A Common Rail Befecskendezési Nyomás Magyarázata és Fejlődése
A Common Rail (CR) egy nagynyomású befecskendező rendszer a modern, közvetlen befecskendezésű dízelmotorokhoz. A dízelmotor működését alapvetően határozza meg a dízel üzemanyag befecskendezés hatékonysága. A befecskendezés hatékonyságát pedig alapvetően a rendszer nyomása határozza meg.
A Dízelmotorok Égési Folyamata és a Befecskendezés Szükségessége
A Diesel-motorok belső keverékképzésű motorok, az égési folyamat elindításához külső energiára nincs szükség. A dízelmotor szerkezetében hasonlít a nála ismertebb mechanizmusú benzinmotor (Otto-motor) felépítéséhez. A fő különbség, hogy a dízelnél a tüzelőanyag (leginkább gázolaj) gyújtószikra segítsége nélkül, a legalább hússzoros kompresszió (légsűrítés) miatti felmelegedés hatására öngyulladással ég el és végez munkát a hengerben. Az ehhez szükséges nagy hőmérséklet eléréséhez az Ottó-motoroknál nagyobb kompresszió viszonnyal működnek (ε=16-24).
Diesel-motoroknál az égést a kompresszió során felmelegedő közeg (levegő) párologtatja el az -általában a felsőholtpont előtt- befecskendezett tüzelőanyagot és gyújtja meg a levegő-tüzelőanyag keveréket. Mind a tüzelőanyag elpárologtatásához, mind annak keverékképzéséhez és égéséhez az Ottó-motorokhoz képest igen jelentős időre van szükség. Minél nagyobb a gyulladási késedelem annál több tüzelőanyag jut az égéstérbe az égés kezdete előtt. Így amikor beindul az égés nagymértékű hőfelszabadulást áll elő, minek következménye kemény égési zaj, ami mechanikai túlterhelést eredményezhet.
A Diesel motorok égési folyamatát általában két részre osztjuk. Az égés kezdetén az égési késedelem miatt felhalmozódott és elpárolgott tüzelőanyag a nagy légfelesleg mellett gyors, jól előkevert égése zajlik le. Ezt a szakaszt nevezzük kinetikus-, vagy előégésnek. A második szakasz a diffúz- vagy főégés. Ebben a szakaszban a porlasztóból kilépő tüzelőanyag keresztülhalad a már elégett keveréken ahol annak párolgási folyamata zajlik, majd ebből a térfogatból kikerülve keveredik részben levegővel. Ebben a szakaszban az égés lényegesen lassabb.
A Diesel-motorok fejlesztése során számos módszert dolgoztak ki az égési folyamat optimalizálására. A tüzelőanyag bejuttatására az égéstérbe, valamint annak jó porlasztásához nagy tüzelőanyag nyomásra van szükség.
Tünetek: Common Rail hibák BMW
A Befecskendező Rendszerek Fejlődése a Common Railig
A nagynyomású befecskendezés iránti igény számos rendszert hívott életre a Common Rail előtt. A hagyományos adagoló szivattyúk általában dugattyús szivattyúk. A soros, állandó löketű adagoló szivattyúnál a motor minden egyes hengeréhez külön elemi dugattyús rendszer tartozik. Nyomás tartományuk max. 650 bar volt. A soros adagoló szivattyúk általában fel vannak szerelve segéd rendszerekkel, és különböző szabályzókkal, mint például alapjárati fordulatszám, maximális fordulatszám és fordulatszám illesztés. A mai kor követelményeit kielégítő károsanyag kibocsátást megvalósító elektromos rendszerekhez illeszkedve a típusnak is vannak elektromos szabályzású változatai, ezeknél elektromágnesek segítségével változtatható mind a dózis, mind az előbefecskendezés.
Nagy fordulatszámú, kis teljesítményű motorok igényeit már nem tudják kielégíteni a hagyományos soros adagoló szivattyúk. Főbb okai: az előbefecskendezés nehézkes állítása, elektromos szabályozás nehézkessége, magas költségek. Ebben a kategóriában megfigyelhető az elosztórendszerű adagoló szivattyúk térhódítása, nyomás tartományuk általában max. 700 bar. Lényeges eltérés a soros rendszerrel szemben, hogy itt csak egy szivattyú elem hozza létre a befecskendezési nyomást, miközben forgó mozgást is végez. Ezzel határozza meg furatok segítségével, hogy mely hengerbe történjen a befecskendezés.
