Common rail -indsprøjtning

Common rail -system på en lastbilsmotor
Common rail -system på BMW motor N47D20

I common rail , som også hukommelsesindsprøjtning kaldes, er injektionssystemer til forbrændingsmotorer , hvor en højtrykspumpe bringer brændstoffet til et højt tryk. Brændstoffet under tryk fylder et rørsystem, der konstant er under pres, når motoren kører.

Udtrykets oprindelse

Udtrykket common rail kommer fra engelsk og står for common distribution pipe . Det beskriver brugen af ​​et fælles højtryksbrændstofreservoir, normalt i form af et rør, hvortil injektionsdyserne (injektorer) er forbundet til at forsyne cylindrene med brændstof.

anvendelsesområde

Injektion i common rail -processen

Grundidéen er fuldstændig adskillelse af trykdannelsen fra selve injektionsprocessen. På denne måde er en indsprøjtning udelukkende styret af karakteristiske kort mulig. Indsprøjtningstidspunkt og injektionsmængde reguleres af en elektronisk motorstyring . Dette aktiverer elektrisk en ventil pr. Cylinder (individuel cylinder), den såkaldte injektor , som erstatter de konventionelle indsprøjtningsdyser fra klassiske dieselenheder.

Injektionsprocessen ved afslutningen af ​​kompressionsslaget er opdelt i tre grupper:

  • pilotinjektion; Op til to forudindsprøjtninger er mulige for jævn motordrift
  • hovedinjektionen, som stadig kan opdeles i den første og anden hovedinjektion
  • og efterinjektionen, som kan bruges til at reducere dannelsen af ​​sod inde i motoren, for en lav NO x -værdi i SCR-katalysatorer eller til at brænde dieselpartikelfiltre af .

Forskelle ved klassisk indsprøjtning

Motorer med en in-line eller fordelerinjektionspumpe har en separat højtryksledning til hver cylinder mellem injektionspumpen og injektionsdysen . Disse højtryksledninger er ikke forbundet med hinanden. Injektion ved dysen i en cylinder udløses direkte af en tilhørende pumpeproces af injektionspumpen.

Med den klassiske indsprøjtningspumpe (in-line pumpe , multistempelpumpe, dvs. et pumpeelement pr. Cylinder) afhænger indsprøjtningsmængden og varigheden, dvs. højden af ​​det effektive stempelslag på injektionspumpen, ikke af krumtapvinklen , fordi stemplerne drejes med speederpedalpositionen og har en anden effektiv slaglængde opnået ved en omkredsen skrånende kant (= betjeningskant) på stemplet, når speederen ikke trækkes ned, starter højtryksleveringen senere eller slutter tidligere. Det betyder, at mindre brændstof pumpes og sprøjtes med et lille momentbehov. Konstruktionsprincippet for inline- og fordelerpumperne tillader kun én indsprøjtning pr. Arbejdscyklus; Begyndelsen og slutningen af ​​injektionen bestemmes af kontrolkantgeometrien og kan om nødvendigt forskydes sammen af ​​en injektionsjustering.

Situationen er anderledes med common rail -teknologien: Her kan injektionsmængden og -varigheden styres elektronisk uafhængigt af krumtapvinklen og dermed er pre-, main- og post -injektioner også mulige; Fra 2012 kan op til otte separate delinjektioner implementeres pr. Motorens arbejdscyklus. Forindsprøjtningen bruges primært til at reducere forbrændingsstøjen, efterindsprøjtningerne bruges til at reducere partikler inde i motoren eller til at øge udstødningstemperaturerne i afbrændingscyklusser, hvis tryktabet i fint støvfilter (sodpartikler) filter) i udstødningssystemet er for højt.

