Đầu phun áp điện và đầu phun phun trực tiếp: Hướng dẫn kỹ thuật

Kim phun nhiên liệu trong động cơ hiện đại: Từ phun trực tiếp đến truyền động áp điện

Kim phun nhiên liệu là bộ phận đưa nhiên liệu vào quá trình đốt cháy với thời gian chính xác, lượng phun được kiểm soát và quang phổ giọt được tối ưu hóa để trộn nhanh và đốt cháy hoàn toàn. Sự phát triển của công nghệ kim phun trong ba thập kỷ qua -- từ phun cổng đơn giản đến phun trực tiếp sớm đến thế hệ kim phun áp điện hiện tại có khả năng phun nhiều lần trong mỗi chu kỳ ở áp suất phun trên 2.500 bar -- đã được thúc đẩy bởi các quy định về khí thải ngày càng khắt khe, mục tiêu tiết kiệm nhiên liệu và tìm kiếm công suất riêng cao hơn từ động cơ phân khối nhỏ hơn.

Phun trực tiếp và phun áp điện không phải là những lựa chọn thay thế cạnh tranh - chúng đại diện cho hai cấp độ của cùng một hệ thống phân cấp công nghệ. Kim phun áp điện là loại kim phun trực tiếp sử dụng bộ truyền động áp điện thay vì điện từ để điều khiển van kim. Tiêm trực tiếp là bối cảnh ứng dụng; Truyền động áp điện là cơ chế cho phép thực hiện phun trực tiếp hiệu suất cao nhất.

Hiểu cách thức hoạt động của từng công nghệ, lý do tại sao truyền động áp điện mang lại lợi thế về hiệu suất so với phun trực tiếp điều khiển bằng điện từ và ý nghĩa thực tế đối với hiệu suất, chẩn đoán và sửa chữa động cơ sẽ cung cấp nền tảng cho các quyết định sáng suốt trong thiết kế động cơ, lựa chọn phương tiện và công việc bảo dưỡng.

Vòi phun trực tiếp : Nguyên tắc, áp suất và sự hình thành phun

Kim phun trực tiếp phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng đốt chứ không phải vào cổng nạp phía trước van nạp. Sự khác biệt cơ bản này ở vị trí phun - buồng đốt so với cổng nạp - tạo ra một loạt các tính năng của hệ thống đốt mà cổng phun không thể cung cấp, bao gồm sự hình thành điện tích đồng nhất ở áp suất phun cao, hoạt động nạp phân tầng ở tải một phần (trong hệ thống phun xăng trực tiếp được thiết kế cho chế độ này), làm mát nạp từ quá trình bay hơi nhiên liệu trực tiếp trong buồng đốt và kiểm soát chính xác từng chu kỳ của khối nhiên liệu được phun không phụ thuộc vào động lực của đường ống nạp.

Phun xăng trực tiếp (GDI)

Trong động cơ phun xăng trực tiếp (GDI), nhiên liệu được phun ở áp suất thường từ 100 bar đến 350 bar trong các hệ thống hiện đại, với một số động cơ tiên tiến sử dụng áp suất lên tới 500 bar. Áp suất phun cao tạo ra tia phun mịn phun ra nhanh chóng dưới dạng điện tích nóng, nén trong xi lanh. Sự bay hơi của các giọt nhiên liệu trực tiếp trong buồng đốt sẽ hấp thụ nhiệt từ điện tích, làm giảm nhiệt độ nạp và cho phép tỷ số nén cao hơn (giúp cải thiện hiệu suất nhiệt động) mà không gây ra hiện tượng đốt cháy bất thường (gõ) vốn có thể hạn chế tỷ số nén trong động cơ phun nhiên liệu vào cổng tương đương.