A radiál dugattyús elosztórendszerű adagoló szivattyú felépítése sok szempontból hasonló a a hagyományos elosztó rendszerű adagoló szivattyúhoz, azonban itt nem a dugattyú elem elmozdulása hozza létre a nagy nyomást, hanem a radiális működésű dugattyú elem. Ennek segítségével a maximális befecskendezési nyomása 1100 bar és max. 50 kW/henger teljesítmény valósítható meg. A dózis vezérlő szolenoid szelep segítségével lehetőség van a szállítás kezdet és a dózis pontos vezérlésére. Az adagoló szivattyú csak akkor növeli a nyomást, ha a szolenoid szelep zárva van. Ennek segítségével már lehetőség van egyes rendszereknél a kettős befecskendezésre is.
A minél nagyobb nyomás elérése érdekében terjedtek el az adagoló-porlasztó rendszerek elsősorban a CR rendszerek elterjedése előtt. Ezek az adagolóelem és a porlasztó egybeépítésével születettek, minden hengerben egy-egy ilyen elem található amely dugattyúját többnyire a vezérműtengely működteti. A befecskendezés időpontját és a dózis nagyságát az elektronikusan vezérelt mágnes szelep határozza meg.
A Common Rail Rendszer Működési Elve
A Common Rail rendszerek elterjedését az elektronikus szabályzások költségeinek csökkenése és az egyre tovább szigorodó környezetvédelmi követelmények okozzák. A common rail rendszer lényege, hogy a dízel üzemanyag nyomásának előállítása és a befecskendezés ebben a rendszerben szét vannak választva. A nyomás előállítását és a befecskendezést egy tároló térfogat segítségével lehet megvalósítani. A nyomás alá helyezett tüzelőanyag a common rail rendszer nyomástárolójában várja a befecskendezés pillanatát.
Befecskendező rendszer részletei
A kívánt befecskendezési nyomást egy a dízelmotorról hajtott, folyamatosan üzemelő nagynyomású szivattyú állítja elő. Ez a rail-ben kialakuló nyomást a motor fordulatszámától és a befecskendezett mennyiségtől teljesen függetlenül adott értéken tartja. A hozzávetőleg állandó hozamú szállításnak köszönhetően a nagynyomású szivattyú mérete a hajtó nyomatéka is lényegesen kisebb lehet, mint az a hagyományos befecskendező rendszerek esetében szokásos. Ennek következményeként a szivattyú hajtása is kisebb terhelésnek van kitéve.
Common Rail Diesel befecskendező rendszer működése
A common rail rendszer előnye, hogy az állandó nyomásnak és hozamnak köszönhetően a nagynyomású szivattyú mérete és belső terhelése lényegesen kisebb, mint a hagyományos dízel befecskendező rendszerek esetében. Az elektronikus dízel szabályozás (EDC) az egyes részegységeket külön-külön hajtja meg. A common rail rendszerben ugyanis az injektorok egy közös elosztócsőről kapják az üzemanyagot. Ennek előnye, hogy a befecskendezési nyomás és időpontok széles határok közt változtatható. Ezt úgy érték el, hogy a common rail rendszerben szétválasztották a nyomást előállító és a befecskendezést megvalósító egységeket.
A Common Rail Rendszer Fő Elemei
Üzemanyag-ellátás és Nagynyomású Szivattyú
A tüzelőanyagot az üzemanyag-tartályban található elektromos üzemanyag-szivattyú mágneses üzemanyagszűrőn keresztül üzemanyag előmelegítéssel szállítja a nagynyomású szivattyúhoz. A tüzelőanyagot a szállító szivattyú -általában két, durva és finom-szűrő után jut el az adagoló szivattyúhoz. A motor által hajtott nagynyomású szivattyú, ami a nagynyomású tüzelőanyagot egy közös gyűjtőcsőbe (Common Rail) juttatja.
A nagynyomású szivattyú feladata, hogy meghatározott nyomáson megfelelő mennyiségű üzemanyagot biztosítson a közös nyomócsövön keresztül az injektoroknak. A nagynyomású szivattyú (fogasszíj hajtja) biztosítja a szükséges nyomást a Rail-ben. A nagynyomású szivattyú általában radiál dugattyús kialakítású, a haszongépjárműveknél egyes esetekben soros szivattyút találunk. A CR pumpa kenését a gázolaj végzi.