Kort før den triumferende fremgang af common rail-indsprøjtningssystemer var fordelerindsprøjtningspumper (BOSCH VP44 radialstempelpumpe samt VP30 og VP37 aksialstempelpumpe) også udstyret med højtryksmagnetventiler til mængdemåling. Denne teknologi gør det muligt at påvirke indsprøjtningsprocessen, der er direkte forbundet med krumtapvinklen, under brændstofets kompressionsfase gennem ventilen og forårsage en pulsering af brændstofsøjlen mellem pumpestemplet og indsprøjtningsventilen under et stempel slag. Dette gjorde det muligt også at implementere op til tre indsprøjtningsprocesser pr. Arbejdscyklus i fordelerpumpeteknologi. Imidlertid blev de mulige frihedsgrader for et common rail -system ikke opnået med det.

historie

I 1937 udviklede Prosper L'Orange ideer til direkte indsprøjtning i dieselmotorer . Common-Rail opstod blandt andet fra forskning ved ETH Zürich mellem 1976 og 1992, men er endnu ikke blevet brugt på et køretøj der. Ved kontinuerligt at pumpe dieselolie ind i et centralt trykrør genereres et højt indsprøjtningstryk på over 1000 bar. Denne common rail fungerer som et reservoir for alle injektorer.

En udviklingsafdeling for Aken -injektionsenheden, WTZ Dieselmotoren Roßlau og SKL Magdeburg -virksomheder arbejdede på et elektronisk styret dieselindsprøjtningssystem (EDES) til stationære dieselmotorer i 1970'erne. Da skinnetrykket næppe ændres i løbet af en indsprøjtning, blev udtrykket konstant-trykindsprøjtning oprindeligt brugt. På Leipzig-messen i 1981 præsenterede SKL hele motoren 6 VDS 26/20 ALE-2 som et common rail-system efter vellykket udholdenhedstest over flere tusinde timer. Denne dokumentation viser, at motoren også blev betjent med let tunge fyringsolie (36  cSt ). Brændstofforbruget blev reduceret med 9 g / kWh og udstødningsgassens opacitet til 60%. Den elektroniske kontrol fungerede med bemærkelsesværdig hastighed og præcision.

Verdens første common rail -dieselmotor til et vejkøretøj var MN 106 -motoren fra VEB IFA Motorenwerke Nordhausen, som blev installeret i en modificeret IFA W50 -lastbil . Den 16. maj 1985 kørte W50 for første gang på en offentlig vej i Chemnitz. 17.000 km var blevet tilbagelagt i 1986. I DDR blev systemet kaldt EDES ("Electronic Diesel Injection System"). På grund af mangel på økonomiske ressourcer blev udviklingen annulleret. Efter en restaurering blev motoren udstillet i August Horch Museum indtil marts 2014 . Motoren har været udlånt på IFA Museum i Nordhausen siden 2014.

I 1980'erne begyndte forberedelsen af ​​Unijet common rail -systemet baseret på resultaterne af ETH. Systemet blev udviklet af Magneti Marelli , Centro Ricerche Fiat og Elasis indtil 1993. Problemer med injektorernes tolerancer forhindrede imidlertid oprindeligt planlagt serieproduktion. Bosch købte patenterne i slutningen af ​​1993 og videreudviklede common rail -systemet, indtil det var klar til serieproduktion. Ti år efter den første bil med direkte indsprøjtning ( Fiat Croma TD id) kom det første vejkøretøj med common rail -indsprøjtning på markedet i oktober 1997: Alfa Romeo 156 JTD . Kort før, i september 1997, gik MTU's BR4000-motorserie til jernbane- og off-highway-applikationer med et common rail-system fra L'Orange i serieproduktion.

I 1998 var Daimler-Benz den første tyske producent, der fulgte med OM 611 . BMW tilbød også en common rail -motor med BMW M57 . Samme år startede Citroën også udviklingen og introducerede sit eget system med C6 .

Den PSA Peugeot Citroën-koncernen , i samarbejde med Siemens, bragte de første piezo injektorer på markedet. Med piezo -teknologiens korte reaktionstider kan indsprøjtningstiderne kontrolleres mere præcist og hurtigere. Op til otte injektioner er mulige pr. Forbrændingsproces. Dette forbedrer forbrændingsprocessen og de akustiske køreegenskaber yderligere, motoren opnår lavere emissionsværdier og lavere forbrug med samme effekt.

De vigtigste leverandører af common rail -systemer i dag er Bosch , L'Orange , Delphi , Denso , Magneti Marelli og Continental .

Afledte systemer

Den Mitsubishi Carisma GDI (direkte benzinindsprøjtning) var den første serie bil med stratificeret direkte brændstofindsprøjtning at ramme markedet i 1997.

