Piëzo-elektrische injector versus directe injectie-injector: technische gids

Brandstofinjectoren in moderne motoren: van directe injectie tot piëzo-elektrische aandrijving

De brandstofinjector is het onderdeel dat brandstof in het verbrandingsproces introduceert met nauwkeurige timing, gecontroleerde spuithoeveelheid en een druppelspectrum dat is geoptimaliseerd voor snelle menging en volledige verbranding. De evolutie van de injectortechnologie in de afgelopen dertig jaar – van eenvoudige poortinjectie via vroege directe injectie tot de huidige generatie piëzo-elektrische injectoren die in staat zijn tot meerdere injecties per cyclus bij injectiedrukken boven 2.500 bar – is gedreven door steeds strengere emissievoorschriften, doelstellingen voor brandstofbesparing en de zoektocht naar een hoger specifiek vermogen van motoren met een kleinere cilinderinhoud.

Directe injectie en piëzo-elektrische injectie zijn geen concurrerende alternatieven; ze vertegenwoordigen twee niveaus van dezelfde technologiehiërarchie. Een piëzo-elektrische injector is een type injector met directe injectie die een piëzo-elektrische actuator gebruikt in plaats van een solenoïde om de naaldklep te regelen. Directe injectie is de applicatiecontext; piëzo-elektrische aandrijving is het mechanisme dat directe injectie met de hoogste prestaties mogelijk maakt.

Begrijpen hoe elke technologie werkt, waarom piëzo-elektrische aandrijving prestatievoordelen biedt ten opzichte van door solenoïde aangedreven directe injectie, en wat de praktische implicaties zijn voor motorprestaties, diagnostiek en reparatie, vormt de basis voor weloverwogen beslissingen op het gebied van motorontwerp, voertuigselectie en onderhoudswerkzaamheden.

Directe injectie-injector : Principes, druk en sproeivorming

Een injector met directe injectie injecteert brandstof rechtstreeks in de verbrandingskamer in plaats van in de inlaatpoort stroomopwaarts van de inlaatklep. Dit fundamentele verschil in injectielocatie - verbrandingskamer versus inlaatpoort - maakt een reeks kenmerken van het verbrandingssysteem mogelijk die poortinjectie niet kan bieden, waaronder homogene ladingsvorming bij hoge injectiedrukken, gestratificeerde ladingswerking bij deellast (in directe benzine-injectiesystemen die voor deze modus zijn ontworpen), ladingskoeling door brandstofverdamping direct in de verbrandingskamer, en nauwkeurige cyclus-voor-cyclus controle van de geïnjecteerde brandstofmassa, onafhankelijk van de dynamiek van het inlaatspruitstuk.

Benzine directe injectie (GDI)

In benzinemotoren met directe injectie (GDI) wordt brandstof ingespoten bij een druk die in moderne systemen doorgaans varieert van 100 bar tot 350 bar, waarbij sommige geavanceerde motoren drukken tot 500 bar gebruiken. De hoge injectiedruk produceert een fijne druppelspray die snel vernevelt in de hete, samengeperste lading in de cilinder. De verdamping van brandstofdruppeltjes direct in de verbrandingskamer absorbeert warmte van de lading, waardoor de temperatuur van de lading wordt verlaagd en hogere compressieverhoudingen mogelijk zijn (die de thermodynamische efficiëntie verbeteren) zonder het begin van abnormale verbranding (kloppen) die de compressieverhouding in een gelijkwaardige motor met poortinjectie zou beperken.

GDI-injectiesystemen worden gekenmerkt door de levering van de injectiedruk (via een hogedrukbrandstofpomp aangedreven door de nokkenas), het aantal injectiegebeurtenissen per cyclus (dat geleidelijk is toegenomen van enkele injectie naar vijf of meer in systemen van de huidige generatie) en de spuitgeometrie van het injectormondstuk - of het nu gaat om een ​​patroon met meerdere gaten dat discrete spuitstralen produceert, een wervelinjector die een holle kegelspray produceert, of een recenter naar buiten openend tapklepontwerp.

