หัวฉีดเพียโซอิเล็กทริกกับหัวฉีดโดยตรง: คู่มือทางเทคนิค

หัวฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงในเครื่องยนต์สมัยใหม่: จากการฉีดโดยตรงไปจนถึงการกระตุ้นแบบเพียโซอิเล็กทริก

หัวฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงเป็นส่วนประกอบที่แนะนำเชื้อเพลิงเข้าสู่กระบวนการเผาไหม้ด้วยเวลาที่แม่นยำ ปริมาณสเปรย์ที่ควบคุมได้ และสเปกตรัมหยดที่ปรับให้เหมาะสมสำหรับการผสมอย่างรวดเร็วและการเผาไหม้ที่สมบูรณ์ วิวัฒนาการของเทคโนโลยีหัวฉีดในช่วงสามทศวรรษที่ผ่านมา ตั้งแต่การฉีดพอร์ตแบบธรรมดาไปจนถึงการฉีดโดยตรงตั้งแต่เนิ่นๆ ไปจนถึงหัวฉีดเพียโซอิเล็กทริกรุ่นปัจจุบันที่สามารถฉีดได้หลายรอบต่อรอบที่แรงดันการฉีดสูงกว่า 2,500 บาร์ ได้รับแรงผลักดันจากกฎระเบียบด้านการปล่อยมลพิษที่มีความต้องการมากขึ้น เป้าหมายการประหยัดเชื้อเพลิง และการค้นหากำลังส่งออกจำเพาะที่สูงขึ้นจากเครื่องยนต์ที่มีขนาดเล็กลง

การฉีดโดยตรงและการฉีดเพียโซอิเล็กทริกไม่ใช่ทางเลือกอื่นที่แข่งขันกัน เนื่องจากเป็นตัวแทนของลำดับชั้นของเทคโนโลยีเดียวกันสองระดับ หัวฉีดเพียโซอิเล็กทริกเป็นหัวฉีดแบบฉีดโดยตรงชนิดหนึ่งที่ใช้ตัวกระตุ้นเพียโซอิเล็กทริกแทนโซลินอยด์ในการควบคุมวาล์วเข็ม การฉีดโดยตรงคือบริบทของแอปพลิเคชัน การกระตุ้นแบบเพียโซอิเล็กทริกเป็นกลไกที่ช่วยให้สามารถดำเนินการไดเร็กอินเจคชั่นได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด

การทำความเข้าใจว่าเทคโนโลยีแต่ละอย่างทำงานอย่างไร เหตุใดการกระตุ้นแบบเพียโซอิเล็กทริกจึงได้เปรียบด้านประสิทธิภาพมากกว่าการฉีดโดยตรงที่ขับเคลื่อนด้วยโซลินอยด์ และผลกระทบเชิงปฏิบัติที่มีต่อประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ การวินิจฉัย และการซ่อมแซม ถือเป็นรากฐานสำหรับการตัดสินใจอย่างรอบรู้ในการออกแบบเครื่องยนต์ การเลือกยานพาหนะ และงานบริการ

หัวฉีดแบบฉีดตรง : หลักการ ความดัน และการเกิดสเปรย์

หัวฉีดแบบไดเร็กอินเจคชั่นจะฉีดเชื้อเพลิงโดยตรงเข้าไปในห้องเผาไหม้ แทนที่จะฉีดเข้าไปในช่องไอดีที่อยู่ทางเหนือของวาล์วไอดี ความแตกต่างพื้นฐานในตำแหน่งการฉีด - ห้องเผาไหม้และช่องไอดี - ช่วยให้เกิดคุณสมบัติระบบการเผาไหม้ที่หลากหลายซึ่งการฉีดพอร์ตไม่สามารถให้ได้ รวมถึงการก่อตัวของประจุที่เป็นเนื้อเดียวกันที่ความดันการฉีดสูง การดำเนินการประจุแบบแบ่งชั้นที่โหลดชิ้นส่วน (ในระบบฉีดตรงของน้ำมันเบนซินที่ออกแบบมาสำหรับโหมดนี้) ชาร์จความเย็นจากการระเหยของเชื้อเพลิงโดยตรงในห้องเผาไหม้ และการควบคุมแบบรอบต่อรอบที่แม่นยำของมวลเชื้อเพลิงที่ฉีด โดยไม่ขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงของท่อร่วมไอดี

การฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงโดยตรง (GDI)

ในเครื่องยนต์เบนซินไดเร็กอินเจคชั่น (GDI) เชื้อเพลิงจะถูกฉีดที่แรงดันปกติตั้งแต่ 100 บาร์ถึง 350 บาร์ในระบบสมัยใหม่ โดยเครื่องยนต์ขั้นสูงบางรุ่นใช้แรงดันสูงถึง 500 บาร์ แรงดันการฉีดที่สูงทำให้เกิดสเปรย์หยดละเอียดที่ทำให้เป็นละอองอย่างรวดเร็วในประจุร้อนที่ถูกบีบอัดภายในกระบอกสูบ การระเหยของหยดน้ำมันเชื้อเพลิงโดยตรงในห้องเผาไหม้จะดูดซับความร้อนจากประจุ ส่งผลให้อุณหภูมิประจุลดลง และช่วยให้อัตราส่วนการอัดสูงขึ้น (ซึ่งปรับปรุงประสิทธิภาพทางอุณหพลศาสตร์) โดยไม่เกิดการเผาไหม้ที่ผิดปกติ (น็อค) ซึ่งจะจำกัดอัตราส่วนกำลังอัดในเครื่องยนต์ที่มีการฉีดเข้าทางพอร์ตที่เทียบเท่ากัน