Blandt andet er VW (med leverandøren Bosch) en af ​​repræsentanterne for direkte benzinindsprøjtning i tilfælde af biler med benzinmotorer. Også her forsyner en brændstofskinne (common rail) de elektrisk betjente højtryksindsprøjtningsventiler placeret under indløbskanalen i topstykket. Ved 200 bar (20 MPa ) er brændstoftrykket imidlertid relativt lavt i forhold til dieselindsprøjtning. I de senere år er en stor del af VW / Audi motorprogrammet blevet konverteret til teknologien kendt som FSI eller TFSI .

Diesel common rail -systemet

System overblik
Common rail højtrykspumpe

Diesel common rail -systemet er kendt som akkumulatorindsprøjtning. En højtrykspumpe fastholder kontinuerligt brændstoftrykket i fordelerrøret. Det er normalt mekanisk koblet til motoren. Højtrykspumpens ydelse er konstrueret på en sådan måde, at der kan tilføres mere brændstof end motoren har brug for til enhver tid og under alle driftstilstande. Det betyder, at pumpen er for stor til normal drift. En trykreguleringsventil bruges til at regulere trykket i uregulerede pumper. Som følge heraf kan brændstoffet ved trykreguleringsventilen varme op til 140 ° C eller mere, hvilket kan beskadige eller ødelægge brændstofbærende dele og gøre brug af en brændstofkøler nødvendig. Den største ulempe ved dette system med en ureguleret pumpe og trykreguleringsventil ud over den brændstofkøling, der kan være påkrævet, er pumpens høje effektbehov, som altid leverer den maksimale mængde brændstof.

Højtrykspumper med elementafbrydelse repræsenterer en forbedring.Højtrykspumpens individuelle pumpeelementer slukkes, så længe de resterende aktive pumpeelementer kan dække motorens brændstofbehov. Med dette system reduceres pumpens overskydende effekt delvist, det resterende overskud skal stadig styres af en trykreguleringsventil.

Systemer med såkaldt sugegasregulering kan betjenes uden trykreguleringsventil. Med dette princip tilføres kun så meget brændstof til højtrykspumpen, som det er nødvendigt for at opretholde det ønskede tryk i skinnen. Energibehovet til at generere højt tryk er derfor så lavt som muligt, og fjernelsen af ​​trykreguleringsventilen og den varme, der dannes der, betyder, at brugen af ​​en brændstofkøler kan undgås.

Kombinationen af ​​sugegasestyringen med en trykreguleringsventil på højtrykssiden muliggør ydeevneoptimeret drift, en hurtig trykreduktion i overløbstilstand og kan også bruge den mængde, der styres af trykreguleringsventilen til at opvarme brændstoffet (f.eks. Om vinteren ).

Opbevaring

Dieselolie er komprimerbar. Common rail -systemet bruger denne komprimerbarhed til at dæmpe trykstigningerne fra slagene på de enkelte pumpestempler. En større lagervolumen muliggør et mere jævnt tryk med lavere tryk. Dette fører imidlertid til et mere trægt system, da pumpen har brug for mere tid til at indstille et andet påkrævet tryk. Udjævning af leveringstrykket forhindrer en trykbølgetoppe i at være aktiv på en injektor i løbet af sin injektionsfase, og der injiceres således mere brændstof end angivet af kortet, mens et trykbølgetrug er aktivt på en anden injektor og derfor injicerer mindre. Et hurtigt system er påkrævet for at injicere den optimale mængde brændstof, selv når belastningen og driftsbetingelserne ændres.

Trykakkumulatorens volumen integreret direkte i højtrykspumpen, selve skinnen og, hos forskellige producenter, en trykakkumulator pr. Injektor, der er placeret så tæt som muligt på injektoren, fungerer som akkumulatorer.

Opnåeligt pres

Skinnetrykket ( dvs. trykket i trykakkumulatoren) på maksimalt 300 MPa (3000 bar ) kan bruges til meget høje indsprøjtningstryk.

