Iniettore piezoelettrico vs iniettore a iniezione diretta: guida tecnica

Iniettori di carburante nei motori moderni: dall'iniezione diretta all'attuazione piezoelettrica

L'iniettore di carburante è il componente che introduce il carburante nel processo di combustione con tempi precisi, quantità di spruzzo controllata e uno spettro di gocce ottimizzato per una miscelazione rapida e una combustione completa. L’evoluzione della tecnologia degli iniettori negli ultimi tre decenni – dall’iniezione semplice attraverso l’iniezione diretta anticipata all’attuale generazione di iniettori piezoelettrici capaci di iniezioni multiple per ciclo a pressioni di iniezione superiori a 2.500 bar – è stata guidata da normative sulle emissioni sempre più esigenti, obiettivi di risparmio di carburante e dalla ricerca di una maggiore potenza specifica da motori di cilindrata inferiore.

L’iniezione diretta e l’iniezione piezoelettrica non sono alternative concorrenti: rappresentano due livelli della stessa gerarchia tecnologica. Un iniettore piezoelettrico è un tipo di iniettore a iniezione diretta che utilizza un attuatore piezoelettrico anziché un solenoide per controllare la valvola a spillo. L'iniezione diretta è il contesto dell'applicazione; l'attuazione piezoelettrica è il meccanismo che consente l'esecuzione più performante dell'iniezione diretta.

Comprendere come funziona ciascuna tecnologia, perché l'attuazione piezoelettrica offre vantaggi prestazionali rispetto all'iniezione diretta azionata da solenoide e quali sono le implicazioni pratiche per le prestazioni, la diagnostica e la riparazione del motore fornisce le basi per decisioni informate nella progettazione del motore, nella selezione del veicolo e negli interventi di assistenza.

Iniettore a iniezione diretta : Principi, pressione e formazione di spray

Un iniettore a iniezione diretta inietta il carburante direttamente nella camera di combustione anziché nella luce di aspirazione a monte della valvola di aspirazione. Questa differenza fondamentale nella posizione di iniezione - camera di combustione rispetto alla porta di aspirazione - consente una serie di caratteristiche del sistema di combustione che l'iniezione in porta non può fornire, tra cui la formazione omogenea di carica ad alte pressioni di iniezione, il funzionamento di carica stratificata a carico parziale (nei sistemi di iniezione diretta di benzina progettati per questa modalità), il raffreddamento della carica dall'evaporazione del carburante direttamente nella camera di combustione e il controllo preciso ciclo per ciclo della massa di carburante iniettato indipendentemente dalla dinamica del collettore di aspirazione.

Iniezione diretta di benzina (GDI)

Nei motori a iniezione diretta di benzina (GDI), il carburante viene iniettato a pressioni che generalmente vanno da 100 bar a 350 bar nei sistemi moderni, con alcuni motori avanzati che utilizzano pressioni fino a 500 bar. L'elevata pressione di iniezione produce uno spruzzo di goccioline fini che si atomizza rapidamente nella carica calda e compressa all'interno del cilindro. L'evaporazione delle goccioline di carburante direttamente nella camera di combustione assorbe il calore dalla carica, riducendo la temperatura di carica e consentendo rapporti di compressione più elevati (che migliorano l'efficienza termodinamica) senza l'inizio di una combustione anomala (detonazione) che limiterebbe il rapporto di compressione in un equivalente motore a iniezione.

I sistemi di iniezione GDI sono caratterizzati dalla loro erogazione della pressione di iniezione (tramite una pompa del carburante ad alta pressione azionata dall'albero a camme), dal numero di eventi di iniezione per ciclo (che è progressivamente aumentato da una singola iniezione a cinque o più nei sistemi di generazione attuale) e dalla geometria dello spruzzo dell'ugello dell'iniettore, sia che si tratti di un modello multi-foro che produce getti di spruzzo discreti, di un iniettore a vortice che produce uno spruzzo a cono cavo o di un design più recente con valvola a spillo con apertura verso l'esterno.

