08 Mar Forklaring av delsystemene – Common Rail

Common Rail

Hovedprinsippet bak et Common rail system, er at trykket alltid står klart ute ved dysespissen, og at det er varierende maksimaltrykk i systemet avhengig av for eksempel turtall og belastning på motoren.

Alle Common rail systemer er bygget opp etter dette prinsippet. Forskjellene på de enkelte systemene er derfor svært små.

De viktigste forskjellene ligger i høytrykkspumpens utforming og funksjon, og i matesystemets oppbygging. Injektorene er også under stadig utvikling, og har endret seg fra magnetventilstyrte injektorer, som ble brukt på de første systemene, og til såkalte piezoelektriske injektorer, hvor den ”trege” magnetventilen er byttet ut med et mye raskere piezoelement.

Bildet viser et Bosch Common rail system med trykkregulatoren montert på høytrykkspumpen. Railen har overtrykksventil.

Bildet viser et Delphi Common rail system.  Systemet har to styresentralen . Den ene har tar seg av motorstyringen, og den andre er en slavesentral for styring av injektorene.

 

1. Høytrykkspumpe

2. Sylinderutkoblingsventil

3. Trykkregulator

4. Filter

5. Tank

6. Styresentral

7. Batteri

8. Rail

9. Trykksensor

10. Drivstofftemperatursensor

11. Injektor

12. Kjølevæsketemperatursensor

13. Turtall/posisjonsgiver

14. Gasspedalgiver

15. Fasesensor

16. Luftmassemåler

17. Turbotrykksgiver

18. Lufttemperatursensor

19. Turbo

 

Lavtrykksystem

Lavtrykksystemet på et Common rail system, består av tank, med eller uten elektrisk matepumpe, rørsystem og filter. Har bilen mekanisk matepumpe ( f.eks. Mercedes 1. gen. CR) vil den i tillegg ha en nødstoppventil. Enkelte produsenter har også drivstoff forvarming.

På retursiden finnes ofte en drivstoffkjøler. Drivstoffet som føres inn i høytrykkspumpen vil også smøre denne. Det sitter derfor en overstrømningsventil i høytrykkspumpen, som sørger for at kamhuset får trykk før høytrykksstemplene blir tilført diesel. Dette vil hindre at eksenterkammen skades på grunn av dårlig smøring.

 

Matepumpe

Common rail leveres med tre typer matepumpe. Den elektriske som sitter i, eller i nærheten av drivstofftanken, og den mekaniske, som sitter plassert på motoren, eller inne i høytrykkspumpen.

Som oftest er det kun en av pumpene som benyttes, men det finnes bilprodusenter som benytter seg av for eksempel både elektrisk og mekanisk.

Bildet viser en mekanisk matepumpe (tannhjulspumpe).

Stoppmagnet (nødstopp)

For de bilene som kun har mekanisk matepumpe er stoppmagneten obligatorisk.

Den sitter normalt på tilførselssiden til matepumpen, og slår kun inn ved alvorlige mengdereguleringsfeil.

 

DRIVSTOFFORVARMER

Temperaturen på drivstoffet i tanken er svært varierende. For å unngå at denne variasjonen påvirker drivstoffmengden som sprøytes inn i motoren er det i tillegg til en drivstofftemperaturføler satt på en drivstofforvarmer for å øke drivstofftemperaturen dersom den ligger under et bestemt nivå. Svært kaldt drivstoff vil også gi en dårligere smøring av de mekaniske komponentene i systemet.

Drivstofforvarmeren er vanligvis styrt via en bimetalventil eller en vokstermostat.

 

DRIVSTOFFKJØLER

Drivstoffet som kommer fra motoren har vært igjennom pumpe, dyser og til og med topplokk på enkelte systemer. Dette gjør at temperaturen på drivstoffet kan stige til opp mot 130 grader C. Dersom drivstoffnivået i tanken er lavt. vil det varme drivstoffet som kommer i retur ikke ha noe drivstoff å blande seg med og vil derfor kunne skade tanken, som i dag, som regel er laget av plast. Enkelte bilprodusenter setter inn en metallbeholder i tanken for å ta i mot det varme drivstoffet. Drivstoffet som kommer tilbake fra motoren blandes her med det drivstoffet som allerede befinner seg i tanken ved hjelp av en pumpe montert i tanken.

