Zobacz jak wtryskiwacz piezoelektryczny sprawdza się w układzie Common Rail Bosch – podobnie pracuje Delphi, Denso, Siemens

Wtryskiwacz piezoelektryczny to jeden z rodzajów wtryskiwaczy stosowanych w układzie Common Rail. W porównaniu z tradycyjnymi wtryskiwaczami elektromagnetycznymi, wtryskiwacze piezoelektryczne mają szereg zalet. Po pierwsze, wtryskiwacze piezoelektryczne charakteryzują się dużo szybszym czasem reakcji i precyzyjniejszym wtryskiem paliwa, co pozwala na uzyskanie lepszych osiągów silnika i mniejszej emisji spalin. Po drugie, wtryskiwacze piezoelektryczne są bardziej odporne na zużycie i wymagają mniej konserwacji, co przekłada się na ich wyższą niezawodność i dłuższą żywotność. W układzie Common Rail, wtryskiwacze piezoelektryczne sterowane są przez wysoko zaawansowany system elektroniczny, który pozwala na precyzyjne kontrolowanie ilości i momentu wtrysku paliwa. Wtrysk odbywa się pod bardzo wysokim ciśnieniem, co pozwala na uzyskanie większej mocy i mniejszej emisji spalin.

1. Jak wygląda budowa i jakie wymagania stawia tym rodzajom wtryskiwaczy

Budowa wtryskiwacza piezoelektrycznego:

Wtryskiwacz składa się z następujących elementów:
- siłownika piezoelektrycznego,
- przetwornika hydraulicznego,
- zaworu sterującego,
- rozpylacza.

Podczas konstruowania wtryskiwacza piezoelektrycznego, szczególną uwagę zwrócono ku zwiększeniu sztywności zestawu nastawników, który składa się z siłownika piezoelektrycznego, przetwornika hydraulicznego oraz zaworu sterującego. Kolejną cechą konstrukcyjną wtryskiwacza piezoelektrycznego jest brak występowania sił mechanicznych, które mogłyby działać na igłę rozpylacza, jak to się ma w przypadku wtryskiwaczy elektromagnetycznych, które posiadają trzpień naciskowy. Dzięki temu zmniejszyły się masy ruchome i tarcie, jednocześnie zwiększyła się stabilność pracy samego wtryskiwacza piezoelektrycznego. Zapewniono też realizację małych odstępów czasowych między wtryskami, co przy kształtowaniu dawki paliwa pozwala na realizację do pięciu wtrysków na jeden cykl pracy silnika. Hydrauliczne sprzężenie zaworu sterującego z igłą rozpylacza pozwala na uzyskanie natychmiastowej, bezpośredniej reakcji igły na uruchomienie siłownika. Zwłoka pomiędzy elektrycznym początkiem włączenia a hydrauliczną reakcją igły rozpylacza wynosi tylko 150 µs, co pozwala jednocześnie na spełnienie wymagań dotyczących czasu reakcji igły rozpylacza, a także do utrzymania powtarzalności wtryskiwanych dawek paliwa. Wtryskiwacz piezoelektryczny w swojej budowie nie zawiera też miejsc bezpośrednich wycieków z układu wysokiego ciśnienia do niskiego ciśnienia, co powoduje, że sprawność hydrauliczna całego układu jest większa.

