Elektromanyetik enjektörler nelerdir?

[Yönetici]

Elektromanyetik  enjektörler, motorun çalışma  koşullarına uygun  olarak   elektronik kontrol ünitesinden gelen sinyallere göre zamanında ve uygun miktarda yakıtı silindir içerisine püskürtme işlemini yerine getirir. Yakıt enjeksiyon sisteminin en önemli aktivatörlerinden birisi olan elektromanyetik enjektörlerin görüntüleri Resim 2.1’de görülmektedir. Yakıt enjeksiyon ve ateşleme sistemleri açısal dönme hızı, giriş havası   yoğunluğu, geriye dönük yoğunlaşma kontrolü diye bilinen bir ölçüm sisteminden yararlanmaktadır. Pratikte sistem motor tarafından emilen hava miktarını ölçmek için motor hızı (dev/dk.) ile hava yoğunluğunu (basınç ve sıcaklık derecesini) kullanmaktadır. Her bir motor çevriminde, her silindire emilen havanın miktarı sadece emme havası yoğunluğuna bağlı olmayıp ayrıca silindir kapasitesi ve volümetrik verime de bağlıdır.

Hava yoğunluğu, motor tarafından emilen havanın yoğunluğu olarak alınmakta ve emme manifoldunda ölçülen mutlak basınç ve sıcaklığa göre hesap edilmektedir. Volümetrik verim, silindirin dolma katsayısı ile ilişkili bir parametredir. Bunun hesaplanması motorun çalışma aralığında yapılan deneysel testler ile yapılır ve ECU’nun belleğine yerleştirilir. Emilen hava miktarı bir kere saptandıktan sonra, sistemin istenen yakıt karışım konsantrasyonu için yeterli yakıtın sağlanması gerekmektedir. Şekilde elektromanyetik enjektörün motor üzerindeki görüntüsü görülmektedir.

Yeni nesil dizel enjeksiyon sistemlerinde kullanılan enjektörlerin yapısal ve kullanım özelliklerine göre çeşitleri şunlardır:

• Selenoid valfli pompa enjektörler
• Piezo elektriksel enjektörler
• Piezo hidrolik enjektörler

Selenoid Valfli Pompa Enjektörler

Pompa-enjektör ünitesi; adından da anlaşılacağı gibi yakıt pompası, kumanda ünitesi ve enjektör memesinin tek bir yapıda toplandığı enjeksiyon pompasıdır. Motorun her silindiri için bir pompa-enjektör ünitesi bulunur. Bu tip pompa enjektöre, birim enjektör de denilmektedir.

Pompa-enjektör selenoid valfleri, akış bağlantısı oyuk vidası aracılığıyla enjektör- pompa ünitelerine tespit edilmiştir. Basma başlangıcı ve enjeksiyon miktarı motor elektronik kontrol ünitesi tarafından enjektör-pompa selenoid valfleri üzerinden kontrol edilir.

Basma Başlangıcı

Motor elektronik kontrol ünitesi, silindirlerdeki enjektör-pompalarından birini harekete geçirdiği andan itibaren manyetik bobinin selenoid valf pimi, yuvasına doğru bastırılır ve yakıtın, enjektör-pompa ünitesinin yüksek basınç odasına giden yolunu kapatır. Bundan sonra enjeksiyon işlemi başlar.

Enjeksiyon Miktarı

Enjeksiyon miktarı, selenoid valfin çalıştırılma zamanı tarafından belirlenir. Enjektör-pompa valfi kapalı olduğu sürece yanma odasına yakıt püskürtülür.

Sinyalin Kesilme Etkisi

Bir pompa-enjektör valfi devre dışı kalırsa motor düzgün çalışmaz, güç düşer. Pompa-enjektör valfinin ikinci bir güvenlik fonksiyonu da vardır. Valf açık kalırsa enjektör-pompa ünitesinde bir basınç oluşturulamaz. Valf kapalı kalırsa enjektör-pompa ünitesinin yüksek basınç odası artık yakıtla dolmaz. Her iki durumda da silindirin içine hiç yakıt püskürtülmez.

Pompa-Enjektör Selenoid Valfindeki Akımın Kontrolü

Motor elektronik kontrol ünitesi, enjektör-pompa selenoid valfindeki akımı kontrol eder. Cihaz bu bilgiden, pompalama başlangıcını düzenlemek amacıyla gerçek pompalama başlangıcı üzerinden bir geri besleme alır ve valfin fonksiyonel arızalarını tespit edebilir.