Hệ thống phun GDI được đặc trưng bởi việc cung cấp áp suất phun (thông qua bơm nhiên liệu áp suất cao được dẫn động từ trục cam), số lần phun trên mỗi chu kỳ (tăng dần từ lần phun đơn lên năm lần hoặc nhiều hơn trong các hệ thống thế hệ hiện tại) và hình dạng phun của vòi phun - cho dù là kiểu nhiều lỗ tạo ra các tia phun rời rạc, kim phun xoáy tạo ra phun hình nón rỗng hay thiết kế van kim phun mở ra ngoài gần đây hơn.

Diesel phun trực tiếp Common Rail

Phun dầu diesel trực tiếp qua hệ thống đường ray chung là kiến trúc phun diesel chiếm ưu thế trên ô tô khách, xe thương mại hạng nhẹ và ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng hạng nặng. Đường ray chung lưu trữ nhiên liệu ở áp suất phun mục tiêu (từ 1.600 bar trong các hệ thống đầu tiên đến 2.700 bar trong các hệ thống hạng nặng thế hệ hiện tại) trong một thể tích tích lũy chung - đường ray - từ đó các kim phun riêng lẻ hút nhiên liệu. Bộ lưu trữ áp suất cao trong đường ray tách áp suất phun khỏi tốc độ động cơ, cho phép sử dụng áp suất phun tối đa tại bất kỳ điểm vận hành động cơ nào thay vì bị giới hạn ở điều kiện tốc độ cao như trong các hệ thống phun bằng đường ống bơm trước đây.

Kim phun diesel đường ray thông thường phải hoạt động đáng tin cậy trong phạm vi áp suất từ ​​điều kiện không tải đến áp suất cực đại đầy tải, mở và đóng van kim với thời gian phản hồi trong phạm vi micro giây đến mili giây để đạt được thời gian và thời gian phun chính xác, đồng thời duy trì độ chính xác về lượng phun trong hàng triệu lần phun với độ lệch hiệu suất tối thiểu. Những yêu cầu này đòi hỏi dung sai chế tạo chính xác, vật liệu chất lượng cao nhất và cơ chế truyền động có khả năng đáp ứng các yêu cầu về thời gian và lực đáp ứng trên toàn bộ phạm vi hoạt động.

Van kim phun và hình thành phun

Van kim ở đầu thân phun là bộ phận điều khiển dòng nhiên liệu từ hệ thống nhiên liệu cao áp vào buồng đốt. Khi kim nhấc lên khỏi chỗ ngồi, nhiên liệu áp suất cao sẽ chảy qua thể tích túi ở đầu vòi và thoát ra qua một số lỗ xác định (thường là 5 đến 10 trong vòi phun diesel hiện đại, 3 đến 12 trong vòi GDI) khi các tia phun tốc độ cao phun thành những giọt mịn thông qua sự phân tách hỗn loạn và tương tác khí động học với không khí tích điện đậm đặc trong xi lanh.

Độ nâng của van kim, tốc độ đóng mở và chênh lệch áp suất giữa các lỗ vòi phun tại thời điểm mở vòi đều ảnh hưởng đến sự phân bổ kích thước giọt ban đầu, độ xuyên thấu của tia phun (khoảng cách tia phun di chuyển trước khi mất đà và hòa trộn với điện tích) và lượng nhiên liệu được phun cho mỗi lần phun. Cơ cấu dẫn động kim phun - dù là điện từ hay áp điện - trực tiếp kiểm soát tốc độ và độ chính xác của chuyển động van kim, khiến nó trở thành yếu tố chính quyết định chất lượng phun.

Kích hoạt điện từ trong kim phun phun trực tiếp

Phần lớn các kim phun trực tiếp đang được sử dụng ngày nay đều sử dụng van điện từ làm cơ cấu kích hoạt. Kim phun điện từ đã trở thành thiết kế chủ đạo kể từ khi áp dụng phương pháp phun đường ray chung vào những năm 1990 và vẫn là loại kim phun trực tiếp được sản xuất rộng rãi nhất trên toàn cầu.