 

Drivstofftemperaturgiver

For å kunne beregne riktig innsprøytningsmengde må styresentralen vite drivstoffets temperatur. Varmt drivstoff vil utvide seg, og derfor vil effekten av en liter drivstoff bli lavere når drivstoffet er varmt. Vi får altså færre kalorier inn i forbrenningsrommet dersom innsprøytningstiden ikke økes.

Drivstofftemperaturgiveren er en NTC motstand. Det vil si at motstanden synker ved stigende temperatur. Se også kapittelet om temperaturgivere.

HØYTRYKKSPUMPE

Høytrykkspumpene som benyttes i Common rail systemer  til personbiler er som regel en tre-sylindret stjernepumpe eller en radialstempelpumpe. En to eller tresylindret rekkepumpe benyttes for større motorer.

Den første høytrykkspumpe som vi skal ta for oss her, benytter seg av en trykkregulator for å redusere trykket som kommer ut av pumpen. Den har også topplokk over hver av høytrykkstemplene. Senere kom samme type pumpe uten topplokk, men med en plugg skrudd ned over sylinderen. Dette fjernet problemet med lekkasjer mellom pumpens hus og topplokk.

 

Den siste versjonen høytrykkspumpe reduserer trykket i høytrykksystemet ved å variere mengden drivstoff som slippes inn til høytrykkspumpen. Den siste metodens fordel, er at temperaturen i drivstoffet reduseres fordi det stort sett kun er det drivstoffet som skal inn i forbrenningsrommet, som bringes opp i det høye trykket.

Det resterende drivstoffet går tilbake til tank via retursystemet. Den effekten høytrykkspumpen trekker fra motoren vil også betraktelig ved en slik metode reduseres

.

 

STJERNEPUMPE.

Pumpen består av pumpehus, topplokk, kamaksel, tre høytrykksstempler med returfjærer, samt inn og utgangsventiler.

Pumpen kan også leveres med trykkregulator montert på pumpen, samt en sylinderutkoblingsventil for lave turtall.

Høytrykkspumpen drives av motorens register og det maksimale turtallet på pumpen er ca 3000 0/min. Pumpen sitter plassert vendt forover eller bakover på motoren,

og monteres uten noen form for justering.

Smøring og kjøling av pumpen er det drivstoffet som tar seg av. Det er derfo

r viktig at systemet ikke kjøres tomt. Dette er det ovestrømningsventilen  i høytrykkspumpen som sørger for ved å stenge tilførselen til høytrykkssystemet dersom trykket i matesystemet synker til under ca 1 bar.

Uten tilførsel stopper motoren.
Ved bytte av høytrykkspumpe, husk å fylle pumpen med drivstoff før den trekkes rundt. Høytrykkspumpen kontrolleres ved å måle trykket/spenningen på railtrykkssensoren med injektorene frakoblet. Når starteren går skal trykket komme opp i minimum 0.8 volt/150bar.

 

TRYKKREGULERINGSVENTIL

 

Trykket i systemet styres via motorens styresentral uavhengig av motorens turtall og belastning. Det vil likevel ligge lavt på tomgang (ca 250 bar) og høyt på fullast (ca 1350/1600/1800 bar).

Trykkreguleringsventilen er plassert enten på høytrykkspumpen eller på railen. Den styres med hjelp av et PWM signal med en frekvens på 1kHz fra styresentralen. Ved feil i trykkreguleringsventilen vil motoren stoppe. Dette fordi styresentralen da ikke har noen mulighet til å redusere trykket dersom det skulle bli for høyt.

Det er signalet fra trykksensoren, styresentralen benytter seg av for å bestemme hvor høyt trykket i systemet skal reguleres.