Enjeksiyon işlemi, bir enjektör-pompa valfinin çalıştırılmasıyla başlar. Bu sırada bir manyetik alan oluşur, akım şiddeti artar ve valf kapanır. Selenoid valf piminin yuvasına bastırılması sırasında akımın akışında göze çarpan bir dalgalanma görülür. Bu dalgalanma, Enjeksiyon Periyodunun Başlangıcı BIP (Beginning of Injection Period) olarak adlandırılır. BIP, enjektör-pompa valfinin ne zaman tam olarak kapanacağını ve böylece pompalama işleminin ne zaman başlayacağını motor elektronik kontrol ünitesine sinyal hâlinde bildirir.

Pompa-Enjektör Selenoid Valfindeki Akım Akışı

Valf kapalı olduğunda akım şiddeti, sabit bir durma akımı değerine düşer. İstenen pompalama süresine erişilmişse çalışma biter ve valf açılır. Pompa-enjektör valfinin ve BIP (enjeksiyon periyodu başlangıcı) gerçek kapanma noktası, valfin bir sonraki enjeksiyon için ne zaman çalıştırılacağının hesaplanması amacıyla motor kontrol ünitesi tarafından algılanır. Pompalama başlangıcının mevcut değeri, motor kontrol ünitesindeki olması gereken değerden sapıyorsa valfin çalışma başlangıcı düzeltilir.

Valfin fonksiyonel arızalarının tespit edilebilmesi için supap kapanma bölgesi (BIP) motorun elektronik kontrol ünitesi tarafından kontrol edilir. BIP, sorunsuz bir çalışmada kontrol sınırının içinde yer alır. Fonksiyonel bir arıza olması durumunda BIP kontrol sınırının dışına çıkar. Bu durumda pompalama başlangıcı, bilinen sabit bir değer aracılığıyla kontrol edilir. Herhangi bir düzenleme mümkün değildir. Pompa enjektör ünitesinde hava varsa selenoid valf pimi kapanırken daha küçük bir direnç oluşur. Valf, daha hızlı kapanır ve BIP beklenenden daha önceki bir noktada ortaya çıkar. Bu durumda otomatik teşhiste” kontrol sınırı aşıldı” mesajı çıkar.

Piezo Elektriksel Enjektörler

Bu enjektörler ne özel bir kalibrasyon ne de ivmeölçer ile enjeksiyonların ayarlanmasını gerektirir. Piezo-elektriksel enjektörler, klasik elektromanyetik enjektörlere göre 4 kez daha hızlı devreye girme olanağı sağlar. Bu durum, yanma olayını daha mükemmel hâle getirmek ve egzoz emisyonunu azaltmak amacıyla her çevrim için yapılan enjeksiyon sayısının katlanarak artırılmasını kolaylaştırır.

Piezoelektrik İlkesi

Fizikçiler, bazı kristal cisimlerin mekanik enerjiyi elektrik enerjisine ve elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştürme özelliği olduğunu göstermişlerdir ve bir kuartz kristaline basınç uygulanırsa yüzeyi üzerinde elektrik yüklerinin ortaya çıkarılabildiğini belirlemişlerdir. Kristal yapının bu davranışı piezoelektrik etki olarak adlandırılmaktadır. Bir piezo elemandaki uzama miktarı uygulanan gerilimle doğru orantılı olarak değişmektedir.

Piezo elemana uygulanan gerilim değerleri 100 V ile 200 V arasındaki farklı değerler olabilmektedir. Bir piezo eleman, yaklaşık olarak 0,08 mm kalınlığa sahiptir ve gerilim uygulanması hâlinde değişim miktarı % 0,15’tir.
Doğrudan etki

Vuruntu algılayıcısı, hava yastığı ivmesi algılayıcısı gibi uygulama alanlarında doğrudan piezoelektrik etkisi ile şekli bozulurken kutuplaşma özelliğine sahip kuartz malzemelerini ilgilendirmektedir. Karakteristikleri büyük oranda üstün olan kurşun, zirkonyum ve titanyum temelli PZT (PZT = Kurşun+Zirkonyum+Titanyum) seramiklerde kullanılır. Aynı etki sonucunda üretilen gerilim kuartzınkinden 100 kere daha fazladır.