Đầu phun điện từ hoạt động như thế nào

Trong kim phun diesel đường ray chung được dẫn động bằng điện từ, van kim không được dẫn động trực tiếp bởi điện từ. Thay vào đó, bộ điện từ vận hành một van điều khiển nhỏ (van điều khiển hai chiều hoặc ba chiều) trong mạch nhiên liệu áp suất cao bên trong thân kim phun. Van điều khiển quản lý áp suất trong buồng điều khiển thủy lực phía trên kim, điều khiển xem lực thủy lực thực trên kim hướng về phía chỗ ngồi (kim đóng, dừng phun) hay cách xa chỗ ngồi (kim mở, đang tiêm).

Khi điện từ được cấp điện, nó sẽ mở van điều khiển, đẩy áp suất buồng điều khiển quay trở lại (áp suất thấp). Sự chênh lệch áp suất giữa buồng điều khiển và áp suất vòi phun tác động lên kim, nâng nó lên khỏi chỗ ngồi và bắt đầu phun. Khi bộ điện từ bị ngắt điện, van điều khiển đóng lại, áp suất phục hồi trong buồng điều khiển và kim quay trở lại vị trí của nó dưới tác động kết hợp của lực phục hồi thủy lực và lò xo kim. Do đó, thời gian phun là khoảng thời gian giữa lúc cấp điện cho điện từ và khi ngắt điện, và lượng bơm được xác định bằng tích phân của tốc độ dòng chảy trong thời gian này.

Hạn chế cố hữu của việc dẫn động điện từ trong phun trực tiếp là thời gian đáp ứng cơ học của hệ thống kim-van điện từ. Nam châm điện từ cần có thời gian để tạo và thu gọn từ trường, đồng thời mạch khuếch đại thủy lực bổ sung thêm độ trễ giữa hoạt động của điện từ và phản ứng của van kim. Điều này giới hạn thời gian phun tối thiểu có thể đạt được và khoảng cách tối thiểu giữa các lần phun liên tiếp, hạn chế số lần phun có thể được thực hiện trong một chu kỳ động cơ ở tốc độ động cơ cao.

Đầu phun áp điện : Cơ cấu truyền động áp điện hoạt động như thế nào

Một kim phun áp điện thay thế bộ truyền động điện từ bằng một bộ truyền động ngăn xếp áp điện - một cột gồm các phần tử gốm áp điện (phổ biến nhất là chì zirconate titanate, hoặc PZT) mở rộng khi có điện áp đặt vào chúng và co lại khi mất điện áp. Sự giãn nở và co lại vật lý này của ống khói cung cấp lực tác động và sự dịch chuyển để vận hành van điều khiển kim phun hoặc, trong một số thiết kế, điều khiển trực tiếp vị trí van kim.

Hiệu ứng áp điện trong bộ truyền động kim phun

Gốm áp điện thể hiện hiệu ứng áp điện ngược lại: khi một điện trường tác dụng lên gốm, vật liệu sẽ biến dạng về mặt cơ học. Trong các ngăn xếp PZT được thiết kế cho bộ truyền động kim phun nhiên liệu, điện áp từ 100 đến 200V đặt trên một chồng gồm 200 đến 400 tấm gốm riêng lẻ (mỗi tấm dày khoảng 0,1mm) tạo ra tổng dịch chuyển tuyến tính khoảng 30 đến 60 micromet. Sự dịch chuyển xảy ra trong vòng micro giây khi đặt điện áp - phản ứng gần như tức thời này là ưu điểm cơ bản về hiệu suất của hoạt động áp điện so với hoạt động điện từ trong kim phun phun trực tiếp.

Mối quan hệ giữa điện áp ứng dụng và độ dịch chuyển ống khói gần như tuyến tính, có nghĩa là việc áp dụng điện áp một phần tạo ra sự dịch chuyển một phần theo tỷ lệ. Đặc tính này cho phép kim phun áp điện thực hiện nâng một phần chính xác van điều khiển hoặc kim - tiêm một lượng nhỏ, được kiểm soát chính xác ở bất kỳ phần nào của quá trình nâng kim hoàn toàn mà hệ thống điện từ không thể sao chép.