Stor lekkasje på trykkreguleringsventilen, vil kunne gi lavt trykk under høytrykkskontrollen beskerevet under ”høytrykkspumpe”.

 

1. Kuleventil

2. Anker

3. Returdrossel

4. Stabeliseringsfjær

5. Reguleringsspole.

6. Trykkregulator.

7. Ankerplate

Bildet viser trykkregulatorens styringssignal ved tomgang.

Bildet viser trykkregulatorens styringssignal ved gasspådrag uten belastning.

 

Mengdebegrensningsventil

2. genrasjon Common rail systemer, har en begrensning av tilførselsmengden til høytrykkspumpen. Denne endringen gjør at man unngår å bygge opp trykk i drivstoff som ikke skal benyttes i forbrenningen, men kun sendes tilbake til tanken.

Dette reduserer også pumpens effektbehov. Mengdebegrensningsventilen er normalt åpen, og vil om styesignalet uteblir tillate full mengde inn i høytrykkspumpen. Dette vil for enkelte systemer gi fullt trykk i systemet ved bortfall av denne.

Noen motorprodusenter benytter både mengdebegrenser og trykkreguleringsventil.

Dette gir et mer nøyaktig trykk, samt en bedre nødkjøringsfunksjon.

Bildet viser mengdebegrenserens signal ved tomgang i et system med både mengdebegrenser og trykkregulator.

Bildet viser signalet til mengdebegrenseren ved gasspådrag og varm motor, på en motor med både mengdeberenser og trykkregulator.

 

SYLINDERUTKOBLINGSVENTIL

Sylinderutkoblingsventilen benyttes av noen motorprodusenter (eks. Citroen, Peugeot)

For å slippe å bygge opp trykk i alle tre sylinderene i høytrykkspumpa ved lave turtall, er det satt på en utkoblingssolenoid på den ene sylinderen.

Denne vil ved tomgang og lave turtall ved mengder under 1/3 av motorens maksimalmengde. bli aktivert av et 12 volt spenningssignal fra styresentralen.

Når turtallet stiger til for eksempel 1100 o/min vil solenoiden ikke lenger bli styrt og kobler dermed inn igjen sylinderen.

 

RAIL

Railen/samlerøret eller trykkakkumulatoren er nøyaktig tilpasset mengden drivstoff motoren har behov for.

Det skal til en hver tid være nok drivstoff i railen til å forsyne motoren med det den behøver uten at trykket synker.

Railen må også være så stor at den demper de trykkpulsene som skapes av høytrykkspumpen, og når injektorene åpner. Railen må heller ikke være så stor at det tar for lang tid å bygge opp trykket i systemet ved start.

Legg merke til rørtilkoblingene på railen. De er lagt under senter av railen, for å gi en riktigvirvelstrøm innvendig.

 

Trykkrør

 

 

Trykkrørene i et Common rail system er nøyaktig tilpasset, og må ikke byttes ut med deler som ikke er laget til systemet det skal benyttes på.

Bøying av rør er ikke tillatt.

Det er også viktig at tettekonusen i begge ender er uten skader. Når rørene etter en eventuell reparasjon skal byttes er det viktig at de blir montert uten at det oppstår spenn eller andre spenninger i rørene.

Dette gjør du ved å skru til rørene litt på hver side om gangen, slik at det ikke oppstår spenninger i røret.

De fleste motorprodusenter anbefaler bytte av rør når de har vært demontert.

Dersom røret ikke blir byttet skal det settes på samme sted det satt før demontering.

 

TRYKKSENSOR

Trykksensorens oppgave er å gi styresentralen informasjon om det eksakte trykket i systemet til en hver tid. Denne informasjonen trenger styresentralen for å kunne styre trykkregulatoren riktig.

Trykksensoren er av typen piezoelektrisk element. En nøyaktig beskrivelse av et slikt element er beskrevet i kapittelet om komponenter.

Trykksensoren som benyttes i et Common rail system er i stand til å måle trykk mellom 0 og 1800 (0,5-4,5 volt) med en nøyaktighet på ca 1%.