Iniezione diretta Diesel Common Rail

L'iniezione diretta diesel tramite il sistema common rail è l'architettura di iniezione diesel dominante nelle autovetture, nei veicoli commerciali leggeri e, sempre più, nelle applicazioni pesanti. Il common rail immagazzina il carburante alla pressione di iniezione target (che varia da 1.600 bar nei primi sistemi a 2.700 bar nei sistemi pesanti della generazione attuale) in un volume di accumulatore condiviso - il rail - da cui i singoli iniettori attingono il carburante. L'accumulo di alta pressione nel rail disaccoppia la pressione di iniezione dalla velocità del motore, consentendo di utilizzare la massima pressione di iniezione in qualsiasi punto operativo del motore anziché essere limitata a condizioni di alta velocità come nei precedenti sistemi di iniezione pompa-linea-ugello.

Gli iniettori diesel common rail devono funzionare in modo affidabile in un intervallo di pressione che va dalle condizioni di minimo alla pressione di picco a pieno carico, aprire e chiudere la valvola a spillo con tempi di risposta nell'intervallo dai microsecondi ai millisecondi per ottenere tempi e durate di iniezione precisi e mantenere l'accuratezza della quantità di iniezione su milioni di eventi di iniezione con una deriva minima delle prestazioni. Questi requisiti richiedono tolleranze di produzione di precisione, materiali della massima qualità e un meccanismo di attuazione in grado di soddisfare i requisiti di tempo di risposta e forza nell'intero intervallo operativo.

Valvola a spillo dell'iniettore e formazione dello spray

La valvola a spillo sulla punta del corpo dell'iniettore è l'elemento che controlla il flusso di carburante dal sistema di alimentazione ad alta pressione nella camera di combustione. Quando l'ago si solleva dalla sua sede, il carburante ad alta pressione scorre attraverso il volume della sacca sulla punta dell'ugello ed esce attraverso un numero definito di fori (tipicamente da 5 a 10 nei moderni ugelli diesel, da 3 a 12 negli ugelli GDI) come getti ad alta velocità che si atomizzano in fini goccioline attraverso la rottura turbolenta e l'interazione aerodinamica con la densa aria di sovralimentazione nel cilindro.

L'alzata della valvola a spillo, la velocità di apertura e chiusura e la differenza di pressione attraverso i fori degli ugelli al momento dell'apertura influiscono tutti sulla distribuzione iniziale delle dimensioni delle goccioline, sulla penetrazione dello spruzzo (la distanza percorsa dai getti di spruzzo prima di perdere slancio e mescolarsi con la carica) e sulla quantità di carburante iniettato per evento. Il meccanismo di attuazione dell'iniettore, sia esso solenoide o piezoelettrico, controlla direttamente la velocità e la precisione del movimento della valvola a spillo, rendendolo il fattore determinante della qualità dell'iniezione.

Azionamento del solenoide negli iniettori a iniezione diretta

La maggior parte degli iniettori a iniezione diretta oggi in servizio utilizza un'elettrovalvola come meccanismo di attuazione. L'iniettore a solenoide è stato il modello dominante sin dall'introduzione dell'iniezione common rail negli anni '90 e rimane il tipo di iniettore a iniezione diretta più diffuso a livello globale.

Come funziona l'iniettore a solenoide

In un iniettore diesel common rail azionato da solenoide, la valvola a spillo non è azionata direttamente dal solenoide. Invece, il solenoide aziona una piccola valvola di controllo (la valvola di controllo a due o tre vie) nel circuito del carburante ad alta pressione all'interno del corpo dell'iniettore. La valvola di controllo gestisce la pressione in una camera di controllo idraulico sopra lo spillo, che determina se la forza idraulica netta sullo spillo è diretta verso la sede (spillo chiuso, iniezione interrotta) o lontano dalla sede (spillo aperto, iniezione in corso).

Quando il solenoide è eccitato, apre la valvola di controllo, scaricando la pressione della camera di controllo sul ritorno (bassa pressione). La differenza di pressione tra la camera di controllo e la pressione dell'ugello agisce verso l'alto sullo spillo, sollevandolo dalla sua sede e dando inizio all'iniezione. Quando il solenoide è diseccitato, la valvola di controllo si chiude, la pressione viene ripristinata nella camera di controllo e l'ago ritorna nella sua sede sotto l'azione combinata della forza di ripristino idraulica e della molla dell'ago. La durata dell'iniezione è quindi il periodo che intercorre tra l'eccitazione e la diseccitazione del solenoide e la quantità iniettata è determinata dall'integrale della portata su questo tempo.