Đầu phun áp điện tác động trực tiếp và khuếch đại bằng thủy lực

Hai cấu trúc kim phun áp điện chính được sử dụng trong các phương tiện sản xuất:

• Kim phun áp điện khuếch đại bằng thủy lực : Ngăn áp điện kích hoạt một van servo trong mạch nhiên liệu áp suất cao (về nguyên tắc tương tự như phương pháp van điều khiển điện từ), sau đó điều khiển vị trí kim bằng thủy lực. Giai đoạn khuếch đại thủy lực nhân sự dịch chuyển cơ học nhỏ của ngăn xếp áp điện thành một thang nâng kim lớn hơn, với chi phí là một khoảng thời gian đáp ứng. Đây là kiến ​​trúc được sử dụng trong Bosch CRI3 (kim phun đường ray chung) và các hệ thống tương tự vốn là kim phun diesel áp điện thương mại đầu tiên.
• Kim phun áp điện tác động trực tiếp : Trong kiến trúc này, ống khói áp điện được ghép cơ học trực tiếp với van kim thông qua một bộ phận ghép nối, điển hình là bộ ghép thủy lực bù cho sự thay đổi kích thước phụ thuộc vào nhiệt độ của ống khói và vật liệu thân kim phun (cả hai đều có hệ số giãn nở nhiệt khác nhau). Khớp nối trực tiếp loại bỏ hoàn toàn mạch điều khiển thủy lực, mang lại phản ứng nhanh nhất có thể - mở kim trong vòng khoảng 50 đến 100 micro giây kể từ khi đặt điện áp. Delphi (nay là BorgWarner Fuel Systems) là công ty đầu tiên giới thiệu kim phun đường ray chung áp điện tác động trực tiếp trong sản xuất và kiến ​​trúc này cung cấp tốc độ phản ứng phun cao nhất hiện có trong công nghệ hiện tại.

Bộ ghép thủy lực trong hệ thống tác động trực tiếp

Bộ ghép thủy lực trong kim phun áp điện tác động trực tiếp là một buồng thủy lực nhỏ, kín giữa ngăn áp điện và thanh khớp nối van kim. Chức năng chính của nó là bù đắp cho sự chênh lệch thực về sự giãn nở nhiệt giữa thân kim phun bằng thép và ngăn gốm PZT, nếu không sẽ khiến kim phun cung cấp số lượng không thể đoán trước khi nhiệt độ thay đổi trong quá trình khởi động và vận hành đầy tải. Bộ ghép thủy lực truyền lực cơ học từ ống khói đến khớp nối kim một cách trung thực trong quá trình phun động lực nhanh (khoảng thời gian micro giây đến mili giây) trong khi rò rỉ từ từ để điều chỉnh chênh lệch giãn nở nhiệt (khoảng thời gian từ giây đến phút). Thiết kế cơ khí trang nhã này là một trong những thành tựu kỹ thuật quan trọng của kim phun áp điện tác động trực tiếp và là nền tảng cho sự ổn định lượng phun lâu dài của nó.

Ưu điểm về hiệu suất của kim phun áp điện so với kim phun điện từ

Ưu điểm về hiệu suất của dẫn động áp điện so với dẫn động điện từ trong kim phun phun trực tiếp đã thúc đẩy việc áp dụng kim phun áp điện trong các ứng dụng có hiệu suất cao nhất và nhạy cảm với khí thải nhất, đặc biệt là trong các hệ thống đường ray chung diesel nơi yêu cầu về độ chính xác phun là lớn nhất.

Thời gian phản hồi nhanh hơn

Bộ truyền động áp điện phản hồi tính bằng micro giây so với khoảng thời gian mili giây của bộ truyền động điện từ. Phản ứng nhanh hơn này cho phép thời gian phun tối thiểu ngắn hơn, điều này rất quan trọng đối với các sự kiện phun thử nghiệm và sau phun được sử dụng trong các hệ thống đốt diesel tiên tiến để giảm tiếng ồn khi đốt, kiểm soát lượng khí thải dạng hạt và hỗ trợ tái tạo bộ lọc hạt diesel. Một kim phun áp điện có thể phun một cách đáng tin cậy với số lượng dưới 1 mm3 mỗi hành trình - số lượng đòi hỏi thời gian phun quá ngắn để kim phun điện từ có thể điều khiển chính xác.