A nagynyomású szivattyúk több gyártótól származhatnak, amelyek közül néhány a legnagyobb és legismertebb neveket képviseli az autóiparban és a mezőgazdasági gépekben. A Bosch a közös nyomócsöves Common Rail rendszerek egyik úttörője, és számos generációs nagynyomású szivattyút fejlesztett ki. A Delphi szintén jelentős szereplő a közös nyomócsöves rendszerek piacán. A Denso, amely a Toyota csoporthoz tartozik, szintén vezető szerepet játszik a dízelmotorok nagynyomású üzemanyag-rendszereinek fejlesztésében. A Continental a Siemens VDO üzletágának átvétele után vált jelentős szereplővé a nagynyomású szivattyúk piacán.
Közös Nyomócső (Rail)
A Rail egy nyomástároló térfogat, ahonnan az injektorok kapják a nagynyomású üzemanyagot. Az üzemanyagnyomás értéke a Rail-ben cc. 1350 bar-ig terjedhet. Az első generációs common-rail motorok hengerei egyetlen közös, a hengersor mellett futó csőből kapják a gázolajat, ahol a nyomás nagysága 600 és 1200 bar közötti. Ennél rendszernél magasabb az előállítható nyomás (2000 bar), így jobb porlasztás valósítható meg, üzemmód függvényében állítható a szelepnyitás, így a befecskendezési karakterisztika. Az előállított nyomás csak kismértékben függvénye a fordulatszámnak.
Befecskendezők (Injektorok)
Az injektorok a tüzelőanyagot közvetlenül a motor égésterébe fecskendezi be. Az injektorok a rail-ből kapnak nagy nyomású tápellátást, rövid tüzelőanyag-csöveken keresztül. A motor-vezérlőegység az injektorba integrált szelepet vezérli, aminek hatására a befecskendező fúvókat nyit és zár. A hengerbe jutó tüzelőanyag-mennyiséget a rendszernyomás és az injektor nyitási ideje határozza meg. Állandó nyomáson a mennyiség a kapcsolószelep bekapcsolási idejével arányos, ezáltal a motor, illetve a szivattyú fordulatszámától független (idővezérelt befecskendezés).
A Common-Rail rendszerekben is zárt porlasztókat alkalmaznak, két a fő típus az mágnes szelepes, illetve a piezo aktuátoros porlasztók. A befecskendező szelepek nyitását és zárását a központi vezérlőegységtől kapott jelek felhasználásával a mágnesszelep vagy piezoelektromos elem vezérli. A kapott jel hatására beáramláskor kinyit a fúvókatű és megkezdődik a befecskendezés.
Elektromágneses Injektorok
Az elektromágneses befecskendezők esetén zárt helyzetben a vezérlőkamra rail-nyomáson van, mivel az elektromágnes aktuátor által mozgatott szervo-szelep lezárja annak eleresztő csatornáját. Az injektor-mágnesszelepen az EDC-vezérlőegység által történő beáramláskor kinyílik a fúvókatű és megkezdődik a befecskendezés. Az injektor-mágneszára nincs mechanikusan összekötve a fúvókatűvel, ezeket kizárólag rugó-, és hidraulikus erők mozgatják. A befecskendezés kezdetén az aktuátor kinyitja a vezérlőkamra eleresztő csatornáját, a vezérlőkamra nyomása csökken és a felboruló erő egyensúly miatt a fúvókatű kinyit és elkezdődik a befecskendezés. Ez addig tart amíg az aktuátor ismét le nem zárja az eleresztő csatornát, ekkor el kezd nőni a nyomás vezérlőkamrában és zár a befecskendező szelep.
Piezo Aktuátoros Injektorok
A piezo aktuátoros porlasztóknál alkalmazott úgynevezett 2/3-as szervo-szelep segítségével a befecskendezést megelőzően a fúvókát a vezérlőkamrában uralkodó rail-nyomás zárva tartja. A működtető elem vezérlésével kinyit a szervo-szelep és lezárja a megkerülő furatot. A kilépő- és a belépő fojtófuratok átfolyási mennyiségei közötti különbség hatására lecsökken a nyomás a vezérlő kamrában, a fúvóka pedig kinyit. A keletkező vezérlőmennyiség a szervoszelepen keresztül a teljes rendszer visszafolyó körébe kerül. A zárási folyamat bevezetéséhez a szervo-szelep újra kinyitja a megkerülő csatornát. A bemenő és a kilépő fojtásokon való fordított áramlással a vezérlőkamra újra feltöltődik, a vezérlőkamrában pedig megnő a nyomás. A piezo aktuátoros porlasztók kiegészülnek egy un. hidraulikus csatolóval.