ระบบฉีด GDI มีลักษณะเฉพาะด้วยการส่งแรงดันการฉีด (ผ่านปั๊มเชื้อเพลิงแรงดันสูงที่ขับเคลื่อนจากเพลาลูกเบี้ยว) จำนวนเหตุการณ์การฉีดต่อรอบ (ซึ่งเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องจากการฉีดครั้งเดียวเป็นห้าครั้งขึ้นไปในระบบปัจจุบัน) และรูปทรงของสเปรย์ของหัวฉีดหัวฉีด ไม่ว่าจะเป็นรูปแบบหลายรูที่สร้างไอพ่นสเปรย์แยกกัน หัวฉีดแบบหมุนวนที่สร้างสเปรย์กรวยกลวง หรือการออกแบบวาล์วพินเทิลเปิดด้านนอกล่าสุด

ดีเซลคอมมอนเรลไดเรคอินเจคชั่น

การฉีดเชื้อเพลิงดีเซลโดยตรงผ่านระบบคอมมอนเรลถือเป็นสถาปัตยกรรมการฉีดเชื้อเพลิงดีเซลที่โดดเด่นในรถยนต์นั่งส่วนบุคคล รถยนต์เพื่อการพาณิชย์ขนาดเล็ก และการใช้งานหนักมากขึ้นเรื่อยๆ คอมมอนเรลจะจัดเก็บน้ำมันเชื้อเพลิงที่แรงดันการฉีดเป้าหมาย (ตั้งแต่ 1,600 บาร์ในระบบยุคแรกๆ จนถึง 2,700 บาร์ในระบบงานหนักรุ่นปัจจุบัน) ในปริมาณตัวสะสมที่ใช้ร่วมกัน - ราง - ที่หัวฉีดแต่ละตัวดึงเชื้อเพลิง การจัดเก็บแรงดันสูงในรางจะแยกแรงดันการฉีดออกจากความเร็วเครื่องยนต์ ทำให้สามารถใช้แรงดันการฉีดสูงสุดที่จุดการทำงานของเครื่องยนต์ใดๆ แทนที่จะถูกจำกัดอยู่ในสภาวะความเร็วสูงเหมือนในระบบหัวฉีดแบบสายปั๊มและหัวฉีดรุ่นก่อนหน้า

หัวฉีดดีเซลคอมมอนเรลจะต้องทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือในช่วงแรงดันตั้งแต่สภาวะเดินเบาไปจนถึงแรงดันสูงสุดแบบเต็มโหลด เปิดและปิดวาล์วเข็มด้วยเวลาตอบสนองในช่วงไมโครวินาทีถึงมิลลิวินาทีเพื่อให้ได้จังหวะและระยะเวลาการฉีดที่แม่นยำ และรักษาความแม่นยำของปริมาณการฉีดเหนือเหตุการณ์การฉีดนับล้านครั้งโดยมีความเบี่ยงเบนในประสิทธิภาพน้อยที่สุด ข้อกำหนดเหล่านี้ต้องการความคลาดเคลื่อนในการผลิตที่แม่นยำ วัสดุที่มีคุณภาพสูงสุด และกลไกการกระตุ้นที่สามารถตอบสนองเวลาตอบสนองและข้อกำหนดด้านแรงตลอดช่วงการทำงานทั้งหมด

วาล์วเข็มหัวฉีดและการก่อสเปรย์

วาล์วเข็มที่ส่วนปลายของตัวหัวฉีดเป็นองค์ประกอบที่ควบคุมการไหลของน้ำมันเชื้อเพลิงจากระบบเชื้อเพลิงแรงดันสูงเข้าสู่ห้องเผาไหม้ เมื่อเข็มยกขึ้นจากที่นั่ง เชื้อเพลิงแรงดันสูงจะไหลผ่านปริมาตรถุงที่ปลายหัวฉีด และออกผ่านรูตามจำนวนที่กำหนด (โดยทั่วไปคือ 5 ถึง 10 รูในหัวฉีดดีเซลสมัยใหม่ และ 3 ถึง 12 รูในหัวฉีด GDI) ในลักษณะไอพ่นความเร็วสูงที่แตกเป็นละอองละเอียดผ่านการแตกตัวแบบปั่นป่วนและปฏิกิริยาแอโรไดนามิกกับอากาศประจุหนาแน่นในกระบอกสูบ

การยกวาล์วแบบเข็ม ความเร็วในการเปิดและปิด และความแตกต่างของแรงดันทั่วรูหัวฉีดในขณะที่เปิด ล้วนส่งผลต่อการกระจายขนาดหยดเริ่มต้น การเจาะทะลุของสเปรย์ (ระยะทางที่หัวฉีดสเปรย์เคลื่อนที่ก่อนที่จะสูญเสียโมเมนตัมและผสมกับประจุ) และปริมาณของเชื้อเพลิงที่ฉีดต่อเหตุการณ์ กลไกการสั่งงานของหัวฉีด ไม่ว่าจะเป็นโซลินอยด์หรือเพียโซอิเล็กทริก จะควบคุมความเร็วและความแม่นยำของการเคลื่อนที่ของวาล์วเข็มโดยตรง ทำให้เป็นปัจจัยสำคัญในการกำหนดคุณภาพการฉีด

การกระตุ้นโซลินอยด์ในหัวฉีดแบบฉีดตรง

หัวฉีดไดเร็กอินเจคชั่นส่วนใหญ่ที่ให้บริการในปัจจุบันใช้โซลินอยด์วาล์วเป็นกลไกในการสั่งงาน หัวฉีดโซลินอยด์ได้รับการออกแบบที่โดดเด่นนับตั้งแต่มีการเปิดตัวการฉีดคอมมอนเรลในปี 1990 และยังคงเป็นประเภทหัวฉีดไดเร็กอินเจคชั่นที่มีการผลิตกันอย่างแพร่หลายทั่วโลก

