌های نازل در لحظه باز شدن، همگی بر توزیع اندازه قطرات اولیه، نفوذ اسپری (میزان مسافتی که جت‌های اسپری قبل از از دست دادن حرکت و مخلوط شدن با شارژ می‌پیوندند) و مقدار سوخت تزریق شده در هر رویداد تأثیر می‌گذارند. مکانیسم تحریک انژکتور - چه برقی یا پیزوالکتریک - مستقیماً سرعت و دقت حرکت سوپاپ سوزنی را کنترل می کند و آن را به عامل اصلی تعیین کننده کیفیت تزریق تبدیل می کند.

فعال سازی شیر برقی در انژکتورهای تزریق مستقیم

اکثر انژکتورهای تزریق مستقیم در خدمت امروزه از شیر برقی به عنوان مکانیزم فعال سازی استفاده می کنند. انژکتور برقی از زمان معرفی کامن ریل تزریق در دهه 1990 طراحی غالب بوده است و همچنان پرطرفدارترین نوع انژکتور تزریق مستقیم در سطح جهان است.

انژکتور برقی چگونه کار می کند

در یک انژکتور دیزل مشترک ریلی که با شیر برقی فعال می شود، شیر سوزنی مستقیماً توسط شیر برقی هدایت نمی شود. در عوض، شیر برقی یک شیر کنترل کوچک (شیر کنترل دو طرفه یا سه طرفه) را در مدار سوخت فشار بالا در بدنه انژکتور به کار می‌برد. شیر کنترل فشار را در یک محفظه کنترل هیدرولیک بالای سوزن مدیریت می کند، که تعیین می کند که نیروی هیدرولیک خالص وارد شده به سوزن به سمت صندلی هدایت شود (سوزن بسته شده، تزریق متوقف شده است) یا به دور از صندلی (سوزن باز، تزریق در حال انجام است).

هنگامی که شیر برقی روشن می شود، شیر کنترل را باز می کند و فشار محفظه کنترل را برای برگشت (فشار کم) تخلیه می کند. اختلاف فشار بین محفظه کنترل و فشار نازل بر روی سوزن به سمت بالا عمل می کند و آن را از جای خود بلند می کند و تزریق را آغاز می کند. هنگامی که برق شیر برقی قطع می شود، شیر کنترل بسته می شود، فشار در محفظه کنترل دوباره ایجاد می شود و سوزن تحت اثر ترکیب نیروی بازگرداننده هیدرولیک و فنر سوزن به محل خود باز می گردد. بنابراین مدت تزریق، دوره بین برق‌گیری و قطع برق است، و مقدار تزریق شده توسط انتگرال سرعت جریان در این زمان تعیین می‌شود.

محدودیت ذاتی فعالسازی شیر برقی در تزریق مستقیم زمان پاسخ مکانیکی سیستم سوپاپ-سولنوئید-سوزن است. مغناطیس های الکترومغناطیسی برای ایجاد و فروپاشی میدان مغناطیسی به زمان نیاز دارند، و مدار تقویت هیدرولیک تاخیر بیشتری را بین فعال سازی سلونوئید و پاسخ دریچه سوزنی اضافه می کند. این امر حداقل مدت تزریق قابل دستیابی و حداقل فاصله بین تزریق‌های متوالی را محدود می‌کند و تعداد رویدادهای تزریق را که می‌توان در یک چرخه موتور در سرعت‌های بالا موتور انجام داد، محدود می‌کند.

انژکتور پیزوالکتریک : نحوه عملکرد پیزوالکتریک

یک انژکتور پیزوالکتریک، محرک شیر برقی را با یک محرک پشته پیزوالکتریک جایگزین می کند - ستونی از عناصر سرامیکی پیزوالکتریک (معمولاً سرب زیرکونات تیتانات یا PZT) که با اعمال ولتاژ در آنها منبسط می شوند و با حذف ولتاژ منقبض می شوند. این انبساط و انقباض فیزیکی پشته نیروی محرک و جابجایی را فراهم می کند که شیر کنترل انژکتور را به کار می اندازد یا در برخی طرح ها مستقیماً موقعیت دریچه سوزنی را کنترل می کند.

