Dieselmanagement (6)

E. Gernaat (ISBN 978-90-79302-03-1)

1 Commonrail inspuiting

Onder het commonrail-systeem wordt een Dieselinspuitsysteem verstaan waar-bij een galerij door een hogedrukpomp gevuld wordt met Dieselbrandstofonder hoge druk1. De verstuivers die op de galerij zijn aangesloten wordenop een computercommando geopend en gesloten. Het geheel is vergelijkbaarmet het brandstofinjectiesysteem dat op de huidige benzinemotoren wordttoegepast. Fig. 1 geeft een opstelling van de onderdelen. De ontwikkeling van

Figuur 1: Overzicht van de componentenopstelling van een Diesel commonrailsysteem.1) luchtmassameter, 2) EDC-computer, 3) hogedrukpomp, 4) commonrail, 5) verstuivers, 6)toerental- krukaspositiesensor, 7) motortemperatuursensor, 8) filter, 9) ’elektronisch’ gaspedaal

1. Op dit werk is de Creative Commons Licentie van toepassing

1

de commonrail-inspuiting is in gang gezet door Fiat en Magneti Marelli in hetmidden van de jaren 80. In 1994 ontstaat er een overeenkomst tussen Fiat enBosch voor verdere ontwikkeling. In 1997 wordt commonrail op de Fiat mod-ellen geıntroduceerd, het zgn. Unijet inspuitsysteem. De ontwikkeling is nu vri-jwel geheel door Bosch overgenomen. Gezien het feit dat de brandstofinspuit-ing zowel wat betreft de hoeveelheid als de druk alsmede het inspuitbegin resp.einde geheel door de EDC-computer kan worden geregeld is de verwachting datdit systeem de overige systemen gaat verdringen. De geclaimde voordelen t.o.v.de conventionele ingespoten motoren zijn:

• aanzienlijk minder lawaai;• ongeveer 10 % meer vermogen en koppel;• minder en beter beheersbare uitlaatgas-emissie.

Deze verbeteringen worden verkregen door:

• het instellen van de brandstofdruk, waardoor ook het inspuiteinde einderegelbaar wordt;

• door hogere inspuitdruk, een betere mengselvorming;• minder aandrijfvermogen nodig voor de hogedrukpomp.

Fig. 2 geeft een opstelling van het brandstofcircuit van een commonrail-systeem. De brandstof wordt met behulp van een opvoerpomp door een filteraangezogen. De hogedrukpomp voorziet de galerij (de commonrail) van brand-stof onder hoge druk. Op de commonrail zijn de verstuivers (1 per cilinder)aangesloten. Een EDC-computer stuurt de verstuivers aan.

Figuur 2: Opstelling van de componenten van een commonrail-inspuitsysteem (tek. Toyota)

2

1.1 Hydraulisch gedeelte

Fig. 3 geeft het hydraulische gedeelte meer gedetailleerd weer. Een elektrischeopvoerpomp pompt de brandstof door een filter naar de hogedrukpomp. Dehogedrukpomp levert afhankelijk van de omstandigheden een brandstofdruktussen de 150 en 1500 bar. Hiervoor is de pomp uitgerust met een (elektronischgeregelde) brandstofdrukregelaar. De commonrail ontvangt de brandstof va-nuit de hogedrukpomp. Een druksensor gemonteerd op de commonrail voorzietde computer van informatie over de raildruk (terugkoppeling). Alle injectorenzijn op de commonrail aangesloten. De overtollige brandstof wordt vanaf dehogedrukpomp en de commonrail teruggevoerd.

Figuur 3: Het hydraulische circuit in detail van het commonrail systeem (tek. Toyota).

2 Hogedrukpomp

Fig. 4 toont ons de langs- en dwarsdoorsnede van de Bosch radiaalhogedrukpomp. Het betreft een drie-cilinderpomp die met het nokkenasto-erental wordt aangedreven. Een van de pompelementen kan worden uit-geschakeld waardoor de vermogensbehoefte kleiner wordt. Het uitschakelengebeurt door de inlaatklep elektromagnetisch te openen (fig. 4 boven). De vol-

3

Figuur 4: Langsdoorsnede (boven) en dwarsdoorsnede (onder) van de hogedrukpomp (tek.Bosch)

4

gende gegevens hebben betrekking op een hogedrukpomp toegepast door Fiat.

• totaal slagvolume 657 mm3;• bedrijfsdruk tot 1500 bar;• opgenomen vermogen: 3,2 kW bij 1000 bar en 3000 t/min;• smering en koeling door de brandstof.