La limitazione intrinseca dell'azionamento dell'elettrovalvola nell'iniezione diretta è il tempo di risposta meccanica del sistema elettrovalvola-ago. Gli elettromagneti a solenoide richiedono tempo per costruire e collassare il campo magnetico, e il circuito di amplificazione idraulica aggiunge ulteriore ritardo tra l'attuazione del solenoide e la risposta della valvola a spillo. Ciò limita la durata minima di iniezione raggiungibile e la separazione minima tra iniezioni successive, vincolando il numero di eventi di iniezione che possono essere eseguiti all'interno di un singolo ciclo motore a regimi motore elevati.

Iniettore piezoelettrico : Come funziona l'attuazione piezoelettrica

Un iniettore piezoelettrico sostituisce l'attuatore a solenoide con un attuatore stack piezoelettrico: una colonna di elementi ceramici piezoelettrici (più comunemente titanato di zirconato di piombo o PZT) che si espandono quando viene applicata una tensione ai loro capi e si contraggono quando la tensione viene rimossa. Questa espansione e contrazione fisica dello stack fornisce la forza di attuazione e lo spostamento che aziona la valvola di controllo dell'iniettore o, in alcuni modelli, controlla direttamente la posizione della valvola a spillo.

L'effetto piezoelettrico negli attuatori degli iniettori

Le ceramiche piezoelettriche mostrano l'effetto piezoelettrico inverso: quando un campo elettrico viene applicato attraverso la ceramica, il materiale si deforma meccanicamente. Negli stack PZT progettati per attuatori di iniettori di carburante, una tensione compresa tra 100 e 200 V applicata su uno stack di 200-400 singoli wafer ceramici (ciascuno di circa 0,1 mm di spessore) produce uno spostamento lineare totale di circa 30-60 micrometri. Lo spostamento avviene entro microsecondi dall'applicazione della tensione: questa risposta quasi istantanea è il vantaggio prestazionale fondamentale dell'attuazione piezoelettrica rispetto all'attuazione del solenoide negli iniettori a iniezione diretta.

La relazione tra tensione applicata e spostamento dello stack è quasi lineare, il che significa che l'applicazione di tensione parziale produce uno spostamento parziale proporzionale. Questa caratteristica consente all'iniettore piezoelettrico di eseguire sollevamenti parziali precisi della valvola di controllo o dell'ago, iniettando piccole quantità controllate con precisione a qualsiasi frazione del sollevamento completo dell'ago che un sistema a solenoide non può replicare.

Iniettori piezoelettrici ad azione diretta e amplificati idraulicamente

Due principali architetture di iniettori piezoelettrici vengono utilizzate nei veicoli di produzione:

• Iniettore piezoelettrico amplificato idraulicamente : Lo stack piezoelettrico aziona una servovalvola nel circuito del carburante ad alta pressione (simile in linea di principio all'approccio della valvola di controllo magnetica), che quindi controlla idraulicamente la posizione dello spillo. Lo stadio di amplificazione idraulica moltiplica il piccolo spostamento meccanico dello stack piezoelettrico in un sollevamento dell'ago più grande, a scapito di un certo tempo di risposta. Questa è l'architettura utilizzata nel Bosch CRI3 (iniettore common rail) e in sistemi simili che furono i primi iniettori diesel piezoelettrici commerciali.
• Iniettore piezoelettrico ad azione diretta : In questa architettura, lo stack piezoelettrico è accoppiato meccanicamente direttamente alla valvola a spillo attraverso un elemento di accoppiamento, tipicamente un accoppiatore idraulico che compensa le variazioni dimensionali dipendenti dalla temperatura dello stack e dei materiali del corpo dell'iniettore (entrambi con coefficienti di dilatazione termica diversi). L'accoppiamento diretto elimina completamente il circuito di controllo idraulico, fornendo la risposta più rapida possibile: apertura dello spillo entro circa 50-100 microsecondi dall'applicazione della tensione. Delphi (ora BorgWarner Fuel Systems) è stata la prima a introdurre nella produzione un iniettore common rail piezoelettrico ad azione diretta e questa architettura fornisce la massima velocità di risposta dell'iniezione disponibile nella tecnologia attuale.