اثر پیزوالکتریک در محرک های انژکتور

سرامیک های پیزوالکتریک اثر پیزوالکتریک معکوس را نشان می دهند: وقتی یک میدان الکتریکی در سرامیک اعمال می شود، ماده به صورت مکانیکی تغییر شکل می دهد. در پشته‌های PZT که برای محرک‌های انژکتوری سوخت طراحی شده‌اند، ولتاژ 100 تا 200 ولت اعمال شده در پشته‌ای از 200 تا 400 ویفر سرامیکی مجزا (هر کدام تقریباً 0.1 میلی‌متر ضخامت) جابجایی خطی کلی تقریباً 30 تا 60 میکرومتر ایجاد می‌کند. جابجایی در میکروثانیه های اعمال ولتاژ اتفاق می افتد - این پاسخ تقریباً لحظه ای مزیت عملکردی اساسی محرک پیزوالکتریک نسبت به تحریک برقی در انژکتورهای تزریق مستقیم است.

رابطه بین ولتاژ اعمال شده و جابجایی پشته تقریباً خطی است، به این معنی که اعمال ولتاژ جزئی جابجایی جزئی متناسب ایجاد می کند. این ویژگی انژکتور پیزوالکتریک را قادر می‌سازد تا بالابرهای جزئی شیر کنترل یا سوزن را انجام دهد -- تزریق مقادیر کوچک و دقیقاً کنترل‌شده در هر بخش از بالابر سوزنی کامل که یک سیستم سلونوئیدی نمی‌تواند تکرار کند.

انژکتورهای پیزوالکتریک با اثر مستقیم و هیدرولیکی تقویت شده

دو معماری اصلی انژکتور پیزوالکتریک در خودروهای تولیدی استفاده می شود:

• انژکتور پیزوالکتریک تقویت شده هیدرولیکی : پشته پیزوالکتریک یک سوپاپ سروو را در مدار سوخت پرفشار فعال می کند (در اصل شبیه به روش شیر کنترل برقی) که سپس موقعیت سوزن را به صورت هیدرولیکی کنترل می کند. مرحله تقویت هیدرولیک، جابجایی مکانیکی کوچک پشته پیزو را در یک بالابر سوزنی بزرگ‌تر، به قیمت کمی زمان پاسخ، چند برابر می‌کند. این معماری مورد استفاده در بوش CRI3 (انژکتور ریلی مشترک) و سیستم های مشابه است که اولین انژکتورهای دیزلی پیزوالکتریک تجاری بودند.
• انژکتور پیزوالکتریک با اثر مستقیم : در این معماری، پشته پیزوالکتریک به طور مکانیکی مستقیماً از طریق یک عنصر کوپلینگ به شیر سوزنی کوپل می شود، معمولاً یک جفت هیدرولیکی که تغییرات ابعادی بسته به دما و مواد بدنه انژکتور را جبران می کند (هر دو دارای ضرایب انبساط حرارتی متفاوتی هستند). کوپلینگ مستقیم مدار کنترل هیدرولیک را به طور کامل حذف می‌کند و سریع‌ترین پاسخ ممکن را فراهم می‌کند - باز شدن سوزن در حدود 50 تا 100 میکرو ثانیه پس از اعمال ولتاژ. دلفی (در حال حاضر BorgWarner Fuel Systems) اولین کسی بود که یک انژکتور ریلی مشترک پیزوالکتریک با اثر مستقیم را در تولید معرفی کرد و این معماری سرعت پاسخ تزریق نهایی موجود در فناوری فعلی را فراهم می کند.

کوپلر هیدرولیک در سیستم های عمل مستقیم

کوپلر هیدرولیک در یک انژکتور پیزوالکتریک با اثر مستقیم یک محفظه هیدرولیکی کوچک و مهر و موم شده بین پشته پیزوالکتریک و میله کوپلینگ سوپاپ سوزنی است. وظیفه اصلی آن جبران تفاوت خالص در انبساط حرارتی بین بدنه انژکتور فولادی و پشته سرامیکی PZT است که در غیر این صورت باعث می شود انژکتور مقادیر غیرقابل پیش بینی را به عنوان تغییرات دما در حین گرم کردن و کار با بار کامل تحویل دهد. کوپلر هیدرولیک، نیروی مکانیکی را از پشته به جفت سوزنی وفادارانه در طول دینامیک سریع تزریق (مقیاس های زمانی میکروثانیه تا میلی ثانیه) منتقل می کند در حالی که به آرامی نشت می کند تا تفاوت های انبساط حرارتی را برآورده کند (مقیاس های زمانی ثانیه تا دقیقه). این طراحی مکانیکی ظریف یکی از دستاوردهای مهندسی کلیدی انژکتور پیزوالکتریک با اثر مستقیم است و برای پایداری کمیت تزریق طولانی مدت آن ضروری است.