Nogle producenter arbejder også på et trykforstærket common rail-system. Injektionstrykket øges ved hjælp af et lavere tryk i trykakkumulatoren under injektionsfasen til tryk på i øjeblikket op til 250 MPa (2500 bar) ved dysen. Trykforstærkningen udføres af en hydraulisk trykforstærker med kontrolfunktioner integreret i injektoren. Princippet er også kendt som Amplified Pressure Common Rail System (APCRS). Den lavere trykbelastning på højtrykspumpen, som kun skal levere det lavere forsyningstryk i skinnen, er her en fordel. Det betyder, at de trykafhængige lækagetab i pumpen og injektoren også er lavere. Ulemper er den påkrævede højere leveringshastighed for højtrykspumpen og yderligere hydrauliske tab på grund af trykforøgelsen, samt de større udgifter på grund af mere komplekse injektorer. Et sådant system fra Bosch har været i serieproduktion til erhvervskøretøjsmotorer fra Daimler Trucks siden 2011.

Formål og fordele

  • Common rail -indsprøjtning optimerer forbrændingsprocessen og motorens egenskaber og reducerer partikelemissioner . På grund af det meget høje tryk atomiseres brændstoffet meget fint. Små brændstofdråber har et stort overfladeareal i forhold til deres volumen. På den ene side favoriserer dette hastigheden af ​​forbrændingsprocessen og på den anden side en lav partikelmasse i emissionerne. Som en ulempe er procentdelen af ​​små partikler større, hvilket bidrager til problemet med fint støv .
  • Højtrykspumpen, der drives af forbrændingsmotoren, bringer brændstoffet, der leveres af systemet før levering (i nuværende systemer i personbiler, normalt en elektrisk førleveringspumpe, i lastbiler normalt en mekanisk pumpe) fra tanken til den nødvendige indsprøjtning tryk i trykakkumulatoren angivet af styreenheden. Injektorerne (injektionsdyser) er forbundet til det fælles højtryksfordelingsrør (brændstofskinne) og indsprøjter brændstoffet direkte i forbrændingskammeret.
  • Common rail -indsprøjtning har strukturelle fordele. På den ene side er der afkoblingen mellem trykdannelse og injektionskontrol sammenlignet med injektion ved hjælp af en injektionspumpe eller pumpedysesystem : Med et CR-system kan indsprøjtningstiden frit vælges. På den anden side skal der tages mindre hensyn til placeringen af ​​de eksisterende hjælpedrev ( tandrem , tandkæde osv.) For trykgeneratorenheden .

Injektionsydelse

For permanent at opretholde det høje skinnetryk skal motoren anvende en vis pumpekapacitet afhængigt af forbruget.

Illustrerende eksempel til beregning af den hydrauliske effekt ved indsprøjtningsprocesserne

Givet er:

  • Gennemsnitligt forbrug: 5 dm ³ pr. 100 km ved 160 km / t, hvilket svarer til 8 dm ³ på en time.
  • Common Rail -tryk: 1800 til 2200 bar
  • Grænseværdien er 1600 til 2500 bar. Højere eller lavere værdier kan normalt spores tilbage til:
    • Motor kold eller for varm
    • Underbelastning eller tomgang
    • Injektor meget beskidt
    • Injektionsvolumen ikke kompatibel med injektionskontrolenhed

Den nødvendige injektionskapacitet skyldes injektionsvolumen og trykstigning.

Følgende gælder for injektionens ydeevne:

heri:

  • Leveringshastighed, volumenstrøm pr. Tidsenhed
  • tryk
  • Driv pumpens effekt i watt
  • Effektivitet, i praksis altid mindre 1

og brugt:

p = 2.000 bar = 200.000.000 N / m²
: 1 (forenklet)

Den gennemsnitlige nødvendige effekt på 440 W (svarer til ca. 0,6 HK) kompenseres langt af effektivitetsforøgelsen ved direkte indsprøjtning (se der). Det skal tages i betragtning, at der ikke tages hensyn til interne lækager og returmængder, og at der kræves en større indsprøjtningsmængde og dermed mere effekt ved acceleration. I modsætning hertil er ingen pumpekraft nødvendig i overløbstilstand .

