artikel
Back to basics: Praktijk én theorie van een injectorstoring
We hebben de afgelopen tijd herhaaldelijk actuatoren en sensoren besproken. In deze Back to Basics duiken we in de werking van een injectorspoel aan de hand van een storing aan een Yamaha R1.
Het probleem is dat de Yamaha slecht loopt. De snelle motorfiets heeft een tijdje stilgestaan en de eigenaar wil hem verkopen. Hij heeft tevergeefs geprobeerd de motor te starten. Hij verving vervolgens de oude brandstof, waarna de motor wel aansloeg. De Yamaha loopt alleen niet erg netjes.
Waarschijnlijk loopt hij op drie cilinders. Zo’n type motor heeft vanwege zijn ademhaling een wat rommelige stationairloop. Je hoeft maar een beetje gas te geven en de fiets klinkt als een zonnetje, zelfs op drie cilinders.
Uitlaatgasanalyse
Bij het verzamelen van informatie nemen we meteen de viergasmeting mee, aangezien we al enigszins een richting hebben. De viergastester laat zien dat er te veel zuurstof (5%) in het uitlaatgas zit. Het HC-aandeel is redelijk normaal en ligt op 3%. Een van de cilinders krijgt dus te weinig of geen brandstof.
Richting bepalen en meten
Geen brandstof, dus gaan we meten aan de injectoren. Met de oscilloscoop bekijken we het signaal van elk van de vier injectoren.
Injectiesignaal van cilinder 1 tot en met 4. Niks aan de hand, toch…?
Conclusie
Als we die signalen bekijken, is de eerste conclusie: de ECU doet keurig zijn werk. Bestuderen we de signalen iets uitgebreider, dan zien we een afwijkend signaal van cilinder 3. Bij het uitschakelen van de injector ontstaat de spanningspiek door de zelfinductie van de injectorspoel. Daarna is bij injectorbeeld 3 geen hobbeltje aanwezig in de curve van de afnemende spanning. Gevonden! De injectornaald beweegt niet meer. Vervangen of reinigen zal de oplossing bieden voor dit probleem.
Nu de theorie
Okee, storing opgelost. Maar hoe ontstaat dit hobbeltje dat ontbreekt bij cilinder 3 nu eigenlijk? Dat zoeken we uit, en we beginnen bij het begin.
Ingezoomd op het injectorsignaal van cilinder 3. Waar is het hobbeltje door het sluiten van de naald?
Een spoel van een injector is opgebouwd uit een koperdraad gewikkeld om een kern van weekijzer.
Deze spoel vormt met de weekijzeren kern de elektromagneet die de naald van de injector moet openen. De sterkte van de elektromagneet wordt bepaald door de stroomsterkte, het aantal windingen en de kern. Die kern speelt een rol van betekenis bij deze uitleg.
De opbouw van de elektromagneet geldt voor alle actuatoren zoals een relais, EGR-klep, drukregelklep en nog veel meer. Als we een relais demonteren en de spoel van het relais afwikkelen, komen we uit op een koperdraad van zo’n 40 meter lengte. Sluiten we de uiteinden van deze 40 meter koperen draad aan op de plus en de min van een accu, dan gaat er een stroom lopen.
Rekenen aan de spoel
De grootte van die stroom is afhankelijk van de weerstand van de draad en de spanning van de accu. Dit halen we uit de formule U = I x R. De stroom door de spoel van een relais is 0,16 A, dus de weerstand van het relais is 12 = 0,16 x R. Dus: R = 12/0,16 = 75 ohm.
Op het moment dat er door deze koperdraad een stroom loopt, is er om deze draad een magnetisch veld aanwezig. Hoe groter de stroom door de draad, hoe sterker dit magnetisch veld. Dit magnetisch veld gebruiken we bij het meten van de stroom met een stroommeettang.
Stroom meten
Stroommeettang met windingen van een spoel van een relais. Hoe meer windingen, hoe groter de stroom…
We meten de stroom door de 40 meter lange koperdraad. De stroommeettang meet dus de sterkte van het magnetisch veld en rekent dit om naar de hoeveelheid ampères. In dit geval geeft de stroommeettang 0,16 A aan. Dit komt overeen met onze berekening.
Belangrijk om hieruit te onthouden is dat we met een stroomtang de sterkte van het magnetisch veld meten en hieruit de stroom aflezen of berekenen. Op een stroomtang staat bijvoorbeeld 1 mV/A. Simpel gezegd: door het magnetisch veld wordt een spanning opgewekt in de tang.
Een spanning van 1 mV betekent dat er een stroom loopt van 1 ampère (de schakeling in de ampèretang wordt hier even buiten beschouwing gelaten).
Versterken van het magnetisch veld
Zouden we de 40 meter lange draad nu twee keer om de stroomtang draaien, waardoor dezelfde draad twee keer door het meetbereik loopt, dan meten we geen 0,16 maar 0,32 ampère. Door de draad twee keer door de ampèremeter te laten gaan, is het magnetisch veld dus blijkbaar twee keer zo sterk geworden.
Dit is het effect dat bij alle spoelen wordt gebruikt. Wikkelen we de 40 meter lange draad honderd keer om de tang, dan wordt het magnetisch veld ook honderd keer zo sterk. In werkelijkheid gaat dit niet helemaal op aangezien we ook wat verliezen hebben, maar voor het begrip van de werking van een spoel is het prima.