مزایای عملکرد انژکتورهای پیزوالکتریک نسبت به انژکتورهای برقی

مزایای عملکرد محرک پیزوالکتریک نسبت به محرک شیر برقی در انژکتورهای تزریق مستقیم باعث استفاده از انژکتورهای پیزوالکتریک در بالاترین کارایی و کاربردهای حساس به آلاینده ها شده است، به ویژه در سیستم های ریل مشترک دیزل که نیاز به دقت تزریق بیشتر است.

زمان پاسخگویی سریعتر

عملگرهای پیزوالکتریک در مقایسه با مقیاس زمانی میلی ثانیه ای محرک های برقی در میکروثانیه پاسخ می دهند. این پاسخ سریع‌تر حداقل مدت‌های تزریق را کوتاه‌تر می‌کند، که برای رویدادهای آزمایشی و پس از تزریق که در سیستم‌های احتراق دیزل پیشرفته برای کاهش صدای احتراق، کنترل انتشار ذرات، و پشتیبانی از بازسازی فیلتر ذرات دیزل استفاده می‌شوند، حیاتی است. یک انژکتور پیزوالکتریک می تواند به طور قابل اعتماد مقادیر زیر 1 میلی متر مکعب را در هر ضربه تزریق کند -- مقادیری که برای کنترل دقیق انژکتور برقی نیاز به مدت زمان تزریق بسیار کوتاه است.

تعداد رویدادهای تزریق بالاتر در هر چرخه

حداقل فاصله بین رویدادهای تزریق متوالی (زمان توقف بین تزریق) برای انژکتورهای پیزوالکتریک کمتر از انژکتورهای برقی است زیرا شیر سوزنی پس از فرمان خاموش سریعتر به موقعیت کاملا بسته خود می رسد. انژکتورهای دیزل ریل معمولی پیزوالکتریک مدرن می توانند تا هشت یا بیشتر رویداد تزریق را در هر چرخه (چند پیلوت، تزریق اصلی و تزریق چندگانه پستی) در سرعت های موتور بالا انجام دهند که در آن انژکتورهای برقی به دلیل پاسخ آهسته تر به رویدادهای کمتری محدود می شوند. افزایش تعداد رویداد پاشش در هر سیکل، استراتژی‌های احتراق را قادر می‌سازد که به طور چشمگیری نویز را کاهش می‌دهد (تزریق‌های کوچک پایلوت چندگانه قبل از رویداد اصلی، مقدار کمی سوخت را قبل از احتراق از قبل مخلوط می‌کند، سرعت افزایش فشار را کاهش می‌دهد) و انتشار (پس از تزریق، از پس تصفیه ذرات و استراتژی‌های کاهش NOx پشتیبانی می‌کند).

کنترل متناسب سوزنی لیفت

از آنجایی که جابجایی پشته پیزوالکتریک متناسب با ولتاژ اعمال شده است، بالابر سوپاپ سوزنی را می توان در موقعیت های میانی کنترل کرد نه اینکه به طور کامل باز یا کاملا بسته شود. این قابلیت کنترل متناسب اجازه می‌دهد تا سرعت جریان از سوراخ‌های نازل به‌طور مداوم در طول یک رویداد تزریق تغییر کند - قابلیتی به نام شکل‌دهی نرخ - که در آن نرخ تحویل سوخت به طور عمدی کنترل می‌شود تا از مشخصات دلخواه پیروی کند (به‌عنوان مثال، افزایش سطح شیب‌دار در شروع تزریق، یک پلاتوی پایدار در طول تزریق اصلی، و یک شیب کنترل‌شده در انتهای پایین). شکل دهی سرعت می تواند صدای احتراق و انتشار NOx را در مقایسه با پروفیل های نرخ تزریق مستطیلی معمولی کاهش دهد.

مصرف برق کمتر و تولید گرما

عملگرهای خازنی پیزوالکتریک انرژی الکتریکی را در طول هر سیکل تزریق ذخیره می‌کنند و برمی‌گردانند (پشته انرژی را هنگام اعمال ولتاژ به عنوان بار ذخیره می‌کند و هنگام تخلیه آن را برمی‌گرداند)، برخلاف محرک‌های برقی که انرژی الکتریکی را در مقاومت سیم پیچ به گرما تبدیل می‌کنند. این بازیابی انرژی خازنی به این معنی است که حداکثر تقاضای توان در الکترونیک درایور انژکتور زیاد است اما مصرف انرژی خالص در هر رویداد تزریق کمتر از یک سیستم شیر برقی معادل است. تولید گرمای کمتر در خود محرک فشار حرارتی را بر اجزای انژکتور کاهش می‌دهد و الزامات مدیریت حرارتی الکترونیک درایور انژکتور را ساده می‌کند.