Số lượng sự kiện tiêm cao hơn trên mỗi chu kỳ

Khoảng cách tối thiểu giữa các lần phun liên tiếp (thời gian dừng giữa các lần tiêm) đối với kim phun áp điện ngắn hơn so với kim phun điện từ vì van kim đạt đến vị trí đóng hoàn toàn nhanh hơn sau khi tắt lệnh. Kim phun diesel đường ray chung áp điện hiện đại có thể thực hiện tối đa tám sự kiện phun trở lên trong mỗi chu kỳ (nhiều phi công, phun chính và phun nhiều lần) ở tốc độ động cơ cao trong đó kim phun điện từ sẽ bị hạn chế ở ít sự kiện hơn do phản ứng chậm hơn. Số lượng sự kiện phun tăng lên trên mỗi chu kỳ cho phép các chiến lược đốt giảm đáng kể tiếng ồn (nhiều lần phun thí điểm nhỏ trước sự kiện chính trộn trước một lượng nhỏ nhiên liệu trước khi đánh lửa, giảm tốc độ tăng áp suất) và khí thải (sau phun hỗ trợ các chiến lược xử lý sau hạt và giảm NOx).

Kiểm soát nâng kim theo tỷ lệ

Do sự dịch chuyển của ống áp điện tỷ lệ thuận với điện áp đặt vào nên độ nâng của van kim có thể được điều khiển ở các vị trí trung gian thay vì bị hạn chế ở mức mở hoàn toàn hoặc đóng hoàn toàn. Khả năng kiểm soát tỷ lệ này cho phép tốc độ dòng chảy qua các lỗ vòi phun được thay đổi liên tục trong quá trình phun - khả năng gọi là định hình tốc độ - trong đó tốc độ cung cấp nhiên liệu được kiểm soát có chủ ý để tuân theo một cấu hình mong muốn (ví dụ: tăng tốc khi bắt đầu phun, ổn định duy trì trong quá trình phun chính và giảm tốc độ có kiểm soát ở cuối). Việc định hình tốc độ có thể giảm hơn nữa tiếng ồn khi đốt và lượng khí thải NOx so với cấu hình tốc độ phun hình chữ nhật thông thường.

Tiêu thụ điện năng thấp hơn và sinh nhiệt

Bộ truyền động điện dung áp điện lưu trữ và trả lại năng lượng điện trong mỗi chu kỳ phun (ngăn xếp lưu trữ năng lượng dưới dạng điện tích khi có điện áp và trả lại năng lượng khi phóng điện), không giống như bộ truyền động điện từ chuyển đổi năng lượng điện thành nhiệt trong điện trở cuộn dây. Sự phục hồi năng lượng điện dung này có nghĩa là nhu cầu năng lượng cao nhất trên thiết bị điện tử điều khiển kim phun cao nhưng mức tiêu thụ năng lượng ròng cho mỗi lần phun thấp hơn so với hệ thống điện từ tương đương. Bản thân việc sinh nhiệt thấp hơn trong bộ truyền động giúp giảm ứng suất nhiệt lên các bộ phận của kim phun và đơn giản hóa các yêu cầu quản lý nhiệt của thiết bị điện tử điều khiển kim phun.

Chiến lược điều khiển và điện tử điều khiển đầu phun áp điện

Kim phun áp điện yêu cầu mạch điều khiển điện áp cao chuyên dụng trong bộ điều khiển động cơ (ECU) hoặc mô-đun điều khiển kim phun riêng biệt. Dẫn động kim phun áp điện về cơ bản khác với dẫn động kim phun điện từ vì bộ truyền động áp điện là tải điện dung chứ không phải tải cảm ứng.

