Dieselinjectoren: soorten en werking

Dieselinjectoren vormen het hart van het brandstofinjectiesysteem in moderne dieselmotoren.

Het belangrijkste doel is om dieselbrandstof onder hoge druk in de verbrandingskamer te spuiten, waardoor een homogene nevel van fijne druppeltjes ontstaat die efficiënt mengt met de hete, samengeperste lucht.

Een nauwkeurig en gecontroleerd injectieproces optimaliseert de motorprestaties, vermindert vervuilende emissies en verbetert het brandstofverbruik.

Er bestaan verschillende dieselinjectortechnologieën, elk met een uniek ontwerp, unieke regeling en toepassingskenmerken.

Basisprincipe van operatie

Een dieselinjector bestaat hoofdzakelijk uit:

Sproeierhouder: stalen blok dat de brandstof van de hogedrukleiding naar de interne drukkamer leidt.

Naaldventiel (of injectienaald): conische zuiger die de uitlaatgaten van de spuitmond in rust hermetisch afsluit.

Veer: Kracht die de klep gesloten houdt totdat de brandstofdruk de drempelwaarde overschrijdt die nodig is om de klep te openen.

Mondstuk: een stuk met één of meer gaten waardoor brandstof onder extreem hoge druk wordt gespoten.

Piëzo-elektrische spoel of kristal: actuator die, na ontvangst van een elektrisch signaal, het openen van de klep toestaat of verhindert.

Retouraansluiting: sluit de injector af en voert overtollige brandstof af voor interne smering en retour naar de tank.

Tijdens elke motorcyclus genereert de dieselpomp een druk die kan variëren van 100 tot 2000 bar. Wanneer de brandstof onder druk de verstuiverhouder bereikt en de kracht van de veer overschrijdt, gaat de naald omhoog en laat brandstof door de verstuiveropeningen ontsnappen. Wanneer de druk afneemt, drukt de veer de naald terug tegen zijn afgedichte zitting, waardoor de doorstroming wordt onderbroken.

Elektromagnetische injectoren (solenoïden)

De injectoren van Solenoïden komen het meest voor in oudere dieselmotoren. Hun elektromagneet bestaat uit een spoel van koperdraad die een magnetisch veld genereert wanneer er elektrische stroom op wordt gezet. Dit veld overwint de veerkracht en tilt de naald op, waardoor de injectie start.

Kenmerken:

Openings-/sluitingstijd: circa 1 ms, voldoende voor één injectiefase.

Besturing: aangestuurd door de commando-eenheid (ECU) via elektrische pulsen met variabele breedte (PWM).

Voordelen: gunstige prijs, robuustheid en eenvoudige integratie in mechanische en elektronische systemen.

Beperkingen: Langzamere respons dan piëzo-elektrisch; minder nauwkeurige druk- en hoeveelheidsregeling bij zeer korte injecties.

Deze injectoren worden doorgaans gebruikt in common-railinjectiesystemen van de eerste en tweede generatie, waarbij de raildruk weliswaar hoog is, maar de ECU nog geen extreem korte pulsen of meervoudige injecties nodig heeft.in één cyclus.

Piëzo-elektrische injectoren

Piëzo-elektrische injectoren vertegenwoordigen de meest geavanceerde evolutie in dieselinjectietechnologie. In plaats van een spoel gebruiken ze piëzo-elektrische kristallen die, wanneer een elektrische puls wordt toegepast, direct vervormen en de kracht direct op de naald overbrengen.

Kenmerken:

Reactiesnelheid: tienden van een milliseconde, waardoor meerdere injectiegebeurtenissen in één cyclus mogelijk zijn (pre-injectie, hoofd- en post-injectie).

Precisie: Uiterst nauwkeurige regeling van de brandstofhoeveelheid, waardoor de verbranding wordt geoptimaliseerd en de uitstoot van NOx en fijnstof wordt verminderd.

Complexiteit en kosten: Duurder en vereisen specifieke elektronische circuits in de ECU en zorgvuldig thermisch beheer.

Toepassingen: hoogrendementsdieselmotoren met lage emissie (Euro 6 en hoger), krachtige turbodiesels.