A Rail-nyomás Szabályozása Common Rail Rendszerekben
Az adott rendszertől függően különféle nyomásszabályozási eljárásokat alkalmaznak a Common Rail rendszerekben.
1. Generáció: Szabályozás a Nagynyomású Oldalon
Az első common rail rendszereknél a nagynyomású oldali szabályzást alkalmazták. A Common Rail rendszerek első generációjánál a rail-nyomást a nyomásszabályzó szelep segítségével állítják. A nagynyomású szivattyú a tüzelőanyagigénytől függetlenül a maximális mennyiségű gázolajat szállítja, és a nyomásszabályzó szelep pedig a fölösleges mennyiséget visszavezeti a tüzelőanyag-tartályba. A személygépkocsi-rendszereknél a kívánt rail-nyomást egy nyomásszabályozó-szelep a nagy nyomás oldalán állítja be. A fölösleges tüzelőanyag mennyiség a nyomásszabályozó-szelepen keresztül visszafolyik az alacsony nyomású körbe. Ez a szabályozási megoldás a rail-nyomás gyors módosítását teszi lehetővé a motor munkapont váltása (pl: terhelésváltozás) esetén. A nyomásszabályzó-szelep ezekben az esetekben többnyire a railen van elhelyezve, egyes alkalmazásoknál közvetlenül a nagynyomású szivattyúra szerelik.
2. Generáció: Betáplálás Oldali Mennyiségszabályzás
A rail-nyomás szabályzásának egy másik módszerénél a betáplálási oldalon végeznek mennyiségszabályzást. A nagynyomású szivattyúra rögzített mennyiségszabályozó egység feladata, hogy a szivattyú pontosan annyi tüzelő anyagot szállítson az elosztócsőbe, amennyivel a rendszer az előírt befecskendezési nyomást tudja fenntartani. A második generáció a rail nyomást az alacsony nyomású oldalon az adagoló szelep segítségével szabályoz így a nagynyomású szivattyúnak csak annyi gázolajat kell szállítania, amennyire a motornak ténylegesen szüksége van. Meghibásodás esetén egy nyomáskorlátozó szelep akadályozza meg a túlságosan nagy rail-nyomás kialakulását. A szívóoldalon megvalósított mennyiségszabályozással kevesebb tüzelőanyagot kell nagy nyomásra sűríteni, ezáltal a szivattyú teljesítményfelvétele is kisebb. Ennek pozitív hatása van a tüzelőanyag-fogyasztásra. Az eljárás további kedvező hatása, hogy a tartályba visszafolyó tüzelőanyag hőmérséklete alacsonyabb, mint a nagy nyomás oldalán végzett szabályzás esetében. A túl magas rail nyomás biztosításáról a nyomás korlátozó szelep gondoskodik.
3. Generáció: Két Szabályzóelemes Rendszer
A két szabályzóelemes rendszer az adagoló egységgel megvalósított szívóoldali nyomásszabályozást és a nyomásszabályzó-szeleppel végzett nagy nyomású szabályzást kombinálva egyesíti a két rendszer előnyeit. A második generációs rendszereknél a nyomást csak az alacsony nyomású oldalon lehet szabályozni. A terhelés csökkenése esetén túl hosszú időt vesz igénybe a nyomás lecsökkentése a rail-ben, túl nagy a nagynyomású rendszer tehetetlensége. Ezért a harmadik generációs Common Rail rendszernél az alacsony nyomású oldalon lévő adagoló szelep mellett egy nyomásszabályzó szeleppel egészül ki a rendszer. További előny, hogy hideg üzemmódban teljesen át lehet állni a nagynyomású szabályzásra, így elősegítve a rendszer bemelegedését.
Fejlett Befecskendezési Stratégiák és Nyomástartományok
A Common Rail rendszer hidraulikus teljesítménypotenciálja, a nyomás előállítás és a befecskendezés szétválasztása még nagyobb szabadságot ad a rendszernek az égési folyamat kialakításában: a befecskendezési nyomást a jellegmezőben tetszőlegesen lehet megválasztani. A jelenleg legelterjedtebb common rail rendszer 1600-2000 atmoszféra nyomást is képes létrehozni, így kiváló, egészen apró szemcséjű porlasztás lehetséges.
A Common Rail rendszer az elő befecskendezés, illetve a többszörös befecskendezés alkalmazásának köszönhetően lehetővé teszi, hogy tovább lehessen csökkenteni az emissziós értékeket, valamint lényegesen mérsékelhető az égés zajszintje. A rendkívül gyors működésű kapcsolószelepek többszörös vezérlésével egyetlen munkaciklus során akár öt részre bontott befecskendezés gyors befejezését biztosítja.