De injector
Als we de injector open zagen, komen we ook een spoel tegen. Je ziet bij spoelen die gebruikt worden voor een actuator altijd een kern van ijzer waar de koperdraad omheen gewikkeld is. Magnetisme gaat makkelijker door ijzer dan door de lucht en het magnetisch veld wordt hierdoor dus sterker.
Beweging van de naald
Sluiten we een spoel aan op een voeding of accu, dan ontstaat er een magnetisch veld doordat de stroom door de gewonden koperdraad loopt. We zouden kunnen stellen dat het ‘evenwicht’ van dit magnetisch veld in het midden van de spoel zit. Zouden we iets van ijzer aan één zijde van de spoel houden, dan is het magnetisch veld uit evenwicht.
Zou dit stuk ijzer zich in het midden van de spoel bevinden, dan is er wel evenwicht. In de natuur is er altijd een drang naar evenwicht, zo ook hier. Een spoel wil zijn magnetisch veld in evenwicht brengen. Deze eigenschap wordt gebruikt bij een injector.
De naald van de injector zit niet in het midden van de injectorspoel. Loopt er stroom door de injectorspoel, dan trekt het magnetisch veld de injectornaald naar het midden van de spoel. Plaatsen we een veertje achter de naald, dat de naald uit het midden van de spoel drukt, dan hebben we een ‘injector’.
Stoppen we de stroom door de injectorspoel, dan verliest het magnetisch veld zijn kracht. De injectornaald wordt door de veerdruk weer op zijn zitting gedrukt.
Injector zonder stroomregeling
Een normale benzine-injector heeft twee pinnen/aansluitingen. Een van de pinnen is aangesloten op de accu (voeding), de andere is via een eindtrap in de ECU aangesloten op de minzijde van de accu. Schakelen we nu de eindtrap in, dan verbinden we de massadraad van de injector direct aan de massa van de accu. Er gaat een stroom lopen door de spoel van de injector. De spoel wordt magnetisch en trekt de kern (injectornaald) naar binnen. Dit gebeurt echter niet direct nadat we de verbinding met massa maken…
Zelfinductie
Waarom opent de injectornaald niet direct? Dat heeft te maken met de zelfinductie van een spoel. Een spoel werkt zijn verandering tegen. Die eigenschap bezit elke spoel. Door dat natuurkundig verschijnsel ontstaat zelfinductie L, uitgedrukt in Henry. Op het moment dat de stroom wordt ingeschakeld, gaat deze door de spoel lopen. We kijken daar even in detail naar.
Loopt de stroom door de tweede winding, dan heeft het magnetisch veld van de tweede winding invloed op de eerste winding. Hierdoor wekt de eerste winding zelf ook een spanning op, tegengesteld aan de aangelegde voeding en massa over de spoel. Hierdoor wordt de spanningsopbouw geremd. De stroom is daardoor niet direct maximaal.
Openen van de injector
In deze afbeelding zien we de spanning (B) aan de massazijde van de injector gemeten. Je ziet dat de stroom niet direct maximaal is, maar ‘langzaam’
A: De stroom loopt langzaam op. B: Het spanningsverloop aan de massazijde. 1: Dipje, de injector gaat open. 2: Hobbeltje, de injectornaald sluit.
oploopt. Pas na 1,5 ms is er een dipje (1) te zien in de opgaande lijn. Dit is het moment van openen van de injector. Je ziet dat het 1,5 ms duurt voordat er voldoende stroom (magnetische veldsterkte) is zodat de injectornaald van zijn zitting komt.
Sluiten van de injector
Zowel het openen als het sluiten van de naald moet in principe zo snel mogelijk gaan. Hoe sneller de naald opent en sluit, hoe nauwkeuriger de injector de brandstof kan injecteren.
Het sluiten van de naald zien we in het stroombeeld (A) niet terug. We zien dat wel terug in de spanning. 500 µs nadat de stroom A naar 0 is gegaan, zien we een hobbel in het spanningsverloop.
We hebben het in dit artikel gehad over de eigenschap van de spoel. Die eigenschappen veranderen als er fysiek iets verandert aan de spoel. In dit geval verandert er iets aan de ijzeren kern. Het ijzer van de naald gaat verder uit het midden en dit verandert de eigenschap van de spoel. Bij het openen is dit terug te zien in de opbouw van de stroom. Bij het sluiten geeft het een hobbeltje in de afbouw van de spanning.
1: Injector met bewegende naald. Die verandert de eigenschappen van de spoel. 2: Injector met vaste naald. 3: Hobbeltje.
Hoe ontstaat de hobbel?
Als de injectornaald zich meer in het midden van de spoel bevindt, is er een sterker magnetisch veld. Dit resulteert in een snellere afbouw van de spanning.
Staat de injectornaald meer uit het midden van de spoel (injector gesloten), dan bouwt de spanning zich langzamer af. De reden van de hobbel is deze verandering van de eigenschap van de spoel.
Terug naar de Yamaha
Nu terug naar de storing in de Yamaha. Daar zien we dat injector 3 een keurig spanningsbeeld vertoont. De ECU werkt dus naar behoren. Bij het sluiten van de naald zien we echter geen hobbel. Een teken dat de naald niet verandert van plaats. De injector doet niets.