หัวฉีดโซลินอยด์ทำงานอย่างไร

ในหัวฉีดดีเซลคอมมอนเรลที่ทำงานด้วยโซลินอยด์ วาล์วเข็มไม่ได้ถูกขับเคลื่อนด้วยโซลินอยด์โดยตรง แต่โซลินอยด์จะทำงานวาล์วควบคุมขนาดเล็ก (วาล์วควบคุมสองทางหรือสามทาง) ในวงจรเชื้อเพลิงแรงดันสูงภายในตัวหัวฉีด วาล์วควบคุมจะจัดการแรงดันในห้องควบคุมไฮดรอลิกเหนือเข็ม ซึ่งจะควบคุมว่าแรงไฮดรอลิกสุทธิบนเข็มนั้นหันไปทางเบาะนั่ง (เข็มปิด, หยุดการฉีดยา) หรืออยู่ห่างจากเบาะ (เข็มเปิด, กำลังฉีดยา)

เมื่อโซลินอยด์ถูกกระตุ้น มันจะเปิดวาล์วควบคุม โดยระบายแรงดันของห้องควบคุมให้กลับมา (แรงดันต่ำ) ส่วนต่างของแรงดันระหว่างห้องควบคุมและแรงดันหัวฉีดจะกระทำขึ้นไปบนเข็ม โดยยกเข็มขึ้นจากที่นั่งและเริ่มการฉีดยา เมื่อโซลินอยด์ไม่ทำงาน วาล์วควบคุมจะปิด แรงดันจะสร้างใหม่ในห้องควบคุม และเข็มจะกลับสู่ที่นั่งภายใต้การทำงานร่วมกันของแรงคืนสภาพไฮดรอลิกและสปริงเข็ม ระยะเวลาการฉีดจึงเป็นช่วงเวลาระหว่างการเพิ่มพลังงานของโซลินอยด์และการลดพลังงาน และปริมาณที่ฉีดจะถูกกำหนดโดยอินทิกรัลของอัตราการไหลในช่วงเวลานี้

ข้อจำกัดโดยธรรมชาติของการสั่งงานโซลินอยด์ในการฉีดโดยตรงคือเวลาตอบสนองทางกลของระบบโซลินอยด์วาล์ว-เข็ม แม่เหล็กไฟฟ้าของโซลินอยด์ต้องใช้เวลาในการสร้างและยุบสนามแม่เหล็ก และวงจรขยายสัญญาณไฮดรอลิกจะเพิ่มการหน่วงเวลาเพิ่มเติมระหว่างการสั่งงานของโซลินอยด์และการตอบสนองของวาล์วเข็ม สิ่งนี้จะจำกัดระยะเวลาการฉีดขั้นต่ำที่เป็นไปได้และการแยกขั้นต่ำระหว่างการฉีดต่อเนื่อง ซึ่งจำกัดจำนวนเหตุการณ์การฉีดที่สามารถทำได้ภายในรอบเครื่องยนต์เดียวที่ความเร็วรอบเครื่องยนต์สูง

หัวฉีดเพียโซอิเล็กทริก : วิธีการทำงานของ Piezoelectric Actuation

หัวฉีดเพียโซอิเล็กทริกจะแทนที่แอคชูเอเตอร์โซลินอยด์ด้วยแอคทูเอเตอร์สแต็กเพียโซอิเล็กทริก - คอลัมน์ขององค์ประกอบเซรามิกเพียโซอิเล็กทริก (โดยทั่วไปคือตะกั่วเซอร์โคเนตไททาเนตหรือ PZT) ซึ่งจะขยายตัวเมื่อมีการใช้แรงดันไฟฟ้าและหดตัวเมื่อแรงดันไฟฟ้าถูกลบออก การขยายตัวและการหดตัวทางกายภาพของปล่องนี้ให้แรงกระตุ้นและการเคลื่อนตัวที่สั่งงานวาล์วควบคุมหัวฉีด หรือในบางรูปแบบ จะควบคุมตำแหน่งวาล์วเข็มโดยตรง

ผลเพียโซอิเล็กทริกในตัวกระตุ้นหัวฉีด

เซรามิกเพียโซอิเล็กทริกมีเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกแบบตรงกันข้าม: เมื่อมีการส่งสนามไฟฟ้าไปทั่วทั้งเซรามิก วัสดุจะเปลี่ยนรูปโดยกลไก ในกอง PZT ที่ออกแบบมาสำหรับแอคชูเอเตอร์ของหัวฉีดน้ำมันเชื้อเพลิง แรงดันไฟฟ้า 100 ถึง 200V ที่ใช้กับแผ่นเวเฟอร์เซรามิกจำนวน 200 ถึง 400 แผ่น (แต่ละตัวมีความหนาประมาณ 0.1 มม.) ทำให้เกิดการกระจัดเชิงเส้นรวมประมาณ 30 ถึง 60 ไมโครเมตร การกระจัดเกิดขึ้นภายในไมโครวินาทีของการใช้แรงดันไฟฟ้า - การตอบสนองในทันทีทันใดนี้เป็นข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพขั้นพื้นฐานของการกระตุ้นแบบเพียโซอิเล็กทริกเหนือการกระตุ้นด้วยโซลินอยด์ในหัวฉีดแบบฉีดตรง

ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับการกระจัดของสแต็กนั้นแทบจะเป็นเส้นตรง ซึ่งหมายความว่าการใช้แรงดันไฟฟ้าบางส่วนจะทำให้เกิดการกระจัดบางส่วนตามสัดส่วน คุณลักษณะนี้ช่วยให้หัวฉีดเพียโซอิเล็กทริกสามารถยกวาล์วควบคุมหรือเข็มบางส่วนได้อย่างแม่นยำ โดยฉีดปริมาณเล็กน้อยและควบคุมได้อย่างแม่นยำที่เศษส่วนของการยกเข็มเต็มซึ่งระบบโซลินอยด์ไม่สามารถทำซ้ำได้