Dieselmotor met directe common-rail-injectie

Directe dieselinjectie via het common rail-systeem is de dominante architectuur voor dieselinjectie in personenauto's, lichte bedrijfsvoertuigen en in toenemende mate ook in zware toepassingen. De common rail slaat brandstof op bij de beoogde injectiedruk (variërend van 1.600 bar in vroege systemen tot 2.700 bar in de huidige generatie heavy-duty systemen) in een gedeeld accumulatorvolume – de rail – waaruit individuele injectoren brandstof halen. De hogedrukopslag in de rail ontkoppelt de injectiedruk van het motortoerental, waardoor de maximale injectiedruk op elk bedrijfspunt van de motor kan worden gebruikt in plaats van beperkt te zijn tot omstandigheden bij hoge snelheden, zoals bij eerdere injectiesystemen met pompleiding en mondstuk.

Common rail-dieselinjectoren moeten betrouwbaar werken over een drukbereik van stationair tot piekdruk bij volledige belasting, de naaldklep openen en sluiten met responstijden in het bereik van microseconden tot milliseconden om nauwkeurige injectietiming en -duur te bereiken, en de nauwkeurigheid van de injectiehoeveelheid gedurende miljoenen injectiegebeurtenissen te behouden met minimale prestatieafwijkingen. Deze vereisten vereisen nauwkeurige productietoleranties, materialen van de hoogste kwaliteit en een bedieningsmechanisme dat over het volledige werkingsbereik kan voldoen aan de responstijd- en krachtvereisten.

Injectornaaldklep en sprayvorming

De naaldklep aan de punt van het injectorlichaam is het element dat de brandstofstroom van het hogedrukbrandstofsysteem naar de verbrandingskamer regelt. Wanneer de naald uit zijn zitting omhoog komt, stroomt de hogedrukbrandstof door het zakvolume aan de punt van het mondstuk en komt naar buiten via een bepaald aantal gaten (meestal 5 tot 10 in moderne dieselmondstukken, 3 tot 12 in GDI-mondstukken) als hogesnelheidsstralen die in fijne druppeltjes verstuiven door turbulente breuk en aerodynamische interactie met de dichte laadlucht in de cilinder.

De naaldkleplift, de snelheid van openen en sluiten, en het drukverschil over de spuitmondgaten op het moment van opening hebben allemaal invloed op de initiële druppelgrootteverdeling, de sproeipenetratie (hoe ver de sproeistralen reizen voordat ze momentum verliezen en zich vermengen met de lading), en de hoeveelheid brandstof die per gebeurtenis wordt geïnjecteerd. Het injectorbedieningsmechanisme – zowel solenoïde als piëzo-elektrisch – regelt rechtstreeks de snelheid en nauwkeurigheid van de naaldklepbeweging, waardoor dit de belangrijkste bepalende factor is voor de injectiekwaliteit.

Solenoïde-aansturing in injectoren met directe injectie

De meeste injectoren met directe injectie die tegenwoordig in gebruik zijn, gebruiken een magneetklep als bedieningsmechanisme. De solenoïde-injector is het dominante ontwerp sinds de introductie van common-rail-injectie in de jaren negentig en blijft wereldwijd het meest geproduceerde type directe injectie-injector.

Hoe de solenoïde-injector werkt

Bij een magneetaangedreven common rail-dieselinjector wordt de naaldklep niet rechtstreeks door de magneet aangedreven. In plaats daarvan bedient de solenoïde een kleine regelklep (de tweeweg- of driewegregelklep) in het hogedrukbrandstofcircuit in het injectorlichaam. De regelklep regelt de druk in een hydraulische regelkamer boven de naald, die bepaalt of de netto hydraulische kracht op de naald naar de zitting is gericht (naald gesloten, injectie gestopt) of weg van de zitting (naald open, injectie bezig).

Wanneer de solenoïde wordt bekrachtigd, opent deze de regelklep, waardoor de druk in de regelkamer wordt ontlucht om terug te keren (lage druk). Het drukverschil tussen de controlekamer en de spuitmonddruk werkt opwaarts op de naald, waardoor deze uit zijn zitting wordt getild en de injectie wordt geïnitieerd. Wanneer de solenoïde wordt uitgeschakeld, sluit de regelklep, wordt de druk in de regelkamer opnieuw opgebouwd en keert de naald terug naar zijn zitting onder de gecombineerde werking van de hydraulische herstelkracht en de naaldveer. De injectieduur is daarom de periode tussen het bekrachtigen en uitschakelen van de solenoïde, en de geïnjecteerde hoeveelheid wordt bepaald door de integraal van het debiet over deze tijd.