L'accoppiatore idraulico nei sistemi ad azione diretta

L'accoppiatore idraulico in un iniettore piezoelettrico ad azione diretta è una piccola camera idraulica sigillata tra lo stack piezoelettrico e l'asta di accoppiamento della valvola a spillo. La sua funzione principale è quella di compensare la differenza netta nell'espansione termica tra il corpo dell'iniettore in acciaio e lo stack in ceramica PZT, che altrimenti farebbe sì che l'iniettore eroghi quantità imprevedibili al variare della temperatura durante il riscaldamento e il funzionamento a pieno carico. L'accoppiatore idraulico trasmette fedelmente la forza meccanica dallo stack all'accoppiamento dell'ago durante la dinamica rapida dell'iniezione (scale temporali da microsecondi a millisecondi) mentre perde lentamente per adattarsi alle differenze di dilatazione termica (scale temporali da secondi a minuti). Questo elegante design meccanico è uno dei principali risultati ingegneristici dell'iniettore piezoelettrico ad azione diretta ed è fondamentale per la stabilità della quantità di iniezione a lungo termine.

Vantaggi prestazionali degli iniettori piezoelettrici rispetto agli iniettori a solenoide

I vantaggi prestazionali dell’attuazione piezoelettrica rispetto all’attuazione del solenoide negli iniettori a iniezione diretta hanno portato all’adozione di iniettori piezoelettrici nelle applicazioni ad alte prestazioni e più sensibili alle emissioni, in particolare nei sistemi diesel common rail dove le esigenze di precisione di iniezione sono maggiori.

Tempi di risposta più rapidi

Gli attuatori piezoelettrici rispondono in microsecondi rispetto ai millisecondi degli attuatori a solenoide. Questa risposta più rapida consente durate minime di iniezione più brevi, che sono fondamentali per gli eventi pilota e post-iniezione utilizzati nei sistemi di combustione diesel avanzati per ridurre il rumore della combustione, controllare le emissioni di particolato e supportare la rigenerazione del filtro antiparticolato diesel. Un iniettore piezoelettrico può iniettare in modo affidabile quantità inferiori a 1 mm3 per corsa, quantità che richiederebbero durate di iniezione troppo brevi per essere controllate con precisione da un iniettore a solenoide.

Conteggio eventi di iniezione più elevato per ciclo

La separazione minima tra eventi di iniezione successivi (il tempo di permanenza tra le iniezioni) è più breve per gli iniettori piezoelettrici che per gli iniettori a solenoide perché la valvola a spillo raggiunge la sua posizione completamente chiusa più velocemente dopo il comando. I moderni iniettori diesel common rail piezoelettrici possono eseguire fino a otto o più eventi di iniezione per ciclo (piloti multipli, iniezione principale e iniezioni successive multiple) a regimi del motore elevati, dove gli iniettori a solenoide sarebbero limitati a un numero inferiore di eventi a causa della loro risposta più lenta. L’aumento del numero di eventi di iniezione per ciclo consente strategie di combustione che riducono drasticamente il rumore (più piccole iniezioni pilota prima dell’evento principale premiscelano una piccola quantità di carburante prima dell’accensione, riducendo il tasso di aumento della pressione) e le emissioni (le post-iniezioni supportano il post-trattamento del particolato e le strategie di riduzione degli NOx).

Controllo proporzionale del sollevamento dell'ago

Poiché lo spostamento dello stack piezoelettrico è proporzionale alla tensione applicata, l'alzata della valvola a spillo può essere controllata in posizioni intermedie anziché essere limitata a completamente aperta o completamente chiusa. Questa capacità di controllo proporzionale consente di variare continuamente la portata attraverso i fori degli ugelli durante un evento di iniezione - una capacità chiamata rate shaping - in cui la velocità di erogazione del carburante è deliberatamente controllata per seguire un profilo desiderato (ad esempio, un'accelerazione all'inizio dell'iniezione, un plateau sostenuto durante l'iniezione principale e una decelerazione controllata alla fine). Il rate shaping può ridurre ulteriormente il rumore della combustione e le emissioni di NOx rispetto ai tradizionali profili di dosaggio rettangolari.