หัวฉีดเพียโซอิเล็กทริกที่ออกฤทธิ์โดยตรงและขยายไฮดรอลิก

สถาปัตยกรรมหัวฉีดเพียโซอิเล็กทริกหลักสองแบบถูกนำมาใช้ในยานพาหนะการผลิต:

• หัวฉีดเพียโซอิเล็กทริกขยายไฮดรอลิก : สแต็คเพียโซอิเล็กทริกจะสั่งงานเซอร์โววาล์วในวงจรเชื้อเพลิงแรงดันสูง (โดยหลักการแล้วคล้ายกับแนวทางวาล์วควบคุมโซลินอยด์) ซึ่งจะควบคุมตำแหน่งของเข็มด้วยวิธีไฮดรอลิก ขั้นตอนการขยายเสียงแบบไฮดรอลิกจะคูณการเคลื่อนตัวเชิงกลเล็กน้อยของปิโซสแต็กให้เป็นการยกเข็มที่ใหญ่ขึ้น โดยแลกกับเวลาตอบสนองบางส่วน นี่คือสถาปัตยกรรมที่ใช้ใน Bosch CRI3 (หัวฉีดคอมมอนเรล) และระบบที่คล้ายกันซึ่งเป็นหัวฉีดดีเซลเพียโซอิเล็กทริกเชิงพาณิชย์ตัวแรก
• หัวฉีดเพียโซอิเล็กทริกที่ออกฤทธิ์โดยตรง : ในสถาปัตยกรรมนี้ สแต็คเพียโซอิเล็กทริกจะถูกเชื่อมต่อทางกลไกโดยตรงกับวาล์วเข็มผ่านองค์ประกอบข้อต่อ ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะเป็นข้อต่อไฮดรอลิกที่ชดเชยการเปลี่ยนแปลงมิติขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของสแต็กและวัสดุของตัวหัวฉีด (ทั้งสองอย่างนี้มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนที่แตกต่างกัน) ข้อต่อตรงช่วยลดวงจรควบคุมไฮดรอลิกโดยสิ้นเชิง ให้การตอบสนองที่เร็วที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ - การเปิดเข็มภายในเวลาประมาณ 50 ถึง 100 ไมโครวินาทีของการใช้แรงดันไฟฟ้า Delphi (ปัจจุบันคือ BorgWarner Fuel Systems) เป็นเจ้าแรกที่แนะนำหัวฉีดเพียโซอิเล็กทริกคอมมอนเรลที่ออกฤทธิ์โดยตรงในการผลิต และสถาปัตยกรรมนี้ให้ความเร็วการตอบสนองการฉีดสูงสุดที่มีอยู่ในเทคโนโลยีปัจจุบัน

ข้อต่อไฮดรอลิกในระบบออกฤทธิ์โดยตรง

ข้อต่อไฮดรอลิกในหัวฉีดเพียโซอิเล็กทริกที่ออกฤทธิ์โดยตรงเป็นห้องไฮดรอลิกขนาดเล็กที่ปิดผนึกระหว่างสแต็คเพียโซอิเล็กทริกและก้านข้อต่อวาล์วเข็ม หน้าที่หลักคือการชดเชยความแตกต่างสุทธิในการขยายตัวทางความร้อนระหว่างตัวหัวฉีดที่เป็นเหล็กและปึกเซรามิก PZT ซึ่งจะทำให้หัวฉีดส่งปริมาณที่ไม่สามารถคาดเดาได้เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลงในระหว่างการอุ่นเครื่องและการทำงานแบบเต็มโหลด ข้อต่อไฮดรอลิกส่งแรงทางกลจากปึกไปยังข้อต่อเข็มอย่างซื่อสัตย์ในระหว่างไดนามิกที่รวดเร็วของการฉีด (ช่วงเวลาระดับไมโครวินาทีถึงมิลลิวินาที) ในขณะที่รั่วไหลอย่างช้าๆ เพื่อรองรับความแตกต่างของการขยายตัวเนื่องจากความร้อน (ช่วงเวลาวินาทีถึงนาที) การออกแบบเชิงกลที่หรูหรานี้เป็นหนึ่งในความสำเร็จทางวิศวกรรมที่สำคัญของหัวฉีดเพียโซอิเล็กทริกที่ออกฤทธิ์โดยตรง และเป็นพื้นฐานของความเสถียรของปริมาณการฉีดในระยะยาว

ข้อดีด้านประสิทธิภาพของหัวฉีดเพียโซอิเล็กทริกเหนือหัวฉีดโซลินอยด์

ข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพของการกระตุ้นแบบเพียโซอิเล็กทริกเหนือการกระตุ้นโซลินอยด์ในหัวฉีดไดเร็กอินเจคชั่นได้ผลักดันให้เกิดการนำหัวฉีดเพียโซอิเล็กทริกมาใช้ในการใช้งานที่มีประสิทธิภาพสูงสุดและไวต่อการปล่อยมลพิษมากที่สุด โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระบบคอมมอนเรลดีเซลที่ความต้องการความแม่นยำในการฉีดมีมากที่สุด

เวลาตอบสนองเร็วขึ้น

แอคทูเอเตอร์แบบเพียโซอิเล็กทริกตอบสนองในหน่วยไมโครวินาที เมื่อเทียบกับมาตราเวลามิลลิวินาทีของแอคชูเอเตอร์แบบโซลินอยด์ การตอบสนองที่เร็วขึ้นนี้ทำให้ระยะเวลาการฉีดขั้นต่ำสั้นลง ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับเหตุการณ์นำร่องและหลังการฉีดที่ใช้ในระบบการเผาไหม้ดีเซลขั้นสูง เพื่อลดเสียงรบกวนจากการเผาไหม้ ควบคุมการปล่อยอนุภาค และสนับสนุนการสร้างตัวกรองอนุภาคดีเซลใหม่ หัวฉีดเพียโซอิเล็กทริกสามารถฉีดในปริมาณที่ต่ำกว่า 1 มม.3 ต่อจังหวะได้อย่างน่าเชื่อถือ ซึ่งเป็นปริมาณที่ต้องใช้ระยะเวลาในการฉีดสั้นเกินกว่าที่หัวฉีดโซลินอยด์จะควบคุมได้อย่างแม่นยำ

