Common-rail:


Op deze pagina worden de volgende onderdelen beschreven:
-Werking
-Verschillen tussen het conventionele inspuitsysteem en common-rail
-Lagedrukgedeelte
-Hogedrukgedeelte
-Motorelektronica



Werking:
Common-rail is een inspuitsysteem dat sinds 1997 wordt gebruikt op dieselmotoren. De verstuivers worden door middel van het motorregelapparaat aangestuurd. Zowel het openen als het sluiten van de verstuiver (de injectietijd) als het aantal inspuitingen per verbrandingscyclus worden door het motorregelapparaat bepaald. Het motorregelapparaat berekent de injectietijd aan de hand van een aantal factoren, zoals het toerental, de belasting, de buitenlucht- en motortemperatuur, etc.
De hogedrukpomp levert de brandstofdruk aan de brandstofgalerij. In de brandstofgalerij heerst altijd een constante druk. Alle verstuivers zijn direct aan de brandstofgalerij aangesloten. De brandstofdruk staat dus ook direct op de toevoerleiding van elke verstuiver. Pas zodra de verstuiver een openingssignaal van het motorregelapparaat ontvangt, zal deze openen. De druk vanaf de brandstofgalerij zal nu via de verstuiver in de cilinder terecht komen. De inspuiting stopt zodra het motorregelapparaat het signaal beëindigd.

In de onderstaande afbeelding zijn alle componenten van het common-rail systeem schematisch weergeven.



De groene lijn geeft de leiding van de lagedruk brandstoftoevoer weer. De elektronische opvoerpomp (11) pompt de brandstof met een druk van max. 5 bar via het filterelement (9) naar de hogedrukpomp (1). Vanaf de hogedrukpomp loopt er een hogedrukleiding (rood) naar de brandstofrail. In de brandstofrail heerst een brandstofdruk die afhankelijk is van de toerental van de hogedrukpomp. De raildruksensor registreert deze waarde en stuurt constant de actuele brandstofdruk door naar het motorregelapparaat.
De hogedrukleidingen van alle verstuivers zijn op de brandstofrail aangesloten, zoals bij de brandstofrail met nummer 8 en verstuiver met nummer 16 te zien is.
De retourleiding (blauw) zorgt dat alle overtollige brandstof vanaf de verstuiver, de brandstofrail en de hogedrukpomp weer terug naar de tank gevoerd worden. Er vindt een constante circulatie van brandstof plaats om de componenten, die zich vaak in de motorruimte bevinden, te koelen.

Op deze pagina wordt de werking van de common-rail dieselmotor beschreven. Common-rail is een inspuittechniek, maar de werking van de dieselmotor blijft hetzelfde. De uitleg over de dieselmotor is te vinden op de pagina werking van de dieselmotor.




Verschillen tussen het conventionele inspuitsysteem en common-rail:
Bij (conventionele) dieselmotoren zónder common-rail inspuiting (dus met een hogedruklijnpomp, roterende verdeelpomp of een elektronisch geregelde verdelerpomp) worden de verstuivers geopend door de druk van de brandstof zelf.
De brandstofpomp draait met het toerental van de nokkenas mee en bouwt op het juiste moment de druk op. De drukopbouw en de inspuiting is dus afhankelijk van de timing van de brandstofpomp ten opzichte van de nokkenas. Daarom moet bij het vervangen van de distributieriem ook altijd de brandstofpomp worden geblokkeerd.

Bij common-rail motoren wordt de brandstof ingespoten op het moment dat het motorregelapparaat een signaal geeft. Bij de eerste generatie common-rail motoren maakte de stand van de pomp daarom niet uit. Deze kon in een willekeurige positie verdraaid worden bij het monteren van de distributieriem. De pomp levert namelijk een constante brandstofdruk aan de injectorrail.
Tegenwoordig worden alle motoren veel nauwkeuriger afgesteld. Ook moet nu vaak de pomp geblokkeerd worden. Dit is namelijk om trillingen m.b.t. de drukopbouw van de pomp tegen te gaan. De pompen worden nu zo geconstrueerd dat de pieken van de drukopbouw op het zelfde moment plaatsvinden als de compressieslag van de motor. De motor draait daarbij rustiger en de distributieriem wordt minder zwaar belast.



Lagedrukgedeelte:
Onder het lagedrukgedeelte vallen de brandstoftank, de elektrische opvoerpomp, het brandstoffilter, de lagedruk brandstofleiding en de retourleiding. Deze componenten worden hieronder beschreven.

-
  Brandstoftank
Hier zit de brandstof in opgeslagen. De tankinhoud kan variëren tussen de 30 en de 70 liter voor lichtere- en zwaardere luxere personenwagens. Klik hier voor meer informatie over de brandstoftank.