Để mở kim phun, trình điều khiển sạc ngăn áp điện đến điện áp mục tiêu - thường là 100V đến 200V - từ một dãy tụ điện tăng áp. Dòng sạc được điều khiển để tạo ra tốc độ tăng điện áp mong muốn, xác định tốc độ mở kim và tốc độ phun trong quá trình mở nhất thời. Để đóng kim phun, điện tích được lưu trữ sẽ được xả từ ngăn xếp trở lại tụ điện để phục hồi.

Mức điện áp chính xác cấp vào ống khói xác định mức độ nâng kim, ảnh hưởng trực tiếp đến lượng nhiên liệu được phun ở bất kỳ áp suất phun nhất định nào. Do đó, ECU phải điều khiển điện áp đầu ra của bộ điều khiển với độ chính xác cao - thường trong khoảng 1 đến 2 volt trên phạm vi hoạt động - để đạt được độ chính xác về lượng phun cần thiết để tuân thủ khí thải và khả năng lái xe. Hiệu chỉnh lượng phun vòng kín bằng cách sử dụng dữ liệu từ mô-đun đo tốc độ dòng chảy hoặc cảm biến nâng kim thường được triển khai để bù cho sự thay đổi giữa các kim phun và sự lệch dài hạn trong các đặc tính phản ứng của ống khói.

Dữ liệu hiệu chuẩn dành riêng cho đầu phun

Kim phun áp điện được hiệu chỉnh riêng trong quá trình sản xuất và được gán một bộ mã hiệu chỉnh (mã IMA, mã C3I hoặc mã tương đương tùy thuộc vào nhà sản xuất và nền tảng xe) để mã hóa các đặc tính hiệu suất cụ thể của kim phun tại các điểm vận hành chính so với thông số kỹ thuật danh nghĩa. Các mã hiệu chỉnh này được lập trình vào ECU khi lắp đặt kim phun, cho phép phần mềm điều khiển phun bù đắp cho các đặc tính của từng kim phun và cung cấp lượng phun chính xác bất chấp sự thay đổi trong phạm vi dung sai cho phép của nhà sản xuất. Khi thay thế kim phun áp điện, việc lập trình mã hiệu chuẩn của kim phun thay thế vào ECU là một bước thiết yếu -- nếu không làm như vậy sẽ dẫn đến lỗi về lượng phun gây ra tình trạng chạy giật, tăng lượng khí thải và có khả năng làm hỏng động cơ do đổ nhiên liệu quá mức.

Ứng dụng kim phun áp điện trong xe sản xuất

Kim phun áp điện lần đầu tiên được giới thiệu trên ô tô chở khách diesel vào đầu những năm 2000 và kể từ đó đã được áp dụng trên nhiều ứng dụng phun xăng trực tiếp bằng diesel và xăng, đặc biệt là những nơi yêu cầu hiệu suất phun và khả năng phát thải cao nhất.

Ứng dụng Diesel

Kim phun đường ray chung áp điện được sử dụng trong xe khách và động cơ diesel thương mại hạng nhẹ của nhiều nhà sản xuất. Các hệ thống áp điện tác động trực tiếp CRI3 (Common Rail Injector 3) của Bosch và DFI1 (sau này là DCO) của Delphi là những đại diện được sản xuất sớm và công nghệ này đã được cải tiến qua nhiều thế hệ để tiếp cận các hệ thống hiện tại hoạt động ở áp suất đường ray lên tới 2.700 bar với số lần phun từ bảy đến tám mỗi chu kỳ. Ngoài ô tô chở khách, phun áp điện còn được áp dụng trong động cơ diesel hạng nặng dành cho xe tải và thiết bị chạy trên đường cao tốc, trong đó hiệu suất phun mang lại lợi ích cho việc tuân thủ khí thải (tiêu chuẩn Euro VI, EPA 2010 và các tiêu chuẩn mới hơn) chứng minh chi phí kim phun cao hơn so với hệ thống điện từ.