จำนวนเหตุการณ์การฉีดที่สูงขึ้นต่อรอบ

การแยกขั้นต่ำระหว่างเหตุการณ์การฉีดต่อเนื่อง (เวลาคงตัวระหว่างการฉีด) สำหรับหัวฉีดเพียโซอิเล็กทริกจะสั้นกว่าหัวฉีดโซลินอยด์ เนื่องจากวาล์วเข็มไปถึงตำแหน่งปิดสนิทเร็วกว่าหลังจากปิดคำสั่ง หัวฉีดดีเซลคอมมอนเรลแบบเพียโซอิเล็กทริกสมัยใหม่สามารถดำเนินการฉีดได้ถึงแปดเหตุการณ์ขึ้นไปต่อรอบ (นักบินหลายคน การฉีดหลัก และการฉีดหลายโพสต์) ที่ความเร็วรอบเครื่องยนต์สูง ซึ่งหัวฉีดโซลินอยด์จะถูกจำกัดให้เหตุการณ์น้อยลงเนื่องจากการตอบสนองที่ช้าลง จำนวนเหตุการณ์การฉีดที่เพิ่มขึ้นต่อรอบช่วยให้เกิดกลยุทธ์การเผาไหม้ที่ลดเสียงรบกวนได้อย่างมาก (การฉีดเชื้อเพลิงนำร่องขนาดเล็กหลายครั้งก่อนเหตุการณ์หลักผสมเชื้อเพลิงปริมาณเล็กน้อยก่อนการจุดระเบิด ซึ่งจะช่วยลดอัตราการเพิ่มขึ้นของความดัน) และการปล่อยมลพิษ (หลังการฉีดสนับสนุนการบำบัดอนุภาคหลังการบำบัดและกลยุทธ์การลด NOx)

การควบคุมการยกเข็มตามสัดส่วน

เนื่องจากการเคลื่อนตัวของเพียโซอิเล็กทริกเป็นสัดส่วนกับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ การยกวาล์วเข็มจึงสามารถควบคุมได้ที่ตำแหน่งกลาง แทนที่จะจำกัดให้เปิดสุดหรือปิดสุด ความสามารถในการควบคุมตามสัดส่วนนี้ช่วยให้อัตราการไหลผ่านรูหัวฉีดสามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างต่อเนื่องในระหว่างเหตุการณ์การฉีด - ความสามารถที่เรียกว่าการกำหนดอัตรา - ซึ่งอัตราการจ่ายเชื้อเพลิงจะถูกควบคุมอย่างจงใจเพื่อให้เป็นไปตามโปรไฟล์ที่ต้องการ (เช่น การขึ้นทางลาดเมื่อเริ่มการฉีด ความราบเรียบที่ยั่งยืนในระหว่างการฉีดหลัก และการควบคุมการลงทางลาดที่ส่วนท้าย) การกำหนดอัตราสามารถลดเสียงรบกวนจากการเผาไหม้และการปล่อย NOx ได้อีก เมื่อเปรียบเทียบกับโปรไฟล์อัตราการฉีดทรงสี่เหลี่ยมทั่วไป

ลดการใช้พลังงานและการสร้างความร้อน

แอคทูเอเตอร์แบบคาปาซิทีฟแบบเพียโซอิเล็กทริกจะจัดเก็บและส่งคืนพลังงานไฟฟ้าในแต่ละรอบการฉีด (สแต็กจะเก็บพลังงานเป็นประจุเมื่อใช้แรงดันไฟฟ้าและส่งกลับเมื่อคายประจุ) ต่างจากแอคชูเอเตอร์แบบโซลินอยด์ที่แปลงพลังงานไฟฟ้าให้เป็นความร้อนในความต้านทานของคอยล์ การนำพลังงานกลับคืนแบบคาปาซิทีฟนี้หมายความว่าความต้องการพลังงานสูงสุดบนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ของตัวขับหัวฉีดนั้นสูง แต่การใช้พลังงานสุทธิต่อเหตุการณ์การฉีดต่ำกว่าระบบโซลินอยด์ที่เทียบเท่ากัน การสร้างความร้อนที่ต่ำกว่าในตัวกระตุ้นจะช่วยลดความเครียดจากความร้อนบนส่วนประกอบของหัวฉีด และทำให้ข้อกำหนดการจัดการระบายความร้อนของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ของไดรเวอร์หัวฉีดง่ายขึ้น

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ของไดรเวอร์หัวฉีดเพียโซอิเล็กทริกและกลยุทธ์การควบคุม

หัวฉีดเพียโซอิเล็กทริกต้องใช้วงจรควบคุมไฟฟ้าแรงสูงโดยเฉพาะในชุดควบคุมเครื่องยนต์ (ECU) หรือโมดูลไดรเวอร์หัวฉีดแยกต่างหาก การขับเคลื่อนหัวฉีดเพียโซอิเล็กทริกโดยพื้นฐานแล้วจะแตกต่างจากการขับเคลื่อนหัวฉีดโซลินอยด์ เนื่องจากแอคทูเอเตอร์เพียโซอิเล็กทริกเป็นโหลดแบบคาปาซิทีฟมากกว่าโหลดแบบเหนี่ยวนำ