De beweging van de plunjers wordt verkregen door een excentriek en een nok.De brandstof kan onder druk van de opvoerpomp (0,5 - 1,5 bar) de inlaatk-lep passeren wanneer de plunjer naar beneden gaat. Wanneer de plunjer weeromhoog beweegt dan sluit de inlaatklep en wordt een kogelklep opengedrukt.Dit gebeurt wanneer de druk in de rail wordt overschreden. Parallel aan derailaansluiting bevindt zich de elektronische drukregelaar. Wanneer de klepopent kan brandstof retour stromen waardoor de druk vermindert.

3 Verstuivers

3.1 Elektromagnetische commonrail-verstuivers

Tot voor kort maakte men uitsluitend gebruik van elektro-magnetische ver-stuivers. Deze verstuivers worden elektrisch bediend. Voorafgaand aan dehoofdinspuiting vindt (ook hier) voorinspuiting plaats. De principiele werking isovereenkomstig fig. 5. De verstuiver die aangesloten is op de commonrail is ge-vuld met brandstof onder druk. Dit geldt zowel voor de ruimte onder als bovende verstuiver. Waneer er niet wordt ingespoten dan drukt de veer de elektro-magnetische klep naar beneden. De brandstofdruk bovenin de regelkamer (1)drukt samen met de verstuiverveer de naald op de zitting (fig. links). Op hetmoment dat inspuiting moet plaatsvinden wordt er spanning op de magneet-spoel gezet waardoor de magneetklep bovenin de verstuiver opent. Door hetopenen van de klep ontstaat er een extra ruimte waardoor de regelkamer druk-loos wordt. De inspuitdruk tegen de naald doet deze omhoog gaan waardoorde (voor)inspuiting plaats vindt (fig. rechts).

3.2 Commonrail piezoverstuivers

Momenteel zijn piezo-verstuivers sterk in opkomst. Piezo-verstuivers maken ge-bruik van het piezo-effect dat wil zeggen dat wanneer er spanning op een piezo-element wordt gezet er een lengteverandering optreedt. Deze lengteverander-ing kan mechanisch worden vergroot en kan vervolgens gebruikt worden omde naald te lichten (fig. 6). De totale lengteverandering bedraagt ongeveer 0,08mm en de aanstuurspanning ongeveer 160 V. De stroom bedraagt enige mA. Devoordelen van de piezo-elementen liggen in hoofdzaak in de meer nauwkeurigeaansturing waardoor een beter beheersbare inspuittijd wordt verkregen. Omde naald te sluiten moet een negatieve spanning op het piezo-element wordengezet.

5

Figuur 5: Links: situatie: geen inspuiting. De druk in de regelkamer 1 drukt de naald op dezitting. Rechts: situatie: inspuiting. De regelkamer wordt drukloos door het openen van de mag-neetklep. De naald gaat omhoog. Tekening: Bosch (MOT)

6

Figuur 6: Links: piezoverstuiver van Siemens VDO ingebouwd in de Jaguar S-type. Rechts: detailvan het piezo-element opgebouwd uit 350 plaatjes.

7

4 Elektro-hydraulisch regelgedeelte

De druk in de rail wordt elektro-hydraulisch geregeld met behulp vande drukregelaar in de hogedrukpomp. Fig. 7 geeft een doorsnede van dedrukregelaar. Het principe berust op het vergroten en verkleinen van eendoorstroomopening door het verplaatsen van de kogelklep. Wanneer de spoelniet door de EDC-computer wordt bekrachtigd dan zorgt de vaste veerdruk er-voor dat de druk op ongeveer 150 bar wordt afgeregeld. Door stroom door demagneet te sturen wordt door de magnetische kracht de veerspanning versterkt.Hoe groter de stroom hoe groter de kracht en hoe hoger de afgeregelde druk.De EDC-computer regelt de grootte van de stroomsterkte door pulsbreedte-modulatie. De vaste frequentie bedraagt ongeveer 1000 Hz. Door de inspuit-druk te regelen kan men bij een vaste opbrengst de inspuitduur aanpassen,waardoor zowel het inspuitbegin als de inspuiteinde onder controle van decomputer valt. Fig. 8 laat het drukverloop zien in de rail bij verschillende to-

Figuur 7: Doorsnede van de drukregelklep.

erentallen onder verschillende belastingen. De bovenste begrenzingslijn steltde maximale gemiddelde zuigerdruk voor tijdens vollast. Fig. 9 laat de grafiekzijn van de commonrail inspuiting van de Toyota Auris. De druk bedraagt max.1400 bar bij het volledig intrappen van het gaspedaal. Om de druk te kunnenregelen is terugkoppeling nodig. De druksensor die op de commonrail gemon-teerd is zorgt hiervoor. De computer kan door het uitlezen van de drukzendernagaan of de gewenste druk ook de werkelijke druk is. De raildruksensor be-vat een piezo-element en een membraan. Door vervorming wordt een spanningopgewekt die na bewerking afhankelijk van de druk tussen de 0,5 en 5 V ligt.Om te voorkomen dat de druk extreem hoog zou oplopen is er tevens een over-drukklep als drukbegrenzer gemonteerd (fig. 10).