Minori consumi energetici e generazione di calore

Gli attuatori capacitivi piezoelettrici immagazzinano e restituiscono energia elettrica durante ogni ciclo di iniezione (lo stack immagazzina energia sotto forma di carica quando viene applicata la tensione e la restituisce quando viene scaricata), a differenza degli attuatori a solenoide che convertono l'energia elettrica in calore nella resistenza della bobina. Questo recupero di energia capacitiva significa che la richiesta di potenza di picco sull'elettronica del driver dell'iniettore è elevata ma il consumo energetico netto per evento di iniezione è inferiore rispetto a un sistema a solenoide equivalente. La minore generazione di calore nell'attuatore stesso riduce lo stress termico sui componenti dell'iniettore e semplifica i requisiti di gestione termica dell'elettronica del driver dell'iniettore.

Elettronica del driver dell'iniettore piezoelettrico e strategia di controllo

L'iniettore piezoelettrico richiede un circuito driver ad alta tensione dedicato nell'unità di controllo del motore (ECU) o un modulo driver iniettore separato. L'azionamento di un iniettore piezoelettrico è fondamentalmente diverso dall'azionamento di un iniettore a solenoide perché l'attuatore piezoelettrico è un carico capacitivo anziché un carico induttivo.

Per aprire l'iniettore, il driver carica lo stack piezoelettrico alla tensione target, in genere compresa tra 100 V e 200 V, da un banco di condensatori di alimentazione potenziato. La corrente di carica è controllata per produrre la velocità di aumento della tensione desiderata, che determina la velocità di apertura dell'ago e la velocità di iniezione durante il transitorio di apertura. Per chiudere l'iniettore, la carica immagazzinata viene scaricata dallo stack nei condensatori di alimentazione per il recupero.

L'esatto livello di tensione applicato al camino determina il grado di sollevamento dell'ago, che influenza direttamente la quantità di carburante iniettato a qualsiasi pressione di iniezione. L'ECU deve quindi controllare la tensione di uscita del driver con elevata precisione, in genere entro 1-2 volt nell'intervallo operativo, per ottenere la precisione della quantità di iniezione richiesta per la conformità alle emissioni e la guidabilità. La correzione della quantità di iniezione a circuito chiuso utilizzando i dati provenienti da un modulo di misurazione della portata o da un sensore di sollevamento dell'ago viene comunemente implementata per compensare la variazione da iniettore a iniettore e la deriva a lungo termine nelle caratteristiche di risposta dello stack.

Dati di calibrazione specifici dell'iniettore

Gli iniettori piezoelettrici vengono calibrati individualmente durante la produzione e vengono assegnati una serie di codici di correzione (codici IMA, codici C3I o equivalenti a seconda del produttore e della piattaforma del veicolo) che codificano le caratteristiche prestazionali specifiche dell'iniettore nei punti operativi chiave rispetto alle specifiche nominali. Questi codici di correzione vengono programmati nell'ECU quando viene installato un iniettore, consentendo al software di controllo dell'iniezione di compensare le caratteristiche del singolo iniettore e fornire quantità di iniezione precise nonostante le variazioni di produzione entro la fascia di tolleranza consentita. Quando un iniettore piezoelettrico viene sostituito, programmare i codici di calibrazione dell'iniettore sostitutivo nell'ECU è un passaggio essenziale: in caso contrario si verificheranno errori nella quantità di iniezione che causeranno un funzionamento irregolare, un aumento delle emissioni e potenzialmente danni al motore dovuti a un rifornimento eccessivo.

Applicazioni degli iniettori piezoelettrici nei veicoli di produzione

Gli iniettori piezoelettrici sono stati introdotti per la prima volta nelle autovetture diesel di produzione all'inizio degli anni 2000 e da allora sono stati adottati in un'ampia gamma di applicazioni di iniezione diretta di diesel e benzina, in particolare dove sono richieste le massime prestazioni di iniezione e capacità di emissioni.