ในการเปิดหัวฉีด คนขับจะชาร์จสแต็คเพียโซอิเล็กทริกตามแรงดันไฟฟ้าเป้าหมาย ซึ่งโดยทั่วไปคือ 100V ถึง 200V จากธนาคารตัวเก็บประจุแบบเพิ่มแรงดัน กระแสไฟชาร์จจะถูกควบคุมเพื่อสร้างอัตราการเพิ่มขึ้นของแรงดันไฟฟ้าที่ต้องการ ซึ่งกำหนดความเร็วของการเปิดเข็มและอัตราการฉีดในระหว่างการเปิดชั่วคราว หากต้องการปิดหัวฉีด ประจุที่เก็บไว้จะถูกระบายออกจากสแต็กกลับเข้าไปในตัวเก็บประจุจ่ายไฟเพื่อการกู้คืน

ระดับแรงดันไฟฟ้าที่แม่นยำที่ใช้กับปล่องจะกำหนดระดับของการยกเข็ม ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อปริมาณเชื้อเพลิงที่ฉีดที่ความดันการฉีดที่กำหนด ดังนั้น ECU จะต้องควบคุมแรงดันเอาต์พุตของไดรเวอร์ด้วยความแม่นยำสูง - โดยทั่วไปจะอยู่ภายใน 1 ถึง 2 โวลต์ตลอดช่วงการทำงาน - เพื่อให้ได้ความแม่นยำของปริมาณการฉีดที่จำเป็นสำหรับการปฏิบัติตามข้อกำหนดด้านการปล่อยมลพิษและความสามารถในการขับขี่ การแก้ไขปริมาณการฉีดแบบวงปิดโดยใช้ข้อมูลจากโมดูลการวัดอัตราการไหลหรือเซ็นเซอร์การยกของเข็มถูกนำมาใช้โดยทั่วไปเพื่อชดเชยความแปรผันของหัวฉีดต่อหัวฉีดและการเบี่ยงเบนในระยะยาวในลักษณะการตอบสนองของสแต็ก

ข้อมูลการสอบเทียบเฉพาะหัวฉีด

หัวฉีดเพียโซอิเล็กทริกได้รับการสอบเทียบแยกกันระหว่างการผลิต และกำหนดชุดรหัสแก้ไข (รหัส IMA, รหัส C3I หรือเทียบเท่า ขึ้นอยู่กับผู้ผลิตและแพลตฟอร์มของยานพาหนะ) ซึ่งจะเข้ารหัสคุณลักษณะด้านประสิทธิภาพเฉพาะของหัวฉีดที่จุดปฏิบัติงานหลักที่สัมพันธ์กับข้อกำหนดเฉพาะ รหัสแก้ไขเหล่านี้ได้รับการตั้งโปรแกรมไว้ใน ECU เมื่อติดตั้งหัวฉีด ช่วยให้ซอฟต์แวร์ควบคุมการฉีดสามารถชดเชยคุณลักษณะของหัวฉีดแต่ละตัวและให้ปริมาณการฉีดที่แม่นยำ แม้ว่าการผลิตจะแปรผันภายในแถบพิกัดความเผื่อที่อนุญาตก็ตาม เมื่อเปลี่ยนหัวฉีดเพียโซอิเล็กทริก การตั้งโปรแกรมรหัสสอบเทียบของหัวฉีดทดแทนลงใน ECU ถือเป็นขั้นตอนสำคัญ หากไม่ทำเช่นนั้นจะส่งผลให้เกิดข้อผิดพลาดเกี่ยวกับปริมาณการฉีด ซึ่งทำให้เกิดการวิ่งที่ขรุขระ การปล่อยไอเสียเพิ่มขึ้น และอาจสร้างความเสียหายให้กับเครื่องยนต์เนื่องจากการเติมเชื้อเพลิงมากเกินไป

การใช้งานหัวฉีดเพียโซอิเล็กทริกในยานพาหนะการผลิต

หัวฉีดเพียโซอิเล็กทริกถูกนำมาใช้ครั้งแรกในการผลิตรถยนต์โดยสารดีเซลในช่วงต้นปี 2000 และนับตั้งแต่นั้นมาก็ได้ถูกนำมาใช้กับการใช้งานฉีดตรงดีเซลและเบนซินที่หลากหลาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อต้องการประสิทธิภาพการฉีดและความสามารถในการปล่อยมลพิษสูงสุด

การใช้งานดีเซล

หัวฉีดคอมมอนเรลเพียโซอิเล็กทริกใช้ในรถยนต์นั่งส่วนบุคคลและเครื่องยนต์ดีเซลเชิงพาณิชย์ขนาดเล็กในผู้ผลิตหลายราย ระบบเพียโซอิเล็กทริกที่ออกฤทธิ์โดยตรง CRI3 (หัวฉีดคอมมอนเรล 3) ของ Bosch และระบบเพียโซอิเล็กทริกที่ออกฤทธิ์โดยตรง DFI1 (ต่อมาคือ DCO) ของ Delphi เป็นตัวแทนการผลิตในช่วงแรกๆ และตั้งแต่นั้นมาเทคโนโลยีก็ได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้นจากรุ่นสู่รุ่นหลายรุ่นเพื่อให้ถึงระบบปัจจุบันที่ทำงานที่แรงดันรางสูงถึง 2,700 บาร์ โดยมีเหตุการณ์การฉีดที่นับเจ็ดถึงแปดต่อรอบ นอกเหนือจากรถยนต์นั่งส่วนบุคคลแล้ว การฉีดเพียโซอิเล็กทริกยังนำไปใช้ในเครื่องยนต์ดีเซลงานหนักสำหรับรถบรรทุกและอุปกรณ์นอกทางหลวง ซึ่งประสิทธิภาพการฉีดจะเป็นประโยชน์ต่อการปฏิบัติตามข้อกำหนดด้านการปล่อยมลพิษ (Euro VI, EPA 2010 และมาตรฐานที่ใหม่กว่า) ทำให้ต้นทุนหัวฉีดสูงขึ้นเมื่อเปรียบเทียบกับระบบโซลินอยด์