Dankzij hun vermogen om zeer korte injectiesequenties aan te sturen, zorgen piëzo-elektrische injectoren voor een soepele verbranding, verminderen ze het motorgeluid en verbeteren ze het akoestisch comfort.

Mechanische injectoren en pomp-injectorsystemen

Voordat de common rail populair werd, maakten dieselsystemen gebruik van mechanische injectoren in combinatie met verdeelpompen of unitpompen:

1. Rotatiepomp (verdeler): Een pomp genereert hoge druk en verdeelt deze via een interne rotor sequentieel over elke injector.
2. Omgekeerde pompen (unitinjectoren): Elke cilinder heeft een hogedrukpomp die direct op de injector is geïntegreerd. De druk wordt lokaal in elke unit gegenereerd.

Kenmerken:

• Pomp-injectoreenheid: compact en geschikt voor gemiddelde drukken (tot 900 bar).
• Voordeel: Hogedrukleidingen zijn niet meer nodig en het aantal afdichtingen en lekpunten is verminderd.
• Nadelen: zwaarder, mechanische complexer en lawaaiiger; minder veelzijdige injectieregeling dan common-rail.

Hoewel pomp-injectorsystemen momenteel niet meer worden gebruikt in personenauto's, worden ze nog steeds gebruikt in industriële toepassingen en zware machines vanwege hun eenvoud en bestendigheid tegen brandstoffen van lage kwaliteit.

Common Rail-systeem

Commonrail bracht begin jaren 2000 een revolutie teweeg in dieselinjectie. De architectuur scheidt drukopwekking van brandstofdosering:

• Common rail: accumulatorbuis die een constante hoge brandstofdruk (tot 2.500 bar) voor alle cilinders handhaaft.
• Onafhankelijke hogedrukpompen: verhogen de druk naar de rails.
• Solenoïde- of piëzo-injectoren: deze ontvangen brandstof onder druk van de rail en geven deze af onder directe aansturing van de ECU.

Voordelen:

• Onafhankelijkheid tussen inspuitdruk en motortoerental.
• Mogelijkheid tot meerdere fijne injecties per cyclus: verbetert de efficiëntie, vermindert geluid en uitstoot van schadelijke stoffen.
• Flexibiliteit: automatische aanpassing aan de belasting- en temperatuuromstandigheden.

Commonrail is tegenwoordig de standaard voor dieselmotoren in auto's en biedt de beste combinatie van brandstofverbruik, prestaties en naleving van milieuvoorschriften.

Onderhoud en veelvoorkomende storingen

De staat van de injectoren heeft rechtstreeks invloed op de prestaties en levensduur van de motor:

• Verstopping of slijtage van de naald/sproeier: veroorzaakt vermogensverlies, schokken en zwarte rook.
• Inwendige of uitwendige lekkages: hoog brandstofverbruik en moeilijke koude starts.
• Elektrische storingen (verbrande solenoïde of beschadigd piëzokristal): synchronisatiefout en verlies van injectie in één of meer cilinders.
• Verontreiniging van de brandstof: sediment en water beschadigen interne componenten.

Het Common Rail-tijdperk (1997-heden)

Common Rail scheidt drukopwekking van dosering en revolutioneert dieselinjectie:

• Eind jaren 90: CR bereikt 140–160 MPa met Bosch CP1- en CP2-pompen, waardoor dubbele injecties per cyclus mogelijk zijn.
• Tweede generatie: verhoogde drukken van 180–200 MPa en een driefasenstrategie (pre-, hoofd- en post-injectie) voor de behandeling van deeltjes- en NOx-emissies.
• Derde generatie: piëzo-elektrische actuatoren met een responstijd van 0,1 ms, die maximaal vijf fijne injecties en superieure atomisering mogelijk maken.
• Vierde generatie: Druk tot 250 MPa met interne hydraulische boost in injectoren, verbeterde thermische piekregeling en extreem lage emissies【^10】.

De huidige CR-systemen voldoen aan de Euro 6- en toekomstige regelgeving, optimaliseren het brandstofverbruik, verminderen het geluidsniveau en maken downsizing mogelijk dankzij turboladers.