2. Działanie wtrysków piezo Common Rail

Igła rozpylacza wtryskiwacza piezoelektrycznego jest sterowna za pomocą zaworu sterującego, z kolei wymagana dawka paliwa jest regulowana czasem włączenia zaworu. W stanie wyłączonym siłownik piezoelektryczny znajduje się w położeniu wyjściowym przy zamkniętym zaworze sterującym, a więc obwody wysokiego ciśnienia i niskiego ciśnienia są rozdzielone. Igła rozpylacza jest utrzymywana w dolnym położeniu przez panujące ciśnienie w komorze sterującej. Po włączeniu prądu sterującego siłownik piezoelektryczny otwiera zawór sterujący, który przemieszczając się w dół, zamyka kanał obejściowy. Odpowiednio dobrany stosunek strumieni przepływu przez dławiki: odpływu i dopływu wywołuje spadek ciśnienia w komorze sterującej, powodując uniesienie igły rozpylacza. Dawka sterująca odpływa przez zawór sterujący do obwodu niskiego ciśnienia. Zmniejszenie objętości siłownika piezoelektrycznego rozpoczyna proces zamykania zaworu sterującego, który otwiera kanał obejściowy. Wówczas komora sterująca napełnia się dzięki odpowiednio dobranym strumieniom przepływu przez dławiki dopływu i odpływu a ciśnienie w komorze sterującej wzrasta. Po osiągnięciu zadanego ciśnienia igła rozpylacza zaczyna się poruszać i proces wtrysku dobiega końca. Porównując do konwencjonalnego wtryskiwacza tzn. wyposażone w trzpień naciskowy i zawór 2/2, konstrukcja wtryskiwacza piezoelektrycznego cechuje się znacznie krótszymi czasami reakcji, co jest korzystne dla ograniczenia zużycia paliwa oraz emisji szkodliwych substancji. W związku z wejściem w życie normy Euro IV, charakterystyki wtryskiwaczy zoptymalizowano za pomocą funkcji korygujących (wyrównanie dawki IMA oraz kalibracja dawki zerowej NMK). Dzięki nim można w dowolny sposób kształtować dawki wstępne, a wykorzystując w pełni balistyczną charakterystykę wtrysku, można zminimalizować rozrzut dawki w polu charakterystyki.

3. Elementy wtryskiwacza - działanie przetwornika hydraulicznego wtrysku CR

Kolejnym ważnym elementem składowym wtryskiwacza piezoelektrycznego jest przetwornik hydrauliczny, którego zadaniem jest:
- zwiększenie skoku siłownika piezoelektrycznego,
- kompensacja ewentualnych luzów (np. wskutek wydłużeń cieplnych) między siłownikiem piezoelektrycznym a zaworem sterującym.
- samoczynne przerwanie wtrysku w przypadku uszkodzenia styku elektrycznego.

Zarówno moduł piezoelektryczny jak i przetwornika hydraulicznego są otoczone olejem napędowym, którego ciśnienie wynosi ok. 1 MPa. Gdy silnik jest wyłączony, ciśnienie w przetworniku hydraulicznym równoważy się z ciśnieniem otoczenia. Zmiany długości, które są spowodowane wpływem temperatury, eliminują niewielkie przecieki przez luzy na prowadzeniu obu tłoczków, powodując zachowanie w każdej chwili sprzężenia siłowego między siłownikiem i zaworem sterującym. By rozpocząć wtrysk paliwa, siłownik poddawany jest napięciu rzędu 110 – 150 V aż do chwili, w której przekroczona zostanie równowaga sił pomiędzy siłownikiem a zaworem włączającym. Powoduje on wzrost ciśnienia, któremu towarzyszy niewielki przeciek paliwa przez luzy prowadzenia tłoczka do obwodu niskiego ciśnienia wtryskiwacza. Wahania ciśnienia przy czasach włączenia trwających kilka milisekund nie mają wpływu na działanie wtryskiwacza.

Każdorazowo po zakończonym wtrysku, obwód przetwornika hydraulicznego musi zostać napełniony dawką paliwa. Odbywa się to teraz w kierunku przeciwnym poprzez luzy prowadzenia tłoczków wskutek różnicy ciśnienia między przetwornikiem hydraulicznym i obwodem niskiego ciśnienia wtryskiwacza. Luzy prowadzenia i wartość niskiego ciśnienia są tak dobrane, że przed następnym cyklem wtrysku komora przetwornika hydraulicznego zostaje całkowicie wypełniona paliwem.