Ứng dụng phun xăng trực tiếp

Truyền động áp điện cũng được áp dụng trong hệ thống phun xăng trực tiếp, mặc dù áp suất phun trong GDI thấp hơn (100 đến 500 bar so với 1.600 đến 2.700 bar trong động cơ diesel) có nghĩa là ưu điểm của áp điện so với truyền động điện từ là ít cực đoan hơn so với đường ray chung của động cơ diesel. Các ứng dụng và hệ thống GDI hiệu suất cao nhắm tới các giới hạn số lượng hạt (PN) chặt chẽ nhất - trong đó cần có nhiều lần phun được kiểm soát chính xác trong mỗi chu kỳ để giảm hiện tượng làm ướt thành và hình thành hạt - được hưởng lợi nhiều nhất từ ​​hoạt động áp điện trong bối cảnh xăng.

Ứng dụng mới nổi

Phun hydro trực tiếp cho động cơ đốt trong - một công nghệ truyền lực mới nổi dành cho xe cộ và phương tiện vận tải hạng nặng - đại diện cho một lĩnh vực ứng dụng trong tương lai, nơi hiệu suất của kim phun áp điện đặc biệt phù hợp. Mật độ năng lượng thấp, phạm vi dễ cháy rộng và tốc độ cháy rất cao của hydro tạo ra động lực đốt cháy đòi hỏi kiểm soát phun nhanh, chính xác để tránh các hiện tượng cháy bất thường. Tốc độ phản hồi cao và khả năng điều khiển tỷ lệ của kim phun áp điện khiến chúng rất phù hợp với nhu cầu đốt cháy hydro DI.

Chẩn đoán, bảo trì và thay thế kim phun áp điện

Kim phun áp điện đưa ra các yêu cầu chẩn đoán và dịch vụ cụ thể khác với kim phun điện từ. Chi phí cao hơn của chúng - thường gấp hai đến năm lần chi phí của kim phun điện từ tương đương - khiến việc chẩn đoán chính xác các lỗi hệ thống phun trở nên quan trọng trước khi quyết định thay thế. Yêu cầu về mã hiệu chuẩn của họ khiến việc lập trình trở thành một bước bắt buộc trong mọi quy trình thay thế.

Các chế độ lỗi phổ biến

Kim phun áp điện có thể bị hỏng thông qua một số cơ chế:

• Sự phân tách hoặc nứt ngăn áp điện : Dàn gốm có thể phát triển các vết nứt hoặc bong tróc từng lớp riêng lẻ, điển hình là do sốc nhiệt, sốc cơ học do búa nước trong hệ thống nhiên liệu hoặc hư hỏng do tăng đột biến điện áp. Lỗi ngăn xếp làm mất chức năng của bộ truyền động, trong đó kim phun thường được mặc định ở chế độ lỗi kẹt mở hoặc kẹt đóng tùy thuộc vào loại lỗi.
• Van kim bị kẹt hoặc bị kẹt : Sự tích tụ cặn carbon trên kim và đế từ các sản phẩm phân hủy nhiên liệu hoặc quá trình đốt cháy ngược có thể khiến kim bị dính, không tạo ra hoạt động phun (kim bị kẹt khi đóng) hoặc phun liên tục (kim bị kẹt khi mở). Chế độ hỏng hóc này phổ biến hơn với nhiên liệu có chất lượng kém hoặc ở động cơ có thời gian bảo dưỡng kéo dài ngoài lịch thay thế bộ lọc nhiên liệu.
• Rò rỉ thân kim phun : Các kết nối nhiên liệu áp suất cao và vòng bịt kín thân kim phun có thể bị rò rỉ bên trong hoặc bên ngoài, rò rỉ bên trong khiến dòng hồi lưu nhiên liệu tăng lên làm giảm áp suất đường ray và lượng phun, đồng thời rò rỉ bên ngoài tạo ra nguy cơ hỏa hoạn.
• Suy thoái khớp nối thủy lực (hệ thống tác động trực tiếp) : Dầu khớp nối thủy lực có thể xuống cấp hoặc rò rỉ qua các bộ phận bịt kín của khớp nối, gây mất chức năng bù nhiệt và trôi dần lượng phun khi khe hở khớp nối tăng hoặc giảm so với điều kiện hiệu chuẩn.