A korszerű Common Rail rendszerek lehetősége a korai előbefecskendezés. Ennek során a fő dózis befecskendezése előtt egy kisebb tüzelőanyag dózist juttatnak az égéstérbe. A befecskendezett tüzelőanyag égése a gyulladási késedelem után beindul. Ennek hatására a fődózis gyulladási késedelme jelentősen csökken, így nem tud nagy mennyiségű tüzelőanyag elpárologni és felhalmozódni az égéstérben, azaz előkevert égési szakasz intenzitása csökken. Ez a tüzelőanyag nem feltétlen a befecskendezés után ég el, hanem jelentős késsel is eléghet. Segítségével egy belső füstgáz visszavezetést lehet megvalósítani, egy tüzelőanyagban szegény homogénhez közelítő égési folyamat zajlik le, amely elkészíti az égési folyamatot.
Szintén a Common Rail rendszerek lehetősége az utó-befecskendezések alkalmazása. A fő dózis után befecskendezett kisebb tüzelőanyag segítségével a részecske kibocsátás csökkenthető a kiégési folyamat növelésével. Ehhez kapcsolódik a kései utó-befecskendezés, amely célja elsősorban a füstgáz hőmérséklet növelése, ezzel a részecskeszűrő regenerálása.
A befecskendezési nyomás növelésével tovább csökken az emisszió. A káros anyagok kisebb mértékű képződése annak is köszönhető, hogy az injektor speciális geometriai kiképzése révén a tüzelőanyag nem hirtelen kerül az égéstérbe, mint ahogyan az eddig történt, hanem emelkedő nyomással fecskendezik be. Ez a befecskendezési eloszlás az égés egyenletesebb lefutását biztosítja kisebb csúcshőmérsékletekkel, ennek megfelelően kevesebb nitrogénoxid képződésével. Javul ugyanakkor a tüzelőanyag-keverék előkészítése is, így csökken a koromképződés. A jelenleg beépített rendszerekhez hasonlóan a 4. generációs Common-Rail is lehetővé teszi a többszörös befecskendezést, ami a részecskeszűrők regenerálásához szükséges.
A Common Rail Nyomás Fejlődése Generációkon Keresztül
A Common Rail rendszerek folyamatos fejlesztés alatt állnak, egyre növelve a befecskendezési nyomást a jobb teljesítmény és alacsonyabb emisszió érdekében.
| Befecskendező Rendszer Típusa | Maximális Nyomás (bar) |
|---|---|
| Soros adagoló szivattyú | 650 |
| Elosztórendszerű adagoló szivattyú | 700 |
| Radiál dugattyús elosztórendszerű adagoló szivattyú | 1100 |
| Common Rail 1. generáció | 600 - 1350 |
| Common Rail 3. generáció (piezo) | 1600 - 2000 |
| Common Rail 4. generáció (hidraulikus erősítéssel) | Akár 2500 |
A FIAT a kilencvenes évek közepén fejlesztette ki az első common-rail, azaz közös nyomócsöves dízelmotort. Az innovatív piezo-inlinetechnikán és az 1600 bar-os rendszernyomáson alapuló 3. generációs Common-Rail rendszert 2003-ban dobták piacra. Egészen napjainkig impozáns módon mutatta a fejlődés dinamikáját. A Bosch ezt a generációt fejleszti tovább, a 2000 bar-os befecskendezési nyomás elérésére.
Az összes személygépkocsi-osztálynál használható, mégis igényesebb megoldások érdekében a Bosch jelenleg a 4. generációs Common-Rail rendszerek kifejlesztésén dolgozik. Ezek piaci bevezetésére előreláthatólag 2008-ban került sor. Személygépkocsiknál először fognak olyan dízel befecskendező injektort alkalmazni, amelyben hidraulikus erősítés van. Az injektorba egy átalakító dugattyút építenek, ami a Rail-ben kialakuló nyomást erősíti fel, így akár 2500 bar-os befecskendezési nyomást is lehetővé tesz. Ezzel a technológiával a személygépkocsiknál jóval alacsonyabb értékeken tartható a vezetékekben szükséges nyomás, így az könnyebben ellenőrizhető. A nyomás értékét csak az injektorban emelik a szükséges rendkívül magas szintre.
tags: #common #rail #befecskendezesi #nyomas #magyarázat