8

Figuur 8: Drukverloop in de rail bij verschillende toerentallen en belastingen (Fiat 1,9 ltr).

Figuur 9: Opname met behulp van de Toyota intelligent tester op een Toyota Auris met common-rail inspuiting.

9

Figuur 10: De commonrail met druksensor en drukbegrenzing (tek. Toyota)

4.1 Inspuitsignaal, inspuitmoment en inspuitverdeling

Het signaal dat op de elektromagnetische verstuivers wordt gezet is veelal vaneen omvormer afkomstig die door de EDC-computer wordt aangestuurd. EenDC/DC omvormer zorgt ervoor dat de dynamospanning omgezet wordt in eenhogere gelijkspanning van ongeveer 150 V. Hierdoor wordt een snelle reactieverkregen. Wanneer een stabiele klepsituatie is verkregen dan kan de spanningweer worden teruggebracht tot de normale bedrijfsspanning (stroomregeling).Vanuit de omvormereindtrap wordt een inspuitbevestigingssignaal teruggezon-den naar de computer. Fig. 11 geeft een overzichtsschema. Voor het bepalen van

Figuur 11: Het elektrische (blok)schema van de verstuivereindtrap voor een elektromagnetischeverstuiver (Toyota).

het inspuitmoment en de inspuitverdeling wordt gebruik gemaakt van dezelfderegelprincipes als bij de benzine-inspuiting het geval is. Een nokkenassensor,meestal uitgevoerd als Hall-sensor en een krukasreferentiesensor uitgevoerd als

10

inductieimpulsgever geven hun informatie af aan de EDC-computer. De EDC-computer berekent hieruit het juiste inspuitmoment en bepaalt welke cilinderinspuiting nodig heeft. Voor het bepalen van de motorbelasting kan -afhankelijkvan de uitvoering- gebruik worden gemaakt van:

• de gaspedaalsensor (gewenste belasting);• hittedraadsensor;• druksensor (turbo-druk) e.d.

Uiteraard zijn er meer maar minder belangrijke variabelen nodig. Zie verder devoorbeeldschema’s van fig. 12

Figuur 12: Boven: variabelen nodig voor de regeling van het inspuitmoment. Onder: variabelennodig voor het regelen van de inspuithoeveelheid (info Toyota).

4.2 Uitvoering

Evenals de andere EDC-systemen is het commonrailsysteem uit-gevoerd met een toerental-regelsysteem, geıntegreerd turbosysteem,voor(gloei)verwarmingssysteem, EGR-systeem, cruise-control, eigen diag-nose etc. Elke uitvoering zal echter apart moeten worden bestudeerd.

5 Vragen en opgaven

1. Met welk systeem vertoont het commonrailsysteem veel overeenkom-sten?

2. Op grond waarvan mag men verwachten dat dit systeem steeds meer zalworden toegepast?

3. Wat is de ’commonrail’ nu precies voor een onderdeel?

11

4. Tussen welke drukken kan de EDC-computer de brandstofinspuitdrukregelen?

5. Waarom noemt men de hogedrukpomp een radiaalpomp?6. Wat is het bijzondere aan een van de pompelementen van de

hogedrukpomp?7. Wat zal er met het volumetrisch rendement gebeuren wanneer de druk

oploopt? Verklaar het antwoord.8. Wat zijn de verschillen tussen de verstuiver van de commonrail-inspuiting

en een injector van een benzine-inspuitsysteem?9. Wat verstaat men onder een piezo-verstuiver?10. Waarom is in het drukregelsysteem een druksensor noodzakelijk?11. Hoeveel bar bedraagt de afgeregelde druk wanneer we de elektrische con-

nector van de drukregelaar losnemen?12. Wat is het grootste voordeel van een door de computer geregelde inspuit-

druk?13. Op welke wijze wordt elektronisch de inspuitdruk geregeld?14. Hoeveel bar bedraagt de maximale inspuitdruk bij 1500 t/min (fig. 8)?15. Onder welke omstandigheden is de commonraildruk minimaal (fig. 9)?16. Waarom bevat de verstuivereindtrap een DC/DC converter?17. Welke typen halfgeleider-componenten komen we in het blokschema van

de omvormer eindtrap tegen?18. Wat is de functie van het INFJ-signaal?19. Noem de variabelen die nodig zijn voor de bepaling van het juiste inspuit-

moment.

12