راهبرد الکترونیک و کنترل درایور انژکتور پیزوالکتریک

انژکتور پیزوالکتریک به یک مدار درایور ولتاژ بالا اختصاصی در واحد کنترل موتور (ECU) یا یک ماژول درایور انژکتور جداگانه نیاز دارد. راندن انژکتور پیزوالکتریک اساساً با راندن انژکتور برقی متفاوت است زیرا محرک پیزوالکتریک یک بار خازنی است تا یک بار القایی.

برای باز کردن انژکتور، راننده پشته پیزوالکتریک را به ولتاژ هدف - معمولاً 100 ولت تا 200 ولت - از یک بانک خازن تغذیه تقویت شده شارژ می کند. جریان شارژ برای تولید نرخ افزایش ولتاژ مورد نظر کنترل می شود که سرعت باز شدن سوزن و نرخ تزریق را در طول باز شدن گذرا تعیین می کند. برای بستن انژکتور، شارژ ذخیره شده از پشته به خازن های تغذیه برای بازیابی تخلیه می شود.

سطح ولتاژ دقیق اعمال شده بر روی پشته، درجه افزایش سوزن را تعیین می کند، که مستقیماً بر مقدار سوخت تزریق شده در هر فشار پاشش معین تأثیر می گذارد. بنابراین ECU باید ولتاژ خروجی راننده را با دقت بالا کنترل کند - معمولاً بین 1 تا 2 ولت در محدوده عملیاتی - برای دستیابی به دقت کمیت تزریق مورد نیاز برای انطباق با انتشار گازهای گلخانه ای و قابلیت حرکت. تصحیح کمیت تزریق حلقه بسته با استفاده از داده‌های یک ماژول اندازه‌گیری نرخ جریان یا حسگر لیفت سوزن معمولاً برای جبران تغییرات انژکتور به انژکتور و رانش طولانی‌مدت در ویژگی‌های پاسخ پشته اجرا می‌شود.

داده های کالیبراسیون مخصوص انژکتور

انژکتورهای پیزوالکتریک به صورت جداگانه در طول ساخت کالیبره می شوند و مجموعه ای از کدهای اصلاحی (کدهای IMA، کدهای C3I یا معادل آن بسته به سازنده و پلت فرم خودرو) اختصاص داده می شوند که ویژگی های عملکرد خاص انژکتور را در نقاط عملیاتی کلیدی نسبت به مشخصات اسمی رمزگذاری می کند. این کدهای تصحیح هنگام نصب انژکتور در ECU برنامه ریزی می شوند و به نرم افزار کنترل تزریق اجازه می دهد تا ویژگی های انژکتور را جبران کند و مقادیر دقیق تزریق را علیرغم تغییر تولید در محدوده تحمل مجاز ارائه دهد. هنگامی که یک انژکتور پیزوالکتریک جایگزین می شود، برنامه ریزی کدهای کالیبراسیون انژکتور جایگزین در ECU یک مرحله ضروری است - عدم انجام این کار منجر به خطاهای کمیت تزریق می شود که باعث کارکرد نامناسب، افزایش آلاینده ها و آسیب احتمالی موتور در اثر سوخت بیش از حد می شود.

کاربردهای انژکتور پیزوالکتریک در خودروهای تولیدی

انژکتورهای پیزوالکتریک برای اولین بار در خودروهای سواری دیزلی تولیدی در اوایل دهه 2000 معرفی شدند و از آن زمان در طیف گسترده ای از کاربردهای تزریق مستقیم دیزل و بنزین، به ویژه در مواردی که بالاترین عملکرد تزریق و قابلیت آلایندگی مورد نیاز است، مورد استفاده قرار گرفتند.