-  Elektrische opvoerpomp
De elektrische opvoerpomp zit in de tank gemonteerd. Deze pomp zorgt ervoor dat de brandstof vanuit de tank onder lage druk naar de hogedrukpomp (in de motorruimte) gepompt wordt. Bij common-rail dieselmotoren is niet altijd een elektronische opvoerpomp aanwezig. Soms is er een tandwielpomp in de hogedrukpomp ingebouwd. Vanaf de hogedrukpomp wordt dus zowel de brandstof uit de tank gezogen als druk opgebouwd naar de brandstofrail. Klik hier voor meer informatie over de opvoerpomp.

-  Brandstoffilter
In brandstof kunnen verontreinigde deeltjes zitten. Deze deeltjes blijven in het filtermateriaal hangen, zodat deze niet in het inspuitsysteem terecht kunnen komen.
Het brandstoffilter dient ook als waterafscheider. In dieselbrandstof zit namelijk ook vocht. Dit vocht is zeer slecht voor de pomp en de verstuivers / leidingen. Dit kan namelijk corrosie aan de binnenzijde van de componenten veroorzaken. Om dit te voorkomen wordt ook het water van de brandstof gescheiden en het blijft in het filter achter. Dit filter dient periodiek afgetapt cq. vervangen te worden.

Klik hier voor meer informatie over het brandstoffilter.

-  Lagedruk brandstofleiding
Deze brandstofleiding loopt vanaf de elektronische opvoerpomp naar de hogedrukpomp. De druk op deze leiding bedraagt ongeveer 5 bar.

-  Brandstofretourleiding
De brandstof die te veel verpompt wordt, gaat via de retourleiding weer terug naar de tank. De retourbrandstof dient ook voor koeling, omdat het de warmte afvoert. Er moet daarom ook altijd retourbrandstof aanwezig zijn. Op het moment dat er gedecelereerd wordt (er wordt afgeremd op de motor) wordt er geen brandstof ingespoten in de verbrandingsruimte. De hoeveelheid retourbrandstof is op dat moment het grootst.
Aan de retourbrandstof kan ook worden herkend of een injector onbedoeld open blijft staan. Dit kan bijvoorbeeld komen door vervuiling of een defect aan de injector, of een fout in de aansturing van het motorregelapparaat. Door de retourleidingen van alle injectoren los te koppelen en tegelijk op te vangen, kan het onderlinge verschil bekeken worden. Heeft 1 injector een opvallende weinig retourbrandstof, dan zou het heel goed kunnen dat de injector te lang open blijft staan. De gewenste retourbrandstof wordt dan in de verbrandingsruimte ingespoten. Dit is in de onderstaande afbeelding te zien. Hier heeft één injector geen retourbrandstof.




Hogedrukgedeelte:
Onder het hogedrukgedeelte vallen de hogedrukpomp, de brandstofgalerij, de hogedrukbrandstofleidingen en de verstuivers.

-
  Hogedrukpomp
De hogedrukpomp is uitgevoerd als plunjerpomp en zorgt dat er een brandstofdruk in de brandstofgalerij (afhankelijk van het systeem) op een constante druk blijft. Dit bedraagt 1300 bar bij de eerste generatie common-railmotoren (vanaf 1997) tot 2000 bar bij de huidige systemen. Hoe hoger de inspuitdruk, des te kleiner zijn de brandstofdruppels en hoe beter de verbranding en dus de uitlaatgasemissies zijn.

De hoeveelheid brandstof die de pomp aan de brandstofgalerij levert wordt beperkt naar mate de motor minder nodig heeft. De druk blijft dan ongeveer gelijk. Door een elektro-magnetische overloop aan te sturen, verstelt een stuurzuiger steeds verder als gevolg van veerspanning. De raildruk neemt dan af. Op de pagina Hogedrukbrandstofpomp wordt de werking van meerdere soorten hogedrukpompen, waaronder ook die van de common-raildiesel uitgebreid uitgelegd.

-  Brandstofgalerij
Vanaf de hogedrukpomp wordt de brandstof naar de brandstofgalerij gepompt. In de brandstofgalerij heerst een constante brandstofdruk. Vanaf de brandstofgalerij lopen er brandstofleidingen naar de verstuivers.

Op de brandstofgalerij zitten ook de raildruksensor aangesloten (bij een te hoge raildruk zal het motormanagement zorgen dat de overdrukklep opent) en is er een retourleiding aanwezig.