Applicazioni diesel

Gli iniettori common rail piezoelettrici sono utilizzati nei motori diesel di autovetture e commerciali leggeri di diversi produttori. I sistemi piezoelettrici ad azione diretta CRI3 (Common Rail Injector 3) di Bosch e DFI1 (successivamente DCO) di Delphi sono stati i primi rappresentanti della produzione e da allora la tecnologia è stata perfezionata attraverso più generazioni per raggiungere i sistemi attuali che funzionano fino a 2.700 bar di pressione rail con conteggi di eventi di iniezione da sette a otto per ciclo. Oltre alle autovetture, l'iniezione piezoelettrica viene applicata nei motori diesel pesanti per camion e attrezzature fuoristrada dove i vantaggi in termini di prestazioni di iniezione per la conformità alle emissioni (Euro VI, EPA 2010 e standard successivi) giustificano il costo dell'iniettore più elevato rispetto ai sistemi a solenoide.

Applicazioni di iniezione diretta di benzina

L'attuazione piezoelettrica viene applicata anche nei sistemi di iniezione diretta della benzina, sebbene le pressioni di iniezione inferiori nel GDI (da 100 a 500 bar contro 1.600-2.700 bar nel diesel) significhino che i vantaggi dell'attuazione piezoelettrica rispetto all'attuazione a solenoide sono meno estremi rispetto al common rail diesel. Le applicazioni e i sistemi GDI ad alte prestazioni mirati ai limiti più severi del numero di particolato (PN) – dove sono necessarie iniezioni multiple controllate con precisione per ciclo per ridurre la bagnatura delle pareti e la formazione di particolato – traggono i maggiori vantaggi dall’attuazione piezoelettrica nel contesto della benzina.

Applicazioni emergenti

L’iniezione diretta di idrogeno per motori a combustione interna – una tecnologia emergente di propulsione per veicoli e trasporti pesanti – rappresenta un’area di applicazione futura in cui le prestazioni degli iniettori piezoelettrici sono particolarmente rilevanti. La bassa densità di energia dell'idrogeno, l'ampio intervallo di infiammabilità e l'elevata velocità della fiamma creano dinamiche di combustione che richiedono un controllo dell'iniezione rapido e preciso per evitare eventi di combustione anormali. L'elevata velocità di risposta e la capacità di controllo proporzionale degli iniettori piezoelettrici li rendono particolarmente adatti alle esigenze della combustione dell'idrogeno DI.

Diagnostica, manutenzione e sostituzione degli iniettori piezoelettrici

Gli iniettori piezoelettrici presentano requisiti diagnostici e di servizio specifici che differiscono dagli iniettori a solenoide. Il loro costo più elevato – in genere da due a cinque volte il costo degli iniettori a solenoide equivalenti – rende importante la corretta diagnosi dei guasti del sistema di iniezione prima di impegnarsi nella sostituzione. Il requisito del codice di calibrazione rende la programmazione un passaggio obbligatorio in qualsiasi procedura di sostituzione.

Modalità di guasto comuni

Gli iniettori piezoelettrici possono guastarsi attraverso diversi meccanismi:

• Delaminazione o fessurazione dello stack piezoelettrico : Il pacco ceramico può sviluppare crepe o delaminazione di singoli strati, in genere a causa di shock termico, shock meccanico dovuto a colpi d'ariete nel sistema di alimentazione o danni da picchi di tensione. Il guasto dello stack produce la perdita della funzione dell'attuatore, con l'iniettore che generalmente passa alla modalità di guasto bloccato aperto o bloccato chiuso a seconda del tipo di guasto.
• Inceppamento o grippaggio della valvola a spillo : L'accumulo di depositi di carbonio sullo spillo e sulla sede dovuti ai prodotti di degradazione del carburante o al ritorno di fiamma della combustione può causare l'ostruzione dello spillo, impedendo l'iniezione (spillo bloccato chiuso) o un'iniezione continua (spillo bloccato aperto). Questa modalità di guasto è più comune con carburanti di scarsa qualità o nei motori con intervalli di manutenzione prolungati oltre il programma di sostituzione del filtro del carburante.
• Perdita dal corpo dell'iniettore : I collegamenti del carburante ad alta pressione e la tenuta del corpo dell'iniettore possono presentare perdite internamente o esternamente, con perdite interne che causano aumenti del flusso di ritorno del carburante che riducono la pressione del rail e la quantità di iniezione, e perdite esterne che creano un rischio di incendio.
• Degrado dell'accoppiatore idraulico (sistemi ad azione diretta) : L'olio dell'accoppiatore idraulico può degradarsi o fuoriuscire dagli elementi di tenuta dell'accoppiatore, causando la perdita della funzione di compensazione termica e una deriva progressiva della quantità di iniezione man mano che il gioco dell'accoppiatore aumenta o si riduce rispetto alla condizione calibrata.

