artikel

Back to basics: Hoe laat je een injectornaald sneller openen?

Techniek 2417

Eerder bespraken we in deze rubriek de praktijk en theorie van een injectorstoring. Dat ging over de normale aansturing van de injector. Deze aansturing zien we terug bij bijna alle standaard injectoren. Maar soms is die aansturing niet snel genoeg. En wat dan?

Back to basics: Hoe laat je een injectornaald sneller openen?
Bij 1 begint de aansturing van de benzine-injector, bij 2 die van de gasinjector. Het einde van de aansturing van de benzine-injector is 3, en 4 is het einde van de aansturing van de gasinjector.

Vaak liggen de eisen die gesteld worden aan de injector en de injectie een stuk hoger. Dan zijn bijvoorbeeld de eisen aan de nauwkeurigheid waarmee de brandstof wordt geïnjecteerd hoger. Dat geldt voor de injectoren van direct ingespoten motoren, maar ook bij gasinjectoren is het vaak het geval. Dat komt omdat de meeste gasinjectoren pas starten nadat het motormanagement van de benzine-injectie aangeeft dat er geïnjecteerd moet worden. De injector moet dan zeer snel en correct reageren. In Back to basics in AMT 3 is te lezen dat het moment van aansturen niet het moment is van openen. Het duurt namelijk even voordat de stroom en daardoor het magnetisch veld zo sterk is dat de injectornaald tegen de veerkracht in gelift kan worden.

Een spoel met lage weerstand geeft een snelle stroomopbouw, maar ook een grote warmte- afgifte

A is de stroom door de injector. B is de afgeregelde spanning over de injector. Dipje 1 ontstaat door het openen van de injectornaald. Het valt bijna 3 divisies na aansturing van de injector. Dat is bijna 1,5 ms. Sluiten gaat sneller. Dat gebeurt ongeveer 1 divisie na het einde van de aansturing.

Kleine weerstand, grote stroom

Om ervoor te zorgen dat de injectornaald sneller tegen de veerkracht in wordt geopend, moeten we ervoor zorgen dat de stroom door de spoel sneller oploopt. Dit kunnen we doen door de spanning van de aansturing te verhogen, maar het kan ook door de weerstand van de spoel te verminderen. Dit laatste kan door de spoel te wikkelen met een dikkere draad en/of minder windingen te gebruiken. Veel standaard injectoren hebben een weerstand van 14 tot 16 ohm. Nemen we een 14 ohm-injector, dan loopt er een kleine stroom, namelijk:

U = I * R

14 = I * 14

I = 14/14

I = 1 A

Doordat er een stroom loopt van 1 ampère is er weinig vermogen dat we in de spoel opbouwen. Wel genoeg om de naald te liften, maar heel warm wordt de injector hier niet van:

P = U * I

P = 14 * 1

P = 14 watt

Je ziet dat het net iets meer is dan een 10 watt lampje, en dan ook nog eens verdeeld over een groter volume.

Dipje 1 is het moment van bewegen van de naald van een injector met lage weerstand. In de tijd ligt dat royaal voor dipje 2, het moment van bewegen van de naald van een injector met hoge weerstand. Injector 1 reageert dus veel sneller. Prima, maar de stroom loopt ook veel hoger op. Dat betekent veel warmte en weinig levensduur. Hoe lossen we dat op?

Nemen we een laag-ohmige injector, dan is de weerstand bijvoorbeeld 2,8 ohm. De stroom die er dan gaat lopen is:

U = I * R

14 = I * 2,8

I = 14/2,8

I = 5 ampère

Hierdoor is de stroom die er maximaal gaat lopen:

P = U * I

P = 14 * 5

P = 70 watt

En bij 70 watt vermogen hebben we toch al een flinke koplamp aan staan.

A is de stroom door de injector, B is de afgeregelde spanning over de injector. Je ziet dat de bovenkant van de stroomregeling +/- 0,7 volt (de drempelspanning van de diode) hoger ligt dan de accuspanning.

Zoals je kunt bedenken, geeft dit wel een snelle stroomopbouw, maar een veel te grote afgifte van de warmte. De naald lift wel snel, maar daarna loopt de stroom op en wordt de energie omgezet in warmte. De injector zal hierdoor geen lang leven beschoren zijn.

Regelen van de stroom

Door de weerstand van de injector naar beneden te brengen, hebben we dus een snelle injector met een veel te grote stroomsterkte. Deze stroom is wel te beperken door deze af te regelen. Het motormanagement heeft hiervoor niet heel veel keuze. Er zit geen spanningsregelaar in het motormanagement die ervoor kan zorgen dat na het openen van de naald de werkelijke spanning over de injector teruggeregeld wordt naar bijvoorbeeld 6 volt.

Wat het motormanagement wel goed kan is: in- en uitschakelen. Door de massa te onderbreken nadat de stroom sterk genoeg is om de naald te liften, zorgen we ervoor dat de stroom niet verder op kan lopen. Door de eigenschappen van een spoel wordt er nu een inductiespanning opgewekt in de spoel. Een spoel werkt zo zijn verandering tegen. Zouden we deze spanning hoog op laten lopen, zoals we dat zien aan het einde van een normale injectie, dan zouden we de energie uit de spoel ‘vernietigen’ en sluit de naald meteen. Dit voorkomen we door een schakeling in het motormanagement op te nemen.

Die schakeling in de regeleenheid (ECU) zorgt ervoor dat de energie die vrijkomt in de injector, nadat we de stroom onderbreken, gebruikt wordt om het magnetisch veld in de spoel te behouden. Hierdoor blijft de naald aangetrokken en de injector blijft injecteren.

Hoe werkt dat?

De werking van die schakeling zie je op de afbeeldingen van zo’n ECU op deze pagina’s. Nadat we de eindtrap 3 inschakelen, verbinden we via eindtrap 3 de massazijde van de injector met de massa van de accu. Met eindtrap 2 kunnen we de massazijde van de injector verbinden met de voeding, de plus van de accu. Door diode 1 ertussen te plaatsen, kan er geen kortsluiting ontstaan.

Als eindtrap 3 geleidt, gaat er, net als bij een conventioneel geschakelde injector, een stroom lopen en de naald wordt tegen de veerkracht in gelift door het magnetisch veld. Voordat de stroom te hoog oploopt, onderbreken we eindtrap 3. De spanning aan de massazijde loopt nu op door de inductie van de spoel. Als de spanning hoger wordt dan de accuspanning plus 0,7 volt van de diode, gaat er een stroom lopen door eindtrap 2 via diode 1 naar de voeding van de accu. De stroomrichting door de spoel blijft daardoor hetzelfde.

Het magnetisch veld wordt hierdoor in stand gehouden. Uiteraard is dit geen blijvende situatie en zwakt de sterkte van het magnetisch veld wel af. Voordat de veerkracht van de naald de kracht van het magnetisch veld overwint en de naald sluit, wordt eindtrap 3 weer geactiveerd. Het magnetisch veld herstelt zich weer en de stroom loopt weer op. Eindtrap 3 wordt weer onderbroken. Deze cyclus herhaalt zich, totdat de injector moet sluiten. Dan wordt zowel eindtrap 2 als 3 niet meer aangestuurd. De injector toont zijn inductiepiek en sluit de naald.

Zo opent de injector met veel minder vertraging, zonder dat een grote stroom veel warmte genereert. Doel bereikt.

Reageer op dit artikel