การใช้งานการฉีดเชื้อเพลิงโดยตรงของน้ำมันเบนซิน

นอกจากนี้ การกระตุ้นด้วยเพียโซอิเล็กทริกยังใช้ในระบบหัวฉีดตรงของน้ำมันเบนซินอีกด้วย แม้ว่าแรงดันการฉีดที่ต่ำกว่าใน GDI (100 ถึง 500 บาร์ เทียบกับ 1,600 ถึง 2,700 บาร์ในดีเซล) หมายความว่าข้อดีของเพียโซอิเล็กทริกเหนือการกระตุ้นด้วยโซลินอยด์นั้นมีความรุนแรงน้อยกว่าในคอมมอนเรลของดีเซล แอปพลิเคชันและระบบ GDI ประสิทธิภาพสูงที่กำหนดเป้าหมายขีดจำกัดจำนวนอนุภาค (PN) ที่แคบที่สุด ซึ่งจำเป็นต้องมีการควบคุมการฉีดหลายครั้งต่อรอบอย่างแม่นยำ เพื่อลดการทำให้ผนังเปียกและการก่อตัวของอนุภาค ได้รับประโยชน์สูงสุดจากการกระตุ้นแบบเพียโซอิเล็กทริกในบริบทของน้ำมันเบนซิน

แอพพลิเคชั่นที่กำลังมาแรง

การฉีดไฮโดรเจนโดยตรงสำหรับเครื่องยนต์สันดาปภายใน ซึ่งเป็นเทคโนโลยีระบบส่งกำลังที่เกิดขึ้นใหม่สำหรับยานพาหนะและการขนส่งหนัก แสดงถึงขอบเขตการใช้งานในอนาคตที่ประสิทธิภาพของหัวฉีดเพียโซอิเล็กทริกมีความเกี่ยวข้องเป็นพิเศษ ความหนาแน่นพลังงานต่ำของไฮโดรเจน ช่วงการติดไฟที่กว้าง และความเร็วเปลวไฟที่สูงมากทำให้เกิดไดนามิกของการเผาไหม้ที่ต้องการการควบคุมการฉีดที่รวดเร็วและแม่นยำ เพื่อหลีกเลี่ยงเหตุการณ์การเผาไหม้ที่ผิดปกติ ความเร็วในการตอบสนองสูงและความสามารถในการควบคุมตามสัดส่วนของหัวฉีดเพียโซอิเล็กทริกทำให้หัวฉีดเหล่านี้เหมาะสมกับความต้องการการเผาไหม้ของไฮโดรเจน DI

การวินิจฉัย การบำรุงรักษา และการเปลี่ยนหัวฉีดเพียโซอิเล็กทริก

หัวฉีดเพียโซอิเล็กทริกนำเสนอข้อกำหนดในการวินิจฉัยและบริการเฉพาะที่แตกต่างจากหัวฉีดโซลินอยด์ ค่าใช้จ่ายที่สูงกว่า ซึ่งโดยทั่วไปแล้วประมาณสองถึงห้าเท่าของค่าใช้จ่ายของหัวฉีดโซลินอยด์ที่เทียบเท่า ทำให้การวินิจฉัยข้อผิดพลาดของระบบหัวฉีดที่ถูกต้องมีความสำคัญก่อนที่จะตัดสินใจเปลี่ยนใหม่ ข้อกำหนดรหัสการสอบเทียบทำให้การเขียนโปรแกรมเป็นขั้นตอนบังคับในขั้นตอนการเปลี่ยนใดๆ

โหมดความล้มเหลวทั่วไป

หัวฉีดเพียโซอิเล็กทริกอาจล้มเหลวได้ด้วยกลไกหลายประการ:

• การแยกชั้นหรือการแตกร้าวของเพียโซอิเล็กทริก : กองเซรามิกสามารถเกิดรอยแตกร้าวหรือการแยกชั้นของแต่ละชั้นได้ โดยทั่วไปจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลัน การเปลี่ยนแปลงทางกลจากค้อนน้ำในระบบเชื้อเพลิง หรือความเสียหายจากแรงดันไฟกระชาก ความล้มเหลวของสแต็กทำให้เกิดการสูญเสียฟังก์ชันแอคชูเอเตอร์ โดยโดยทั่วไปแล้วหัวฉีดจะตั้งค่าเริ่มต้นเป็นโหมดความล้มเหลวแบบเปิดค้างหรือปิดค้าง ขึ้นอยู่กับประเภทของความล้มเหลว
• วาล์วเข็มติดหรือยึด : การสะสมของคาร์บอนบนเข็มและที่นั่งจากผลิตภัณฑ์ย่อยสลายเชื้อเพลิงหรือการเผาไหม้ย้อนกลับอาจทำให้เข็มติด ทำให้ไม่มีการฉีด (เข็มติดปิด) หรือการฉีดต่อเนื่อง (เข็มติดเปิด) โหมดความล้มเหลวนี้พบได้บ่อยกับเชื้อเพลิงคุณภาพต่ำหรือในเครื่องยนต์ที่มีระยะเวลาซ่อมบำรุงนานกว่ากำหนดการเปลี่ยนไส้กรองน้ำมันเชื้อเพลิง
• การรั่วไหลของตัวหัวฉีด : การเชื่อมต่อเชื้อเพลิงแรงดันสูงและการปิดผนึกตัวหัวฉีดสามารถรั่วไหลภายในหรือภายนอกได้ โดยการรั่วไหลภายในทำให้การไหลกลับของเชื้อเพลิงเพิ่มขึ้น ส่งผลให้ความดันรางและปริมาณการฉีดลดลง และการรั่วไหลภายนอกทำให้เกิดความเสี่ยงจากไฟไหม้
• การเสื่อมสภาพของข้อต่อไฮดรอลิก (ระบบออกฤทธิ์โดยตรง) : น้ำมันข้อต่อไฮดรอลิกสามารถเสื่อมสภาพหรือรั่วไหลผ่านองค์ประกอบซีลข้อต่อ ส่งผลให้สูญเสียฟังก์ชันการชดเชยความร้อนและปริมาณการฉีดที่เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ เนื่องจากระยะห่างของข้อต่อเพิ่มขึ้นหรือลดลงจากสภาวะที่สอบเทียบ