De inherente beperking van solenoïdeaansturing bij directe injectie is de mechanische responstijd van het solenoïde-klep-naaldsysteem. Solenoïde-elektromagneten hebben tijd nodig om het magnetische veld op te bouwen en te laten instorten, en het hydraulische versterkingscircuit voegt extra vertraging toe tussen de activering van de solenoïde en de respons van de naaldklep. Dit beperkt de minimaal haalbare injectieduur en de minimale scheiding tussen opeenvolgende injecties, waardoor het aantal injectiegebeurtenissen wordt beperkt dat kan worden uitgevoerd binnen een enkele motorcyclus bij hoge motortoerentallen.

Piëzo-elektrische injector : Hoe piëzo-elektrische aandrijving werkt

Een piëzo-elektrische injector vervangt de elektromagnetische actuator door een piëzo-elektrische stapelactuator - een kolom van piëzo-elektrische keramische elementen (meestal loodzirkonaattitanaat of PZT) die uitzetten wanneer er een spanning over wordt aangelegd en samentrekken wanneer de spanning wordt verwijderd. Deze fysieke uitzetting en samentrekking van de stapel zorgt voor de bedieningskracht en verplaatsing die de injectorregelklep bedient of, in sommige ontwerpen, rechtstreeks de positie van de naaldklep regelt.

Het piëzo-elektrische effect in injectoractuators

Piëzo-elektrische keramiek vertoont het omgekeerde piëzo-elektrische effect: wanneer een elektrisch veld over het keramiek wordt aangelegd, vervormt het materiaal mechanisch. In PZT-stacks die zijn ontworpen voor actuatoren voor brandstofinjectoren, produceert een spanning van 100 tot 200 V, aangelegd over een stapel van 200 tot 400 individuele keramische wafels (elk ongeveer 0,1 mm dik), een totale lineaire verplaatsing van ongeveer 30 tot 60 micrometer. De verplaatsing vindt plaats binnen microseconden na het aanleggen van spanning - deze vrijwel onmiddellijke respons is het fundamentele prestatievoordeel van piëzo-elektrische aandrijving ten opzichte van solenoïde-bediening in injectoren met directe injectie.

De relatie tussen aangelegde spanning en verplaatsing van de stapel is vrijwel lineair, wat betekent dat toepassing van gedeeltelijke spanning proportionele gedeeltelijke verplaatsing produceert. Dankzij deze eigenschap kan de piëzo-elektrische injector nauwkeurige gedeeltelijke liften van de regelklep of naald uitvoeren - waarbij kleine, nauwkeurig gecontroleerde hoeveelheden worden geïnjecteerd bij elke fractie van de volledige naaldlift die een elektromagnetisch systeem niet kan repliceren.

Direct werkende en hydraulisch versterkte piëzo-elektrische injectoren

In productievoertuigen worden twee belangrijke piëzo-elektrische injectorarchitecturen gebruikt:

• Hydraulisch versterkte piëzo-elektrische injector : De piëzo-elektrische stapel bedient een servoklep in het hogedrukbrandstofcircuit (in principe vergelijkbaar met de benadering van de elektromagnetische regelklep), die vervolgens de naaldpositie hydraulisch regelt. De hydraulische versterkingsfase vermenigvuldigt de kleine mechanische verplaatsing van de piëzostapel tot een grotere naaldlift, ten koste van enige responstijd. Dit is de architectuur die wordt gebruikt in de Bosch CRI3 (common rail injector) en soortgelijke systemen die de eerste commerciële piëzo-elektrische dieselinjectoren waren.
• Direct werkende piëzo-elektrische injector : In deze architectuur is de piëzo-elektrische stapel mechanisch rechtstreeks gekoppeld aan de naaldklep via een koppelelement, meestal een hydraulische koppeling die de temperatuurafhankelijke maatveranderingen van de stapel en de materialen van het injectorlichaam compenseert (die beide verschillende thermische uitzettingscoëfficiënten hebben). De directe koppeling elimineert het hydraulische regelcircuit volledig, waardoor de snelst mogelijke respons wordt geboden: naaldopening binnen ongeveer 50 tot 100 microseconden na het aanleggen van spanning. Delphi (nu BorgWarner Fuel Systems) was de eerste die een direct werkende piëzo-elektrische common rail-injector in productie introduceerde, en deze architectuur biedt de ultieme injectieresponssnelheid die beschikbaar is in de huidige technologie.