ulempe

  • I nogle common rail -systemer er der mere brændstof under tryk på forskellige driftspunkter eller endda i hele det brugbare motorkort, end der kræves til indsprøjtning, kontrol og lækage. Den overskydende mængde styres af en trykreguleringsventil og føres tilbage i brændstoftanken, hvilket skaber en høj ekspansionstemperatur. Den samlede motoreffektivitet reduceres med denne ydelse; temperaturen i afladningsmængden gør et temperaturresistent brændstofsystem og i nogle tilfælde brændstofkøling nødvendig. Som modforanstaltninger anvendes højtrykspumper med cylinderdeaktivering eller behovsbaseret højtrykslevering med brug af en sugegasemagnetventil. Som følge heraf kan brændstofkøling normalt undværes på grund af den lavere returstrøm til tanken.
  • Det permanente højtryk kan resultere i kontinuerlig indsprøjtning i tilfælde af en funktionsfejl i injektionsventilen (fastklemning eller kontaminering af dysen eller kontrolventilen). Ventiler og udstødningssystem kan som følge heraf overbelastes termisk med risiko for større motorskader eller endda motorbrand. Med klassiske systemer eller pumpedysesystemer er denne risiko betydeligt lavere, fordi højtrykket kun påføres midlertidigt. I tilfælde af store motorer er der en beskyttelse mod denne funktionsfejl ved hjælp af flowkontrolventiler, som forhindrer kontinuerlig indsprøjtning og dermed ødelæggelse af motoren og gør det muligt for motoren at fortsætte driften med de resterende cylindre.

Injektionskontrol

Injektorernes åbning ("indsprøjtningsdyser") udløses ikke af brændstoftrykket som i fordelerindsprøjtningssystemer eller glideventils injektionssystemer, men ved elektrisk styring, hvorved brændstoftrykket giver den væsentlige kraft til at løfte dysenålen . Injektionsprocessen kan påvirkes via varigheden og den aktuelle intensitet af injektorstyringen og ekstremt korte åbningstider kan opnås, hvilket muliggør en eller flere præinjektioner før hovedinjektionen eller en eller flere efterinjektioner efter hovedinjektionen. Forindsprøjtninger er også mulige som en engangsproces med fordelerpumper, der kan påvirkes elektronisk og med pumpedysesystemet . Til en vis grad forvarmer de forbrændingskammeret og fører dermed til en overordnet glattere forbrændingsproces for den følgende hovedindsprøjtning. Endvidere kan dannelsen af ​​nitrogenoxid reduceres ved hjælp af denne præinjektion, da blandt andet præinjektionen. den maksimale forbrændingstemperatur reduceres. Derudover er temperaturstigningen over tid noget mindre, hvilket beskytter motorkomponenterne og reducerer støjemissioner. En efterindsprøjtning efter hovedindsprøjtningen kan reducere partikelemissionerne i motoren. Yderligere nedstrøms injektioner kan bruges til at regenerere partikelfilteret.

Injektionsdyserne aktiveres elektromagnetisk eller piezoelektrisk, styret af den elektroniske motorstyringsenhed.

Kontrolenheden anvender signalerne fra flere temperatursensorer (kølevand, ladeluft og smøreolie), luftmassemåler, speederpedalpositionssensor, om nødvendigt lambdasonde, hastigheds- og fasesensor og skinnetryksensor til at beregne den nødvendige injektionsmængde eller injektionsvarighed og aktiverer injektorerne med de tilsvarende kontrolimpulser til start og varighed af injektion. Især i de mest moderne systemer bruges flere præinjektioner.

Både injektionstiderne og det respektive injektionstryk og i nogle tilfælde tidssekvensen kan indstilles næsten frit. Dette gør det lettere at tilpasse sig den respektive driftstilstand for forbrændingsmotoren.

I mellemtiden er der også tilvejebragt en eller flere efterinjektioner til afbrænding af sodpartikelfiltrene for midlertidigt at øge energiindholdet i udstødningsgasserne til forbrændingsprocessen.

Selvom common rail -systemet har gjort et stort spring fremad med hensyn til udstødningsgasadfærd og især dieselmotorers driftsadfærd, kræver dette et meget højere antal komponenter, hvilket resulterer i meget høje krav til deres pålidelighed og øger systemets kompleksitet.

fordeling

Vejkøretøjer

Næsten alle bilproducenter bruger nu common rail -systemet. Alle har deres egne forkortelser . Den Volkswagen Group , som i lang tid har påberåbt sig den konkurrerende pumpe-dyse (PD) systemet, har i høj grad skiftet til common rail. Det var håbet, at pumpedysens konkurrencesituation (Siemens VDO Automotive konkurrerede mod Bosch ; siden 2008 Continental Automotive Systems ) ville resultere i mere livlig konkurrence og frem for alt forsøge udstødningsgrænseværdier uden at bruge PD -systemet, som oprindeligt var teknisk overlegen med hensyn til de opnåelige injektionstryk Opnå partikelfiltre. Pumpedysemotorer har en lille forbrugsfordel, især sammenlignet med common rail-motorer med en ureguleret højtrykspumpe, fordi der ikke genereres en overskydende højtryksmængde.