Approccio diagnostico

I guasti degli iniettori piezoelettrici vengono diagnosticati attraverso una combinazione di lettura del codice di guasto dell'ECU, test del contributo dell'iniettore di carburante (bilanciamento del cilindro), misurazione della quantità di carburante di ritorno e test di resistenza elettrica e capacità dell'iniettore. La capacità dello stack piezoelettrico (misurata con l'iniettore scollegato dal cablaggio del veicolo) è un indicatore diretto dell'integrità dello stack: uno stack rotto o delaminato mostrerà una capacità significativamente ridotta rispetto al valore delle specifiche, mentre uno stack in cortocircuito mostrerà una capacità prossima allo zero. Questo test di capacità è il test elettrico più definitivo per il guasto dello stack e può essere eseguito con un misuratore LCR standard capace del relativo intervallo di misurazione.

L'accuratezza della quantità di iniezione viene valutata utilizzando il test di bilanciamento del contributo dei cilindri disponibile nella maggior parte degli strumenti di scansione diagnostici compatibili con il veicolo: questo confronta la correzione del regime minimo applicata a ciascun cilindro dal software di controllo dell'iniezione per bilanciare la qualità del minimo, con i cilindri che necessitano di ampie correzioni positive che indicano che gli iniettori erogano al di sotto della quantità target e le correzioni negative che indicano un'erogazione eccessiva. Questo test identifica quale iniettore sta funzionando al di fuori della tolleranza ma non identifica il meccanismo di guasto che causa l'errore di quantità.

Procedura di sostituzione

La sostituzione di un iniettore piezoelettrico comporta la rimozione e l'installazione meccanica (che segue passaggi sostanzialmente simili alla sostituzione dell'iniettore a solenoide, con attenzione alla rondella di tenuta in rame, alla rimozione dei depositi di carbonio dal foro dell'iniettore e alla coppia corretta per la disposizione di bloccaggio o il dado di raccordo) e il passaggio critico aggiuntivo di programmazione dei codici di calibrazione dell'iniettore sostitutivo nell'ECU.

I codici di calibrazione vengono forniti con l'iniettore sostitutivo (su un'etichetta sul corpo dell'iniettore o su una scheda dati separata nella confezione) e devono essere immessi nell'ECU utilizzando uno strumento diagnostico compatibile che supporti la funzione di codifica dell'iniettore per la specifica piattaforma del veicolo. La maggior parte dei sistemi diagnostici di livello professionale supportano la codifica degli iniettori piezoelettrici per i principali sistemi di gestione del motore (Bosch EDC17, Delphi DCM, Continental, Denso e altri) e la funzione è generalmente accessibile nel menu delle funzioni speciali della ECU del motore.

La mancata programmazione dei codici di calibrazione dopo la sostituzione farà sì che l'ECU utilizzi i codici dell'iniettore precedente (o un valore predefinito) per controllare il nuovo iniettore, producendo errori nella quantità di iniezione che si manifesteranno come regime minimo irregolare, fumo al minimo o a carico parziale, emissioni elevate e, nei casi più gravi, danni al nuovo iniettore o al motore dovuti al rifornimento eccessivo cronico di uno o più cilindri. La codifica dell'iniettore dopo la sostituzione è un passaggio non facoltativo e non è una procedura consigliata.

Confronto: iniettori a solenoide e iniettori piezoelettrici a iniezione diretta