De hydraulische koppeling in direct werkende systemen

De hydraulische koppeling in een direct werkende piëzo-elektrische injector is een kleine, afgedichte hydraulische kamer tussen de piëzo-elektrische stapel en de koppelstang van de naaldklep. De primaire functie ervan is het compenseren van het netto verschil in thermische uitzetting tussen het stalen injectorlichaam en de PZT-keramische stapel, waardoor de injector anders onvoorspelbare hoeveelheden zou leveren als de temperatuur verandert tijdens het opwarmen en bij volledige belasting. De hydraulische koppeling brengt de mechanische kracht van de stapel naar de naaldkoppeling getrouw over tijdens de snelle dynamiek van de injectie (tijdschalen van microseconden tot milliseconden), terwijl hij langzaam lekt om thermische uitzettingsverschillen op te vangen (tijdschalen van seconden tot minuten). Dit elegante mechanische ontwerp is een van de belangrijkste technische prestaties van de direct werkende piëzo-elektrische injector en is van fundamenteel belang voor de stabiliteit van de injectiehoeveelheid op de lange termijn.

Prestatievoordelen van piëzo-elektrische injectoren ten opzichte van solenoïde-injectoren

De prestatievoordelen van piëzo-elektrische aandrijving ten opzichte van solenoïde-bediening bij injectoren met directe injectie hebben de adoptie van piëzo-elektrische injectoren in de krachtigste en meest emissiegevoelige toepassingen gestimuleerd, met name in common-rail dieselsystemen waar de eisen aan injectieprecisie het grootst zijn.

Snellere responstijd

Piëzo-elektrische actuatoren reageren in microseconden vergeleken met de tijdschaal van milliseconden van elektromagnetische actuatoren. Deze snellere respons maakt een kortere minimale injectieduur mogelijk, wat van cruciaal belang is voor pilot- en post-injectiegebeurtenissen die worden gebruikt in geavanceerde dieselverbrandingssystemen om het verbrandingsgeluid te verminderen, de uitstoot van deeltjes te beheersen en de regeneratie van het roetfilter te ondersteunen. Een piëzo-elektrische injector kan op betrouwbare wijze hoeveelheden van minder dan 1 mm3 per slag injecteren; hoeveelheden waarvoor een injectieduur nodig is die te kort is om door een solenoïde-injector nauwkeurig te kunnen regelen.

Hoger aantal injectiegebeurtenissen per cyclus

De minimale scheiding tussen opeenvolgende injectiegebeurtenissen (de verblijftijd tussen injecties) is korter voor piëzo-elektrische injectoren dan voor elektromagnetische injectoren, omdat de naaldklep na het uitzetten sneller zijn volledig gesloten positie bereikt. Moderne piëzo-elektrische common rail-dieselinjectoren kunnen tot acht of meer injectiegebeurtenissen per cyclus uitvoeren (meerdere piloten, hoofdinjectie en meerdere na-injecties) bij hoge motortoerentallen, waarbij solenoïde-injectoren door hun langzamere reactie beperkt zouden zijn tot minder gebeurtenissen. Het verhoogde aantal injectiegebeurtenissen per cyclus maakt verbrandingsstrategieën mogelijk die het geluid (meerdere kleine pilot-injecties vóór het hoofdgebeurtenis vooraf mengen van een kleine hoeveelheid brandstof vóór de ontsteking, waardoor de drukstijging wordt verminderd) en de emissies (na-injecties ondersteunen de nabehandeling van deeltjes en de strategieën voor NOx-reductie).

Proportionele naaldlichtregeling

Omdat de verplaatsing van de piëzo-elektrische stapel evenredig is met de aangelegde spanning, kan de naaldkleplift op tussenliggende posities worden geregeld in plaats van beperkt te zijn tot volledig open of volledig gesloten. Dankzij deze proportionele regelmogelijkheid kan de stroomsnelheid door de spuitmondgaten continu worden gevarieerd tijdens een injectiegebeurtenis - een mogelijkheid die 'rate shaping' wordt genoemd - waarbij de snelheid van de brandstoftoevoer opzettelijk wordt geregeld om een ​​gewenst profiel te volgen (bijvoorbeeld een stijging bij het begin van de injectie, een aanhoudend plateau tijdens de hoofdinjectie en een gecontroleerde daling aan het einde). Snelheidsvorming kan het verbrandingsgeluid en de NOx-emissies verder verminderen in vergelijking met conventionele rechthoekige injectiesnelheidsprofielen.