کاربردهای دیزل

انژکتورهای پیزوالکتریک کامن ریل در خودروهای سواری و موتورهای دیزلی تجاری سبک در چندین تولید کننده استفاده می شود. سیستم‌های پیزوالکتریک مستقیم CRI3 (انژکتور ریلی مشترک 3) بوش و DFI1 دلفی (بعداً DCO) نماینده‌های اولیه تولید بودند و این فناوری از آن زمان طی چندین نسل برای رسیدن به سیستم‌های فعلی که با فشار ریل تا 2700 بار با تعداد رویدادهای تزریق هفت تا هشت در هر سیکل کار می‌کنند، اصلاح شده است. علاوه بر خودروهای سواری، تزریق پیزوالکتریک در موتورهای دیزل سنگین برای کامیون‌ها و تجهیزات خارج از بزرگراه استفاده می‌شود که در آن مزایای عملکرد تزریق برای انطباق با آلاینده‌ها (استانداردهای یورو VI، EPA 2010 و استانداردهای بعدی) هزینه انژکتور بالاتر را در مقایسه با سیستم‌های برقی توجیه می‌کند.

کاربردهای تزریق مستقیم بنزین

محرک پیزوالکتریک در سیستم‌های تزریق مستقیم بنزین نیز اعمال می‌شود، اگرچه فشار پاشش پایین‌تر در GDI (100 تا 500 بار در مقابل 1600 تا 2700 بار در دیزل) به این معنی است که مزایای پیزوالکتریک نسبت به راه‌اندازی سلونوئید نسبت به ریل معمولی دیزل کمتر است. برنامه‌ها و سیستم‌های GDI با کارایی بالا که محدودترین محدودیت‌های تعداد ذرات (PN) را هدف قرار می‌دهند - که در آن تزریق‌های متعدد کنترل‌شده در هر چرخه برای کاهش خیس شدن دیوار و تشکیل ذرات مورد نیاز است - بیشترین بهره را از تحریک پیزوالکتریک در زمینه بنزین می‌برند.

برنامه های کاربردی در حال ظهور

تزریق مستقیم هیدروژن برای موتورهای احتراق داخلی - یک فناوری قطار قدرت در حال ظهور برای وسایل نقلیه و حمل و نقل سنگین - نشان دهنده یک منطقه کاربردی در آینده است که عملکرد انژکتور پیزوالکتریک به ویژه مرتبط است. چگالی انرژی کم هیدروژن، محدوده قابل اشتعال گسترده و سرعت شعله بسیار بالا، دینامیک احتراق را ایجاد می کند که نیاز به کنترل تزریق سریع و دقیق برای جلوگیری از حوادث غیرعادی احتراق دارد. سرعت پاسخ دهی بالا و قابلیت کنترل متناسب انژکتورهای پیزوالکتریک آنها را به خوبی با نیازهای احتراق هیدروژن DI سازگار می کند.

عیب یابی، تعمیر و نگهداری و تعویض انژکتورهای پیزوالکتریک

انژکتورهای پیزوالکتریک نیازهای عیب یابی و خدمات خاصی را ارائه می دهند که با انژکتورهای برقی متفاوت است. هزینه بالاتر آنها - معمولاً دو تا پنج برابر هزینه انژکتورهای برقی معادل - تشخیص صحیح عیوب سیستم تزریق را قبل از تعویض مهم می کند. الزامات کد کالیبراسیون آنها، برنامه نویسی را به یک مرحله اجباری در هر روش جایگزینی تبدیل می کند.

حالت های رایج شکست

انژکتورهای پیزوالکتریک می توانند از طریق مکانیسم های مختلفی از کار بیفتند:

• لایه لایه شدن یا ترک خوردگی پشته پیزوالکتریک : پشته سرامیکی می تواند ترک یا لایه لایه شدن لایه های منفرد را ایجاد کند، معمولاً از شوک حرارتی، شوک مکانیکی ناشی از چکش آب در سیستم سوخت یا آسیب ناشی از افزایش ولتاژ. خرابی پشته باعث از دست رفتن عملکرد محرک می شود، به طوری که انژکتور معمولاً بسته به نوع خرابی به حالت شکست گیر باز یا بسته می شود.
• چسبیدن یا تشنج دریچه سوزن : انباشته شدن رسوب کربن روی سوزن و صندلی در اثر محصولات تخریب سوخت یا برگشت احتراق می تواند باعث چسبیدن سوزن شود و باعث عدم تزریق (بسته شدن سوزن) یا تزریق مداوم (سوزن باز گیر کرده) شود. این حالت خرابی بیشتر در مورد سوخت های با کیفیت پایین یا در موتورهایی با فواصل سرویس طولانی تر از برنامه تعویض فیلتر سوخت رایج است.
• نشتی بدنه انژکتور : اتصالات سوخت پرفشار و آب بندی بدنه انژکتور می تواند به صورت داخلی یا خارجی نشت کند، با نشت داخلی که باعث افزایش جریان برگشت سوخت می شود که فشار ریل و مقدار تزریق را کاهش می دهد و نشت خارجی خطر آتش سوزی را ایجاد می کند.
• تخریب کوپلر هیدرولیک (سیستم های اثر مستقیم) : روغن کوپلر هیدرولیک می تواند از عناصر آب بندی کوپلر تخریب یا نشت کند و باعث از بین رفتن عملکرد جبران حرارتی و تغییر تدریجی مقدار تزریق با افزایش یا کاهش فاصله کوپلر از شرایط کالیبره شده شود.