Wykres:

dawki wtrysku przy różnych ciśnieniach wtrysku
a – 160 MPa,
b – 120 MPa,
c – 100 MPa,
d – 80 MPa,
e – 25 MPa

4. Co powoduje włączanie wtryskiwacza piezoelektrycznego?

Wtryskiwacze piezoelektryczne są uruchamiane przez sterownik o specjalnie dostosowanych stopniach końcowych. W zależności od ciśnienia w zasobniku dla danego punktu pracy zdefiniowano znamionowe napięcie sterujące. Przebieg napięcia jest zwiększany impulsowo aż do osiągnięcia dopuszczalnej granicy między napięciem znamionowym i regulacyjnym. Wzrost napięcia zostaje przetworzony na proporcjonalny skok siłownika piezoelektrycznego powodującego wzrost ciśnienia w przetworniku hydraulicznym aż do przekroczenia równowagi sił na zaworze sterującym i otwarcia tego zaworu. Gdy zawór sterujący osiągnie już położenie końcowe, ciśnienie w komorze sterującej nad igłą rozpylacza zaczyna spadać, a wtrysk zostaje zakończony.

Wykres:

5. Wszystkie zalety, jakie ma wtryskiwacz piezoelektryczny.

Do zalet wtryskiwaczy piezoelektrycznych możemy zaliczyć:
- możliwość wykonywania wtrysku wielokrotnego (do pięciu) o zmiennym początku i zmiennym odstępie między pojedynczymi wtryskami,
- wytwarzanie bardzo małych dawek dla wtrysku wstępnego,
- małe wymiary i masa wtryskiwacza: 270 g piezoelektryczny a 490 g elektromagnetyczny,
- mniejszy hałas podczas pracy,
- mniejsze zużycie paliwa,
- mniejsza emisja spalin,
- zwiększenie mocy silnika.

Historia odkrycia efektu piezoelektrycznego (piezo kryształ), a wtryskiwacze Common Rail

W roku 1880 bracia Curie Pierre i Jacques odkryli pewne zjawisko, zwane efektem piezoelektrycznym, umożliwiającym np. regularny ruch wskazówki w zegarku kwarcowym. Niektóre kryształy (np. kwarc lub turmalin) wykazują właściwości piezoelektryczne: w efekcie ściskania lub rozciągania wzdłuż wybranych ich osi na powierzchni kryształów indukują się ładunki elektryczne. Powstają one wskutek tego, że dodatnie i ujemne jony w krysztale przemieszczają się względem siebie pod działaniem sił. Wewnątrz kryształu następuje wyrównanie wartości ładunku, a na powierzchniach czołowych kryształu powstaje pole elektryczne. Ściskanie i rozciąganie kryształów wywołuje przeciwne kierunki pola elektrycznego. Przyłożenie do powierzchni czołowych napięcia elektrycznego powoduje zjawisko odwrotne: jony dodatnie zostają w polu elektrycznym przesunięte w kierunku elektrody ujemnej, a jony ujemne w kierunku elektrody dodatniej. Efektem tego jest kurczenie się lub rozciąganie kryształu w zależności od kierunku natężenia zewnętrznego pola elektromagnetycznego. Efekt piezoelektryczny spotykany jest nie tylko w zegarkach kwarcowych i wtryskiwaczach piezoelektrycznych, ale także w zastosowaniach technicznych. Czujniki piezoelektryczne wykorzystuje się na przykład w silnikach benzynowych, w których wykrywają drgania kadłuba silnika o wysokiej częstotliwości – spalanie stukowe. W zegarku kwarcowym rezonator jest wzbudzany napięciem przemiennym, którego częstotliwość odpowiada częstotliwości drgań własnych kwarcu. W ten sposób powstają bardzo dokładne stałe drgania rezonansowe, w których odchyłka względem kwarcu wzorcowego wynosi 1/1000 sekundy na rok.

Wszystkie, jakie są stosowane wtryskiwacze piezoelektryczne Common Rail w przeciwieństwie do wtryskiwaczy elektromagnetycznych nie możemy naprawić. Ale możemy tak jak wtryskiwacze Cr elektromagnetyczne sprawdzać, testować i czyścić na specjalnych maszynach termiczno – chemicznie. Skontaktuj się z naszą pracownią naprawy, regeneracji wtryskiwaczy i zapytaj - jak wygląda i przebiega taka operacja dedykowana dla tych wtryskiwaczy.