Uitgelegd: Common-rail technologie.

Inleiding

In 1997 verscheen de eerste dieselmotor met common-railtechnologie op de markt. Ondertussen heeft dit injectieprincipe in onze personenauto's de klassieke brandstofpompen vrijwel volledig verdrongen. Bosch als marktleider heeft al de derde common-railgeneratie in serieproductie geïntroduceerd. Om de monteur in de werkplaats wegwijs te maken, volgt hier een overzicht van de verschillen tussen de Bosch-systemen van de diverse generaties.

Het werkingsprincipe van het injectiesysteem dat voor de echte doorbraak van de dieselmotor zorgde, werd uitgevonden door de vader van de dieselmotor zelf. Rudolf Diesel beschreef het in 1912 in een van zijn boeken. Het is een eenvoudig en tegelijk geniaal principe. Door continu dieselbrandstof in een verdeelbuis te pompen wordt druk opgebouwd. Die hogedrukverdeelbuis of rail houdt de brandstof voor de voeding van alle cilinders klaar. In 1926 werd dit injectieprincipe verder onderzocht aan de universiteit van Zürich. Het vond toen geen toepassing in een voertuig.

Pas in de jaren negentig van de vorige eeuw pakte Fiat dit idee opnieuw op.
Bosch ontwikkelde het uiteindelijk onder de benaming common rail voor serieproductie.


De grondslagen (de eerste generatie)

Bij de eerste common-railgeneratie bedraagt de maximale injectiedruk 1350 bar, die wordt opgebouwd door een hogedrukpomp met drie stervormig opgestelde plunjers, de zogeheten CP1. Deze pomp verpompt permanent de maximale brandstofhoeveelheid die, afhankelijk van de behoefte, aangestuurd wordt door het hogedrukregelventiel. Om te vermijden dat de door het drukventiel geleide brandstof bij deellast of in de drukfase te sterk opwarmt, wordt in bepaalde gevallen een drukpomp van de CP1-serie met uitschakelbaar pompelement gebruikt.
De verstuivers van de eerste generatie common-railmotoren worden geopend en gesloten met behulp van magneetventielen. De inspuiting wordt geregeld door het aansturen van het magneetventiel met een stroomimpuls, die impuls zorgt ervoor dat de druk in de regelplunjer-ruimte wordt op- of afgebouwd. De regelplunjer brengt de hydraulische kracht die hierbij ontstaat over naar de verstuivernaald, die hierdoor opent of sluit.


















Een hogere druk (de tweede generatie)

In 2000 introduceerde Bosch de tweede generatie common-railinjectiesystemen in serieproductie. Kenmerkend is de maximale inspuitdruk, die is opgevoerd tot 1600 bar. De CP3 hogedrukpomp regelt aan de aanzuigzijde de brandstofhoeveelheid via een doseerinrichting. Het gaat hier om een traploos regelbaar magneetventiel dat in de toevoerleiding van de pomp is gemonteerd en de te verpompen hoeveelheid brandstof aanpast aan de werkelijke behoefte. Omdat niet meer brandstof wordt weggeperst dan nodig is, werkt het volledige systeem met een hoger rendement. Toch is het drukregelventiel op de rail nog niet overbodig. Het is nodig om de druk snel af te bouwen, bijvoorbeeld bij lastwisselingen. Bij koude motor wordt een maximale hoeveelheid brandstof verpompt en regelt alleen het drukregelventiel de druk (zoals bij de eerste generatie). Op die manier bereikt de retourbrandstof een hogere temperatuur, die gebruikt wordt voor de opwarming van de brandstof in de filter. Vanwege de twee regelmogelijkheden spreekt men van een tweepuntsregeling.

Bij bepaalde toepassingen wordt naast de CP3 ook de CP1H aangewend. Die onderscheidt zich van de CP1 door de hogere druk en de van de CP3 overgenomen doseerinrichting.

Ook de magneetventielen van de verstuivers ondergingen diverse kleine verbeteringen voor de common-railmotoren van de tweede generatie. Ze zijn fijner uitgevoerd en werken sneller, zodat tijdens elke verbrandingscyclus tot wel vijf injecties kunnen plaatsvinden. De tweede common-railgeneratie van Bosch is nu zeer wijdverbreid.
Aangezien autoconstructeurs hiermee nog altijd uitermate gunstige verbruiks- en emissiewaarden en uitstekende prestaties kunnen bereiken, wordt deze generatie common rail zelfs in nieuwe motorconcepten nog gebruikt.