Kuartz durumu

Bir kuartz kristalinin molekülleri bazıları için negatif, bazıları için pozitif olarak yüklü iyonlardan oluşur. Basınç veya darbe etkisiyle molekül yapısı altüst olur. Aynı yük iyonları, bir elektrik potansiyeli oluşturarak bir araya gelirler. Bir kuartz molekülünü, bir pirinç tanesine benzetelim. Dinlenme anında, taneler dağınıktır. Ancak basınç altındaki moleküller, elektrik yüklerine göre bir araya gelir.

Yakıtın yüksek basınçla sürekli akışını ve yakıt püskürtmelerinin kusursuz kontrolünü sağlayan enjeksiyon sistemlerindeki enjektör açma kumandası, aktivatöründe kullanılan dolaylı piezoelektrik etkisi sayesinde piezoelektrik bir maddeye elektrik verildiğinde şeklinin bozulmasından ibarettir. Şekil bozukluğunun (deformasyon) meydana gelmesi uygulama için yeterli olmaktadır. Deformasyonunu artırmak için çok sayıda, çok ince piezoelektrik kuartz katmanları üst üste dizilerek kullanılır.

Dolaylı piezoelektrik etki ile kumanda edilen enjektörler, selenoid valfle kumanda edilen enjektörlerle kıyaslandığında enjektör iğnesi yaklaşık %75 daha az hareket kütlesine sahiptir. Bu kütle avantajı aşağıdaki faydaları sağlamaktadır:

• Enjektör iğnesinin hareket süresi kısalır.
• Her çalışma zamanı için daha fazla enjeksiyon mümkün olur.
• Büyük strok yeteneği ile tam dozaj edilebilen enjeksiyon miktarları elde edilir.
• Ön enjeksiyonlar, yük, devir ve sıcaklığa bağımlıdır.
• Soğuk motorda ve rölantiye yakın bölgede 2 ön enjeksiyon, yüksek yükte 1 ön enjeksiyon gerçekleşir.
• Dizel parçacık filtresinin yenilenmesi için 2 sonradan enjeksiyon gerçekleşir.

Piezoelektrik enjeksiyon sisteminin Enjektörlerdeki görevi

Piezoelektrik enjeksiyon sisteminde enjektörlerin açılmasına kumanda etmek için dolaylı piezoelektrik etki ilkesi kullanılır. Bu piezoelektrik etki ilkesi, elektromanyetik ilkeye göre daha hızlıdır. Burada elektrik enerjisinin mekanik enerjiye dönüşümü piezoelektrik parçanın şekil değiştirmesiyle gerçekleşir. Piezoelektrik aktivatörlerin şekil değiştirmesi sonucu ortaya çıkan güç enjektör iğnesinin açılmasını sağlar.

Enjektörlerdeki Yapısı

Enjektörü kumanda etmek için bir piezoelektrik parça kullanılır. Piezoelektrik parça kendi başına çok düşük mesafelerden uzağa iletmeye izin vermez. Bu nedenle parçaların her birinin uzantılarını birbirine eklemek için üst üste konan birkaç yüz parça kullanılır. Piezoelektrik aktivatörler enjektörlerin açılışına kumanda etmek üzere istenilen mesafeye ulaşmak için özellikleri doğal kuartzdan daha iyi olan yapay bir piezoelektrik malzemesinden meydana gelen çok sayıda katmandan oluşur.

Piezoelektrik enjektör prensibi:

Enjektörün elektrikle beslenmesi, kumanda kademesinin genleşmesini sağlayarak enjektörün açılmasını sağlanır. Enjektörün açılması ve kapanması, elektriksel olarak kumanda edilir. Kumanda edilen gerilime göre piezo çubuğun genleşme miktarı değişmektedir. Örneğin, yakıt yolu basıncına göre yaklaşık olarak piezo çubuğun 0,03 mm’lik miktardaki genleşmesi için 148 V gibi bir değere ihtiyaç duyulmaktadır. 

Piezo-Hidrolik Enjektörler

Elektromanyetik kontrollü yakıt enjektörü, yüksek basınçlı bir yakıt besleme kanalı ve ortam basıncında bulunan bir sirkülasyon borusunu içerir. Besleme kanalı, yüksek çalışma basınçlarına dayanıklı bir boru vasıtası ile rail’e bağlanmıştır; sirküle edilen yakıt depoya gönderilir.