Siden 2007 har akkumulatortrykket i common rail -systemer indhentet PD -systemets, og den stigende spredning har reduceret systemomkostningerne til CR -systemet. Derudover tillader pumpedyseelementet maksimalt tre indsprøjtninger, der er tæt på hinanden pr. Arbejdscyklus, mens piezo -injektorerne i common rail -systemet kan realisere op til otte indsprøjtninger, der er længere fra hinanden pr. Motorcyklus. Det er derfor umuligt at nå Euro 6-emissionsstandarden (gældende fra 1. september 2014) med pumpedysesystemet, og videreudvikling med denne ekstra konstruktive og økonomiske udgift til en PD-enhed i personbilområdet var derfor uøkonomisk.

Pumpelinjedysesystemer kan derimod stadig findes i erhvervskøretøjsmotorer fra DAF og på de firecylindrede motorer i Mercedes-Benz Atego . I moderne tunge erhvervskøretøjer er common rail nu topmoderne og bruges også i stort antal i serieproduktion (eksempel: MAN Truck & Bus ). På grund af brugen af ​​personbils -dieselmotorer i lette erhvervskøretøjer stiger andelen af ​​common rail -systemer også her.

Et common rail -system kan også bruges til direkte benzinindsprøjtning med betydeligt lavere systemtryk. Dannelsen af ​​dampbobler spiller en vigtig rolle her. Benzin- og dieselindsprøjtningssystemer er også konstrueret forskelligt med hensyn til smøreegenskaberne af komponenter, der bevæger sig mod hinanden, såsom glidelejer, pumpeelementer og belægninger. Fra et teknisk og økonomisk synspunkt er standardisering af de to systemer derfor kun mulig med få underkomponenter.

Der er flere udbydere på markedet. Vigtige kvalitetsegenskaber ved indsprøjtningssystemer inkluderer trykopbygningshastighed, effektivitet, afvigelse af indsprøjtningsmængde, controllerens kvalitet, støjemissioner og holdbarhed.

Store motorer

Ud over dets anvendelse i motorkøretøjer (højhastighedsmotorer) bruges common rail-indsprøjtning også i store dieselmotorer, det vil sige i firetakts mellemhastighedsmotorer og totakts lavhastighedsmotorer, der bruges f.eks. som marin diesel . Hovedapplikationen er forsendelse, hvor selv stærkt viskøse brændstoffer - tung olie kaldet (Heavy Fuel Oil = HFO med viskositeter op til 700 cSt ved 50 ° C) - forbrændes. L'Orange, Bosch og Heinzmann er de eneste virksomheder, der også tilbyder common rail -teknologi til tunge oliemotorer. L'Orange har produceret til MTU Series 4000 -motorer siden 1996 . Wärtsilä og Caterpillar (for mærket MaK) arbejder sammen med L'Orange, MAN Diesel i Augsburg udvikler sammen med Bosch.

Flymotorer

Derudover bruges common rail -teknologi også i flymotorer , for eksempel i Thielert Centurion 1.7 .

litteratur

  • Max Bohner, Richard Fischer, Rolf Gscheidle: Ekspertise i bilteknologi. 28. udgave, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten 2001, ISBN 3-8085-2238-0 .
  • Jan Drummans: Bilen og dens teknologi. 1. udgave, Motorbuchverlag, Stuttgart 1992, ISBN 3-613-01288-X .

Weblinks

Commons : Common Rail Injection  - Samling af billeder, videoer og lydfiler

Individuelle beviser

  1. Hans-Jürgen Grönke : På industrihistorie i det sydlige Harzen , Lukas-Verlag, Berlin 2016, ISBN 9783867322232 , s 355 ff..
  2. Pressemeddelelse Bosch
  3. Den nye generation af tunge motorer fra Mercedes-Benz . I: Mercedes-Benz Passion Blog . 25. marts 2011 ( mercedes-benz-passion.com [adgang 31. januar 2017]).