Lager energieverbruik en warmteontwikkeling

Piëzo-elektrische capacitieve actuatoren slaan elektrische energie op en geven deze terug tijdens elke injectiecyclus (de stapel slaat energie op als lading wanneer er spanning wordt aangelegd en geeft deze terug wanneer deze wordt ontladen), in tegenstelling tot elektromagnetische actuatoren die elektrische energie omzetten in warmte in de spoelweerstand. Deze capacitieve energieterugwinning betekent dat de vraag naar piekvermogen op de elektronica van de injectoraansturing hoog is, maar dat het netto energieverbruik per injectiegebeurtenis lager is dan bij een gelijkwaardig elektromagnetisch systeem. De lagere warmteontwikkeling in de actuator zelf vermindert de thermische belasting op de injectorcomponenten en vereenvoudigt de thermische beheervereisten van de injectoraandrijfelektronica.

Piëzo-elektrische injectordriverelektronica en besturingsstrategie

De piëzo-elektrische injector vereist een speciaal hoogspanningsstuurcircuit in de motorregeleenheid (ECU) of een afzonderlijke injectoraandrijfmodule. Het aandrijven van een piëzo-elektrische injector verschilt fundamenteel van het aandrijven van een solenoïde-injector, omdat de piëzo-elektrische actuator een capacitieve belasting is in plaats van een inductieve belasting.

Om de injector te openen, laadt de driver de piëzo-elektrische stapel op tot de doelspanning - doorgaans 100 V tot 200 V - van een versterkte voedingscondensatorbank. De laadstroom wordt geregeld om de gewenste spanningsstijging te produceren, die de snelheid van het openen van de naald en de injectiesnelheid tijdens de openingstransiënt bepaalt. Om de injector te sluiten, wordt de opgeslagen lading van de stapel terug naar de voedingscondensatoren afgevoerd voor herstel.

Het precieze spanningsniveau dat op de stapel wordt toegepast, bepaalt de mate van naaldlift, die rechtstreeks van invloed is op de hoeveelheid geïnjecteerde brandstof bij een bepaalde injectiedruk. De ECU moet daarom de uitgangsspanning van de bestuurder met hoge nauwkeurigheid regelen (meestal binnen 1 tot 2 volt over het gehele werkingsbereik) om de nauwkeurigheid van de injectiehoeveelheid te bereiken die nodig is voor emissie-conformiteit en rijeigenschappen. Correctie van de injectiehoeveelheid in een gesloten lus met behulp van gegevens van een debietmeetmodule of een naaldliftsensor wordt gewoonlijk geïmplementeerd om de variatie van injector tot injector en de langetermijnafwijking in de responskarakteristieken van de stapel te compenseren.

Injectorspecifieke kalibratiegegevens

Piëzo-elektrische injectoren worden tijdens de productie individueel gekalibreerd en krijgen een reeks correctiecodes toegewezen (IMA-codes, C3I-codes of gelijkwaardig, afhankelijk van de fabrikant en het voertuigplatform) die de specifieke prestatiekenmerken van de injector op belangrijke bedrijfspunten coderen ten opzichte van de nominale specificatie. Deze correctiecodes worden in de ECU geprogrammeerd wanneer een injector wordt geïnstalleerd, waardoor de injectiecontrolesoftware de kenmerken van de individuele injector kan compenseren en nauwkeurige injectiehoeveelheden kan leveren, ondanks productievariaties binnen de toegestane tolerantieband. Wanneer een piëzo-elektrische injector wordt vervangen, is het programmeren van de kalibratiecodes van de vervangende injector in de ECU een essentiële stap. Als u dit niet doet, ontstaan ​​er fouten in de injectiehoeveelheid die een onregelmatige werking, verhoogde emissies en mogelijk motorschade door overmatig tanken veroorzaken.