-  Hogedrukbrandstofleidingen
Omdat hogedrukbrandstofleidingen hoge drukken te voorduren krijgen moeten ze sterk zijn uitgevoerd. Ze zijn van metaal en zijn met wartelmoeren verbonden aan zowel de pomp als de verstuivers. Deze hogedrukbrandstofleidingen voeren de brandstof vanaf de hogedrukpomp naar de brandstofrail en vanaf de brandstofrail naar de verstuivers. De leidingen tussen de brandstofrail en de verstuivers zijn allemaal even lang en even dik. Hiermee worden onderlinge inspuitverschillen voorkomen. Als de afstand tussen de brandstofgalerij en cilinder 1 namelijk groter is dan tussen de galerij en cilinder 4, wordt er in de leiding van cilinder 4 een bocht gemaakt. Door deze bocht wordt de afstand die de brandstof van cilinder 4 af moet leggen toch even groot als van cilinder 1.

-  Verstuiver
Er worden elektromagnetische of piëzo-injectoren toegepast. Met deze injectoren kunnen de inspuithoeveelheid, het inspuitverloop en het inspuitmoment geregeld worden. Er heerst een constante brandstofdruk op de ingang van de injector. Dit is de zelfde druk als in de brandstofrail aanwezig is. Deze druk heerst ook in de regelkamer zolang de magneetklep gesloten is. De magneetklep wordt aangestuurd door de ECU.
Zodra de magneetklep door het motormanagement aan wordt gestuurd, wordt de injectornaald opgetild en spuit de injector een bepaalde hoeveelheid brandstof in. Doordat de raildruk en de openingen van de injectoren altijd constant zijn, weet het motormanagement precies hoeveel brandstof er in een bepaalde tijd ingespoten wordt. Omdat na de fabricage toch altijd een minimale afwijking ontstaat, moet deze afwijking aan het motorregelapparaat kenbaar worden gemaakt. Na de fabricage wordt de injector getest. Met de resultaten van o.a. de openingsdruk en injectorhoeveelheid wordt er een code bepaald. Deze code wordt op de injector gegraveerd en is door de technicus af te lezen (zie onderstaande afbeelding, de code hierin is 574-221). Deze manier van inleren is bij zowel een benzinemotor als een dieselmotor gelijk.


(Afb. van een Piëzo-injector van een BMW benzinemotor)

Na montage moeten deze codes altijd in het motorregelapparaat worden geregistreerd. Wanneer dit niet gedaan wordt is de kans groot dat de motor slechter presteert, slecht stationair draait en dat er motorstoringen ontstaan.


Spanning- en stroomverloop meten aan injectoren:
Het spannings- en stroomverloop over de common-rail injectoren kunnen met behulp van de oscilloscoop worden gecontroleerd. Hiermee kan worden bepaald of dat de injector op de juiste manier door de ECU wordt aangestuurd.
In het onderstaande scoopbeeld is de rode lijn het spanningverloop en de blauwe lijn het stroomverloop.



In het bovenstaande scoopbeeld zijn twee inspuitingen te zien. De linker is de voorinspuiting en de rechter de hoofdinspuiting. Bij andere motoren kunnen er zelfs wel drie inspuitingen achter elkaar plaatsvinden.
De injector opent bij een hoge spanning en stroom. De spanning bedraagt ongeveer tussen de 60 en 100 volt. Deze hoge spanning kan worden bereikt dankzij een condensator in de ECU. Deze hoge spanning in combinatie met een lage weerstand van de spoel zorgt voor een snelle reactie van de injector. De injector heeft daarmee een korte inschakel- en uitschakelvertraging. Omdat de stroom door de spoel veel warmte veroorzaakt, dient deze begrenst te worden. Zonder stroombegrenzing zou de daadwerkelijke stroom oplopen tot wel 300 ampère. Die waarde zal echter nooit bereikt worden omdat dan de injectorspoel al lang door is gebrand.
De stroombegrenzing is te zien aan spanning die steeds wordt in- en uitgeschakeld, tussen 4,6 en 5,1 ms. Tijdens deze stroombegrenzing zijn de spanning (12 volt) en de stroom (12 ampère) nog hoog genoeg om de injectornaald open te houden.
Bij 5,1 ms wordt de aansturing gestopt en zal de injectornaald sluiten.


Motorelektronica:
Het motormanagement (ECU) berekend aan de hand van gegevens van sensoren (gaspedaalstandsensor, motortemperatuur, rijsnelheid, krukastoerental, luchthoeveelheid (luchtmassameter), inlaatluchtemperatuur, uitlaatgaskwaliteit (NOx) de hoeveelheid brandstof die moet worden ingespoten en het moment waarop het ingespoten moet worden. Het is een zware taak om de injectoren aan te sturen. Om in korte tijd (max. 300 milliseconden) een stroom van meer dan 20 Ampére te kunnen leveren is een spanning tot 80 Volt noodzakelijk.
Dit wordt bereikt met de lading van condensatoren en eindversterkertrappen.

(Afb. ECU)