رویکرد تشخیصی

خطاهای انژکتور پیزوالکتریک از طریق ترکیبی از خواندن کد خطای ECU، تست سهم انژکتور سوخت (بالانس سیلندر)، اندازه‌گیری مقدار برگشت سوخت، و تست مقاومت الکتریکی و ظرفیت انژکتور تشخیص داده می‌شوند. ظرفیت پشته پیزوالکتریک (اندازه گیری شده با انژکتور جدا شده از دسته خودرو) یک نشانگر مستقیم یکپارچگی پشته است - یک پشته ترک خورده یا لایه لایه شده ظرفیت خازنی قابل توجهی را در مقایسه با مقدار مشخصات کاهش می دهد و یک پشته کوتاه ظرفیت خازنی نزدیک به صفر را نشان می دهد. این آزمایش خازن قطعی ترین آزمایش الکتریکی برای خرابی پشته است و می تواند با یک متر LCR استاندارد که قادر به محدوده اندازه گیری مربوطه باشد انجام شود.

دقت کمیت تزریق با استفاده از تست تعادل سهم سیلندر موجود در اکثر ابزارهای اسکن تشخیصی سازگار با خودرو ارزیابی می‌شود - این اصلاح سرعت دور آرام اعمال شده برای هر سیلندر توسط نرم‌افزار کنترل پاشش برای متعادل کردن کیفیت بیکاری، با سیلندرهایی که نیاز به اصلاحات مثبت بزرگ دارند، نشان می‌دهد که انژکتورها کمتر از مقدار کمیت هدف منفی تحویل داده می‌شوند. این آزمایش مشخص می کند که کدام انژکتور دارای تحمل خارج از حد است اما مکانیسم خرابی که باعث خطای کمیت می شود را شناسایی نمی کند.

روش تعویض

جایگزینی انژکتور پیزوالکتریک شامل حذف و نصب مکانیکی است (که به طور کلی مراحل مشابه تعویض انژکتور برقی را دنبال می کند، با توجه به واشر مسی آب بندی، حذف رسوب کربن از سوراخ انژکتور، و گشتاور صحیح برای آرایش گیره یا مهره اتصال) و مرحله جایگزینی کلیدی اضافی در کدگذاری ECU در برنامه ریزی ECU.

کدهای کالیبراسیون همراه با انژکتور جایگزین (یا روی برچسب روی بدنه انژکتور یا روی کارت داده جداگانه در بسته بندی) ارائه می شوند و باید با استفاده از یک ابزار تشخیصی سازگار که از عملکرد کدگذاری انژکتور برای پلت فرم خودروی خاص پشتیبانی می کند، در ECU وارد شوند. اکثر سیستم‌های تشخیص حرفه‌ای از کدگذاری انژکتور پیزوالکتریک برای سیستم‌های اصلی مدیریت موتور (Bosch EDC17، Delphi DCM، Continental، Denso و دیگران) پشتیبانی می‌کنند و این عملکرد معمولاً در منوی عملکردهای ویژه ECU موتور قابل دسترسی است.

برنامه‌ریزی نشدن کدهای کالیبراسیون پس از تعویض باعث می‌شود که ECU از کدهای انژکتور قبلی (یا یک مقدار پیش‌فرض) برای کنترل انژکتور جدید استفاده کند، خطاهایی در مقدار تزریق ایجاد می‌کند که به‌صورت بی‌حرکتی خشن، دود در حالت آزاد یا بار جزئی، افزایش آلاینده‌ها، و در موارد شدید، آسیب به موتور جدید یا کور شدن بیش از حد انژکتور جدید ظاهر می‌شود. کدگذاری انژکتور پس از تعویض یک مرحله غیراختیاری است و بهترین روش توصیه نمی شود.

مقایسه: شیر برقی در مقابل انژکتورهای تزریق مستقیم پیزوالکتریک