Piëzo-element in plaats van magneetventiel (de derde generatie)

De derde common-railgeneratie van Bosch was in 2003 klaar voor serieproductie. Met deze oplossing zetten de ingenieurs uit Stuttgart een enorme stap vooruit in de dieselinjectietechnologie. De technologie stelt de motorenbouwers in staat de uitlaatgasemissies (deeltjes en NOx) met vijftien tot twintig procent te verlagen en het verbruik met ongeveer drie procent. Bovendien biedt ze onmiskenbare voordelen op het vlak van het geluidsniveau.
Het brandstofsysteem van de derde common-railgeneratie is grotendeels hetzelfde als dat van de tweede generatie. De maximale injectiedruk blijft 1600 bar. De belangrijkste innovatie van de derde common-railgeneratie is de piëzolijnverstuiver. In dit geval is het regelelement in de verstuiver geïntegreerd. Met dit concept kunnen de voordelen van de piëzotechniek ten volle worden benut. Zo is er geen wrijving tussen de regelplunjer en het ventiel, respectievelijk tussen het tussenstuk en het verstuiverhuis. De verstuivernaald reageert onmiddellijk op de bekrachtiging van het piëzo-element, de schakelsnelheid is hoger en daardoor volgen de injecties elkaar sneller op.

Omdat er minder mechanische componenten zijn, kon de bewegende massa worden teruggebracht van zestien naar vier gram. Dit maakt de nieuwe verstuivers, met schakeltijden van minder dan 0,1 milliseconde, dubbel zo snel als hun tegenhangers met magneetventiel. Het resultaat is een flexibele regeling van de verbranding met de mogelijkheid om een groot aantal injecties per cyclus door te voeren. Bovendien werd de hoeveelheid retourbrandstof gehalveerd, zodat de hogedrukpomp minder hoeft te draaien en het systeem een hoger algemeen rendement bereikt.


Werking van de piëzo-injector

De werking van een piëzoverstuiver verschilt fundamenteel van die van een verstuiver met magneetventiel. De piëzoverstuiver bestaat uit een lagedrukgedeelte (van ongeveer 10 bar) en een hogedrukgedeelte (raildruk). In het lagedrukgedeelte bevinden zich het piëzo-element en de hydraulische koppeling. Deze laatste moet de beweging van het piëzo-element omzetten, versterken en overbrengen naar het servoventiel. Voorts compenseert de koppeling eventuele speling, te wijten aan de warmte-uitzetting. Tegelijkertijd zorgt ze voor een automatische veiligheidsuitschakeling van de injectie als het piëzo-element door een onderbreking in de spanningsvoorziening niet in zijn beginstand kan terugkeren.

De werking van de hydraulische koppeling is eenvoudig: het toepassen van een spanning (110 tot 148 V) brengt het piëzo-element in beweging, wat met behulp van de koppelingsplunjer een druk in de koppeling veroorzaakt. Die druk activeert op zijn beurt de ventielplunjer, die het servoventiel doet openen of sluiten. De lengtecompensatie gebeurt door middel van een kleine hoeveelheid lekbrandstof, die door de speling van de plunjergeleider in het lagedrukgedeelte kan wegstromen.
De lage druk wordt geregeld door een drukhoudventiel ter hoogte van de verstuiveruitgang of in de brandstofretourleiding. Voorbij het drukhoudventiel heerst in de retourleiding een druk van 1 bar, die tot in de tank verder afgebouwd wordt.


Hydraulische regeling

Met de verstuiver in de ruststand is het hogedrukgedeelte gescheiden van het lagedrukgedeelte. In de regelruimte heerst dezelfde druk als in de common rail. De verstuivernaald is gesloten. Wanneer de verstuiver elektrisch bekrachtigd wordt, sluit het servoventiel de bypass en geeft het tegelijkertijd de verbinding tussen de regelruimte en het lagedrukgedeelte vrij. Aangezien de afvoerklep meer brandstof uit de regelruimte laat wegstromen dan er via de toevoerklep wordt aangevoerd, daalt de druk in de regelruimte en opent de verstuivernaald zich. Als de injectiecyclus wordt beëindigd, opent het servoventiel de bypass opnieuw en wordt de doorgang tussen regelruimte en lagedrukgedeelte gesloten. Via de af- en toevoerkleppen wordt in de regelruimte snel opnieuw raildruk opgebouwd, waardoor de verstuivernaald snel sluit.