Phương pháp chẩn đoán

Lỗi kim phun áp điện được chẩn đoán thông qua sự kết hợp của việc đọc mã lỗi ECU, kiểm tra sự đóng góp của kim phun nhiên liệu (cân bằng xi lanh), đo lượng nhiên liệu hồi về và kiểm tra điện trở và điện dung của kim phun. Điện dung của ngăn áp điện (được đo khi kim phun được ngắt khỏi bộ dây điện của xe) là một chỉ số trực tiếp về tính toàn vẹn của ngăn xếp - ngăn xếp bị nứt hoặc tách lớp sẽ cho thấy điện dung giảm đáng kể so với giá trị thông số kỹ thuật và ngăn xếp bị chập mạch sẽ có điện dung gần như bằng không. Thử nghiệm điện dung này là thử nghiệm điện chính xác nhất về lỗi ống khói và có thể được thực hiện bằng máy đo LCR tiêu chuẩn có phạm vi đo phù hợp.

Độ chính xác của lượng phun được đánh giá bằng cách sử dụng bài kiểm tra cân bằng đóng góp của xi lanh có sẵn trong hầu hết các công cụ quét chẩn đoán tương thích với xe -- điều này so sánh hiệu chỉnh tốc độ không tải được áp dụng cho từng xi lanh bằng phần mềm kiểm soát phun để cân bằng chất lượng không tải, với các xi lanh cần hiệu chỉnh tích cực lớn cho thấy kim phun phân phối dưới số lượng mục tiêu và hiệu chỉnh tiêu cực cho thấy phân phối quá mức. Thử nghiệm này xác định kim phun nào đang hoạt động ngoài dung sai nhưng không xác định cơ chế hỏng hóc gây ra lỗi số lượng.

Thủ tục thay thế

Việc thay thế kim phun áp điện bao gồm việc tháo và lắp cơ khí (theo các bước tương tự như thay thế kim phun điện từ, chú ý đến vòng đệm kín bằng đồng, loại bỏ cặn carbon khỏi lỗ kim phun và điều chỉnh mô-men xoắn cho bố trí kẹp hoặc đai ốc liên kết) và bước bổ sung quan trọng là lập trình mã hiệu chuẩn của kim phun thay thế vào ECU.

Mã hiệu chuẩn được cung cấp cùng với kim phun thay thế (trên nhãn trên thân kim phun hoặc trên thẻ dữ liệu riêng trong bao bì) và phải được nhập vào ECU bằng công cụ chẩn đoán tương thích hỗ trợ chức năng mã hóa kim phun cho nền tảng xe cụ thể. Hầu hết các hệ thống chẩn đoán cấp chuyên nghiệp đều hỗ trợ mã hóa kim phun áp điện cho các hệ thống quản lý động cơ chính (Bosch EDC17, Delphi DCM, Continental, Denso và các hệ thống khác), và chức năng này thường có thể truy cập được trong menu chức năng đặc biệt của ECU động cơ.

Việc không lập trình mã hiệu chuẩn sau khi thay thế sẽ dẫn đến việc ECU sử dụng mã của kim phun trước đó (hoặc giá trị mặc định) để điều khiển kim phun mới, tạo ra lỗi về lượng phun sẽ biểu hiện như chạy không tải thô bạo, bốc khói khi chạy không tải hoặc tải một phần, lượng khí thải tăng cao và trong các trường hợp nghiêm trọng, hư hỏng kim phun mới hoặc động cơ do một hoặc nhiều xi-lanh nạp nhiên liệu quá mức thường xuyên. Mã hóa kim phun sau khi thay thế là bước không bắt buộc, không phải là phương pháp hay nhất được khuyến nghị.

So sánh: Vòi phun trực tiếp điện từ và áp điện