Piëzo-elektrische injectortoepassingen in productievoertuigen

Piëzo-elektrische injectoren werden begin jaren 2000 voor het eerst geïntroduceerd in productie-dieselpersonenauto's en zijn sindsdien toegepast in een breed scala aan toepassingen met directe injectie van diesel en benzine, vooral waar de hoogste injectieprestaties en emissiemogelijkheden vereist zijn.

Dieseltoepassingen

Piëzo-elektrische common-rail-injectoren worden door meerdere fabrikanten gebruikt in dieselmotoren van personenauto's en lichte commerciële voertuigen. De direct werkende piëzo-elektrische systemen CRI3 (Common Rail Injector 3) van Bosch en Delphi's DFI1 (later DCO) direct werkende piëzo-elektrische systemen waren vroege productievertegenwoordigers, en de technologie is sindsdien door meerdere generaties verfijnd om huidige systemen te bereiken die werken bij een raildruk tot 2.700 bar met injectiegebeurtenissen van zeven tot acht per cyclus. Naast personenauto's wordt piëzo-elektrische injectie toegepast in zware dieselmotoren voor vrachtwagens en terreinvoertuigen, waarbij de voordelen van de injectieprestaties voor naleving van de emissienormen (Euro VI, EPA 2010 en latere normen) de hogere injectorkosten rechtvaardigen in vergelijking met solenoïdesystemen.

Toepassingen voor directe injectie van benzine

Piëzo-elektrische aandrijving wordt ook toegepast in systemen met directe injectie van benzine, hoewel de lagere injectiedrukken in GDI (100 tot 500 bar versus 1.600 tot 2.700 bar in diesel) betekenen dat de voordelen van piëzo-elektrische aandrijving ten opzichte van elektromagnetische aandrijving minder extreem zijn dan bij common-rail diesel. Hoogwaardige GDI-toepassingen en -systemen die zich richten op de strengste limieten voor het aantal deeltjes (PN) - waarbij nauwkeurig gecontroleerde meerdere injecties per cyclus nodig zijn om wandbevochtiging en deeltjesvorming te verminderen - profiteren het meest van piëzo-elektrische aandrijving in de benzinecontext.

Opkomende toepassingen

Directe waterstofinjectie voor verbrandingsmotoren – een opkomende aandrijflijntechnologie voor voertuigen en zwaar transport – vertegenwoordigt een toekomstig toepassingsgebied waar de prestaties van piëzo-elektrische injectoren bijzonder relevant zijn. De lage energiedichtheid van waterstof, het brede ontvlambaarheidsbereik en de zeer hoge vlamsnelheid creëren een verbrandingsdynamiek die een snelle, nauwkeurige injectiecontrole vereist om abnormale verbrandingsgebeurtenissen te voorkomen. De hoge responssnelheid en het proportionele regelvermogen van piëzo-elektrische injectoren maken ze zeer geschikt voor de eisen van waterstof-DI-verbranding.

Diagnostiek, onderhoud en vervanging van piëzo-elektrische injectoren

Piëzo-elektrische injectoren stellen specifieke diagnose- en servicevereisten die verschillen van solenoïde-injectoren. Hun hogere kosten - doorgaans twee tot vijf keer de kosten van gelijkwaardige solenoïde-injectoren - maken een correcte diagnose van fouten in het injectiesysteem belangrijk voordat wordt overgegaan tot vervanging. Hun vereiste kalibratiecode maakt programmeren een verplichte stap in elke vervangingsprocedure.

Veelvoorkomende faalmodi

Piëzo-elektrische injectoren kunnen door verschillende mechanismen uitvallen:

• Piëzo-elektrische delaminatie of barsten van de stapel : De keramische stapel kan scheuren of delaminatie van afzonderlijke lagen ontwikkelen, meestal als gevolg van thermische schokken, mechanische schokken door waterslag in het brandstofsysteem of schade door spanningspieken. Het falen van de stapel veroorzaakt verlies van de werking van de actuator, waarbij de injector doorgaans standaard in een vast-open- of vast-gesloten-foutmodus gaat, afhankelijk van het type fout.
• Naaldventiel blijft hangen of loopt vast : Ophoping van koolstofafzetting op de naald en zitting door afbraakproducten van de brandstof of terugslag van de verbranding kan ervoor zorgen dat de naald blijft hangen, waardoor er geen injectie ontstaat (naald zit vast in gesloten) of continue injectie (naald zit open). Deze storingsmodus komt vaker voor bij brandstoffen van slechte kwaliteit of bij motoren met langere onderhoudsintervallen dan het vervangingsschema voor het brandstoffilter.
• Lekkage van het injectorlichaam : De hogedrukbrandstofaansluitingen en de afdichting van het injectorlichaam kunnen intern of extern lekken, waarbij interne lekkage ervoor zorgt dat de brandstofretourstroom toeneemt, waardoor de raildruk en de injectiehoeveelheid afnemen, en externe lekkage een brandrisico veroorzaakt.
• Degradatie van hydraulische koppelingen (direct werkende systemen) : De olie van de hydraulische koppeling kan verslechteren of langs de afdichtingselementen van de koppeling lekken, waardoor de thermische compensatiefunctie verloren gaat en de injectiehoeveelheid geleidelijk afwijkt naarmate de speling in de koppeling groter of kleiner wordt ten opzichte van de gekalibreerde toestand.

Diagnostische aanpak

Piëzo-elektrische injectorfouten worden gediagnosticeerd door een combinatie van het lezen van de ECU-foutcode, het testen van de bijdrage van de brandstofinjector (cilinderbalans), het meten van de brandstofretourhoeveelheid en het testen van de elektrische weerstand en capaciteit van de injector. De capaciteit van de piëzo-elektrische stapel (gemeten terwijl de injector is losgekoppeld van de voertuigharnas) is een directe indicator voor de integriteit van de stapel: een gebarsten of gedelamineerde stapel zal een aanzienlijk lagere capaciteit vertonen vergeleken met de specificatiewaarde, en een kortgesloten stapel zal een capaciteit van bijna nul vertonen. Deze capaciteitstest is de meest definitieve elektrische test voor schoorsteenstoringen en kan worden uitgevoerd met een standaard LCR-meter die geschikt is voor het relevante meetbereik.

De nauwkeurigheid van de injectiehoeveelheid wordt geëvalueerd met behulp van de cilinderbijdragebalanstest die beschikbaar is in de meeste diagnostische scantools die compatibel zijn met het voertuig - deze vergelijkt de stationairsnelheidscorrectie die door de injectiecontrolesoftware op elke cilinder wordt toegepast om de stationairkwaliteit in evenwicht te brengen, waarbij cilinders grote positieve correcties nodig hebben, wat aangeeft dat injectoren onder de doelhoeveelheid leveren en negatieve correcties die duiden op overdosering. Deze test identificeert welke injector buiten de tolerantie presteert, maar identificeert niet het faalmechanisme dat de hoeveelheidsfout veroorzaakt.

Vervangingsprocedure

Het vervangen van een piëzo-elektrische injector omvat de mechanische verwijdering en installatie (die in grote lijnen dezelfde stappen volgt als het vervangen van de solenoïde-injector, met aandacht voor de koperen afdichtring, het verwijderen van koolstofafzetting uit de injectorboring en het juiste koppel voor de kleminrichting of wartelmoer) en de kritische extra stap van het programmeren van de kalibratiecodes van de vervangende injector in de ECU.

De kalibratiecodes worden meegeleverd met de vervangende injector (op een label op het injectorlichaam of op een aparte datakaart in de verpakking) en moeten in de ECU worden ingevoerd met behulp van een compatibel diagnostisch hulpmiddel dat de injectorcoderingsfunctie voor het specifieke voertuigplatform ondersteunt. De meeste professionele diagnosesystemen ondersteunen piëzo-elektrische injectorcodering voor de belangrijkste motormanagementsystemen (Bosch EDC17, Delphi DCM, Continental, Denso en andere), en de functie is doorgaans toegankelijk in het speciale functiemenu van de motor-ECU.

Als de kalibratiecodes na vervanging niet worden geprogrammeerd, zal de ECU de codes van de vorige injector (of een standaardwaarde) gebruiken om de nieuwe injector te besturen, wat fouten in de injectiehoeveelheid veroorzaakt die zich manifesteren als ruw stationair draaien, rook bij stationair draaien of deellast, verhoogde emissies en in ernstige gevallen schade aan de nieuwe injector of de motor door chronisch overmatig tanken van een of meer cilinders. Injectorcodering na vervanging is een niet-optionele stap en geen aanbevolen beste praktijk.

Vergelijking: solenoïde versus piëzo-elektrische directe injectie-injectoren