Enjektörün çalışma prensibi, üst hazne ile alt hazne arasındaki basınç dengesini kontrol etmektir. Bu enjektörün açılmasını ve kapanmasını sağlar. Valfin içindeki ve aktivatörün hemen üzerindeki bölüm “kumanda odası” olarak adlandırılır. Kumanda odası, giriş deliği üzerinden sürekli olarak dizel yakıtı ile beslenen küçük bir odadır. Yakıtın odadan tahliyesi çıkış deliği üzerinden gerçekleşir. Bu deliğin açılmasını bir kumanda selenoidi kontrol eder. Kumanda odasında yer alan besleme basıncındaki dizel yakıtı, basınç çubuğunun üst yüzeyine etki eder. Dolayısı ile bu alana etki eden kuvvet, kumanda odasındaki basınca bağlıdır. Kumanda selenoidi, kumanda odasındaki basıncı kontrol altında tutar ve aktivatörün yakıtın gelmesini ne zaman ve ne kadar süre ile sağlayacağını belirler. Kumanda odasındaki basınç, giriş deliğinin açılması ve kapanması ile kontrol edilir. 

Giriş deliğine, küresel bir kapatıcı (bilye) etki eder; bu kapatıcıya bir kılavuz iğne kumanda eder. Kılavuz iğne, normal olarak bir yay tarafından kapalı konumda tutulur. Elektromıknatıs elektriksel olarak beslendiğinde yay kuvveti yenilir ve kılavuz iğne yukarı hareket eder. Böylece küresel kapatıcı, giriş deliğinin açılmasını sağlar. Kılavuz iğnenin yukarı kaldırılması, bir ayar vidası ile sınırlanır. Basınç çubuğu-pim grubu yukarı konumda iken püskürtücü basınçlı yakıt ile beslenir. Basınç çubuğu-pim grubu aşağıdaki kuvvetlerin altındadır. Yay tarafından oluşturulan ve pim üzerine etki eden, kapanma yönündeki elastik kuvvettir. Bu kuvvet, borudaki basınç sıfıra düştüğünde püskürtücünün sızdırmazlığını sağlayarak yakıtın silindir içine damlamasını önler.

Kumanda odasında mevcut olan basınç çubuğunun üst yüzeyine etki eden, yakıtın basıncıdır. Bu basınç, kapanma yönünde etkili olan kuvveti oluşturur. Besleme odasında mevcut olan yakıtın basıncı, dairesel halka şeklindeki yüzeye etki eder. Bu yüzey, dış tarafta püskürtücü içindeki pimin içinde kaydığı çap tarafından, iç tarafta ise konik yuvanın sızdırmazlık sağlanan kenarındaki çap tarafından sınırlanır. Buradaki basınç, açılma yönünde etkili olan bir kuvvet oluşturur. 

Enjektörün çalışması çok karmaşık bir süreci kapsar. Bunu küçük adımlara ayırarak açıklayalım: Enjektör serbest konumda, elektromıknatıs elektriksel olarak beslenmez ve kılavuz iğne kapalı konumdadır. Giriş deliği üzerinden beslenen kumanda odasındaki basınç, hattaki basınca eşittir. Dolayısı ile basınç çubuğu-pim grubuna kapanma yönünde etki eden kuvvetler açılma kuvvetini yener. Püskürtme sürecinin önemli parçalarından bir tanesi,  enjektör memesi iğnesidir. Enjektör memesi iğnesi, enjektör memesi yayı ile yuvasına bastırılır. Sürekli olarak yakıtla dolu olan enjektör kapalı durur.

Enjektör memesi iğnesinin üst tarafındaki odacıkta rail basıncı olan yakıt bulunur. Rail basıncının enjektör başlığı yayını kaldırıp sürekli bir püskürtme olmaması için manyetik supap ve kontrol pistonu tarafından aksi yönde bir basınç oluşturulur. Manyetik supap devre dışıdır ve armatürün supap bilyası bastırma yayı tarafından çıkış tıkacındaki yerine bastırılır. Supap kontrol bölmesine yakıt akar ve railin yüksek basıncı oluşur. Supap kontrol pistonundaki rail basıncı ve enjektör memesi yayının gücü, enjektör iğnesini, açma gücüne karşı kapalı tutar. Enjeksiyon başlangıcında ECU tarafından enerji gönderilir. Kısa sürede güçlü bir manyetik alan yaratmak için yüksek bir akım gönderilir. Böylece elektromıknatıs elektriksel olarak beslendiğinde kılavuz iğne yukarı hareket eder ve kesit alanı giriş deliğinden daha büyük olan giriş deliği açılır.