แนวทางการวินิจฉัย

ข้อผิดพลาดของหัวฉีดเพียโซอิเล็กทริกได้รับการวินิจฉัยผ่านการอ่านรหัสความผิดปกติของ ECU การทดสอบการมีส่วนร่วมของหัวฉีดน้ำมันเชื้อเพลิง (ความสมดุลของกระบอกสูบ) การวัดปริมาณส่งคืนน้ำมันเชื้อเพลิง และการทดสอบความต้านทานไฟฟ้าและความจุของหัวฉีด ความจุของสแต็กเพียโซอิเล็กทริก (วัดโดยถอดหัวฉีดออกจากสายรัดยานพาหนะ) เป็นตัวบ่งชี้โดยตรงของความสมบูรณ์ของสแต็ก - สแต็กที่แตกหรือแยกออกจะแสดงความจุลดลงอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับค่าข้อมูลจำเพาะ และสแต็กที่ลัดวงจรจะแสดงความจุใกล้เป็นศูนย์ การทดสอบความจุไฟฟ้านี้เป็นการทดสอบทางไฟฟ้าที่ชัดเจนที่สุดสำหรับความล้มเหลวของสแต็ก และสามารถทำได้ด้วยมิเตอร์ LCR มาตรฐานที่มีช่วงการวัดที่เกี่ยวข้อง

ความแม่นยำของปริมาณการฉีดได้รับการประเมินโดยใช้การทดสอบความสมดุลของกระบอกสูบที่มีอยู่ในเครื่องมือสแกนวินิจฉัยส่วนใหญ่ที่เข้ากันได้กับยานพาหนะ โดยเป็นการเปรียบเทียบการแก้ไขความเร็วรอบเดินเบาที่ใช้กับแต่ละกระบอกสูบโดยซอฟต์แวร์ควบคุมการฉีดเพื่อสร้างสมดุลให้กับคุณภาพรอบเดินเบา โดยกระบอกสูบต้องมีการแก้ไขเชิงบวกจำนวนมากซึ่งบ่งชี้ว่าหัวฉีดส่งกำลังต่ำกว่าปริมาณเป้าหมาย และการแก้ไขเชิงลบบ่งบอกถึงการจัดส่งเกิน การทดสอบนี้ระบุว่าหัวฉีดตัวใดทำงานนอกพิกัดความเผื่อ แต่ไม่ได้ระบุกลไกความล้มเหลวที่ทำให้เกิดข้อผิดพลาดด้านปริมาณ

ขั้นตอนการเปลี่ยน

การเปลี่ยนหัวฉีดเพียโซอิเล็กทริกเกี่ยวข้องกับการถอดและการติดตั้งเชิงกล (ซึ่งทำตามขั้นตอนที่คล้ายกันในวงกว้างในการเปลี่ยนหัวฉีดโซลินอยด์ โดยให้ความสำคัญกับแหวนรองซีลทองแดง การกำจัดคราบคาร์บอนออกจากรูหัวฉีด และแรงบิดที่ถูกต้องสำหรับการจัดเรียงแคลมป์หรือน็อตยูเนียน) และขั้นตอนเพิ่มเติมที่สำคัญของการตั้งโปรแกรมรหัสการสอบเทียบของหัวฉีดทดแทนลงใน ECU

รหัสการสอบเทียบจะมาพร้อมกับหัวฉีดทดแทน (ไม่ว่าจะบนฉลากบนตัวหัวฉีดหรือบนการ์ดข้อมูลที่แยกต่างหากในบรรจุภัณฑ์) และจะต้องป้อนลงใน ECU โดยใช้เครื่องมือวินิจฉัยที่เข้ากันได้ ซึ่งรองรับฟังก์ชันการเข้ารหัสหัวฉีดสำหรับแพลตฟอร์มยานพาหนะเฉพาะ ระบบวินิจฉัยระดับมืออาชีพส่วนใหญ่รองรับการเข้ารหัสหัวฉีดเพียโซอิเล็กทริกสำหรับระบบการจัดการเครื่องยนต์หลัก (Bosch EDC17, Delphi DCM, Continental, Denso และอื่นๆ) และโดยทั่วไปแล้วฟังก์ชันนี้จะเข้าถึงได้จากเมนูฟังก์ชันพิเศษของ ECU ของเครื่องยนต์

การไม่ตั้งโปรแกรมรหัสการสอบเทียบหลังการเปลี่ยนจะส่งผลให้ ECU ใช้รหัสของหัวฉีดก่อนหน้า (หรือค่าเริ่มต้น) เพื่อควบคุมหัวฉีดใหม่ ทำให้เกิดข้อผิดพลาดเกี่ยวกับปริมาณการฉีดซึ่งจะแสดงว่าเดินเบาอย่างหยาบ ควันขณะเดินเบาหรือโหลดชิ้นส่วน มีการปล่อยไอเสียเพิ่มขึ้น และในกรณีที่รุนแรง ความเสียหายต่อหัวฉีดใหม่หรือเครื่องยนต์จากการเติมเชื้อเพลิงเกินเรื้อรังของกระบอกสูบตั้งแต่หนึ่งสูบขึ้นไป การเขียนโค้ดหัวฉีดหลังการเปลี่ยนเป็นขั้นตอนที่ไม่บังคับ ไม่ใช่แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดที่แนะนำ

การเปรียบเทียบ: หัวฉีดแบบฉีดตรงของโซลินอยด์กับเพียโซอิเล็กทริก