Feil/feilsøkning

Skulle det oppstå en feil i trykksensoren vil egendiagnosen styre trykkregulatoren etter et nødkjøringsprogram. Trykket vil da holdes så lavt at det aldri er fare for å skade motoren, for eksempel 400 bar.

Er spenningssignalet ut av trykksensoren under 0,2 volt eller over 4,8 volt er sensoren defekt.

Starter ikke motoren, kan du bruke signalet fra trykksensoren for å teste om trykket i systemet er høyt nok for at motoren kan starte. Trykket må være over 150 bar eller 0,8 volt dersom målingen skjer direkte på sensoren.

Er trykket/spenningen for lav må tilførselssystem og høytrykkssystemet kontrolleres.

Reparasjon:

Trykksensoren kan ikke repareres.

 

SIKKERHETSVENTIL

På større motorer er det gjerne motert en sikkerhetsventil på railen, som åpner dersom trykket stiger over gitte verdier. Trykkregulatoren slipper overskuddstrykket tilbake til retursiden.

GJENNOMSTRØMNINGSBEGRENSER

På enkelte motorer sitter en gjennomstrømningsbegrenser på utgangen til hver dyse. Gjennomstrømningsbegrenserens oppgave er å hindre at det slippes for mye drivstoff inn i sylinderen, dersom for eksempel en injektor skulle henge seg opp.

Gjennomstrømningesbegrenseren er laget slik, at dersom det strømmer mer drivstoff gjennom gjennomstrømningsbegrenseren enn det motoren bruker ved full belastning  vil gjennomstrømningsbegrenseren stenge tilførselen til injektoren mekanisk.

 

INJEKTOR

Common rail injektoren består av en dyseholder, dyse, styrekammer og magnetventil.

Så lenge systemet er trykkløst holdes dysenåla stengt av trykkfjæra (50 bar) over dysenåla. Denne fjæra har ingen ting med åpningstrykket å gjøre. Den skal kun hindre at dysa åpnes av kompresjonstrykket slik at sot og lignende kommer inn i dysa. Åpningstrykket er i et Common rail system det samme som railtrykket.

Når systemet er i funksjon og har trykk er det trykket som både holder dysa stengt og som åpner dysa.

Trykket som skapes av høytrykkspumpa står til disposisjon helt ute ved dysespissen. Derfor vil forsinkelsen i et slikt system være minimal.

I retursystemet er det også trykk. Dette trykket skal ligge på mellom 0,3 og 1 bar.

Magnetventilen styres fra styresentralen.

For å oppnå tilstrekkelig hastighet på magnetventilen er spenningen 80 volt og strømmen max 20 Amp. Etter at injektoren har åpnet vil strømstyrken reduseres til 12 Amp etter 0,3 msek.

Stryresentralen får sine 80volt fra kondensatorer som lades via injektorene.

Hver injektor vil etter at de er ferdig med innsprøytningen bli brukt for å lade kondensatorene i styresentralen.

Dette gjøres ved å bruke spolene i injektorene som coiler. En strøm på 8 Amp (dette er så lavt at magnetventilen ikke åpner) sendes gjennom spolen, når strømmen brytes induseres det en spenning som går tilbake til styresentralen.

I styresentralen kanaliseres spenningen til den kondensatoren som trenger lading. Et slikt system er avhengig av at alle spolene er intakte for å fungere.

Skulle det oppstå brudd i en av spolene vil systemet ikke klare å lade opp kondensatorene raskt nok, og motoren vil derfor stoppe.

Ved start må kondensatorene først lades, dette skjer så snart tenningen settes på.

Forinnsprøytning (pilotinnsprøytning) for stillere gange.

Hovedinnsprøytning for effekt.

Etterinnsprøytning (på noen biler) for NOx reduksjon.

Kontroll/feilsøking.

Start med å ta ut feilkoder.

Ved ujevn og/eller støyende gange kontrolleres først dysens lekkasjemengde. Koble fra dysenes returslanger. Erstatt disse med et verktøy for måling av lekkasjemengde eller plastslanger som du trer utenpå returflensen. Klem igjen motorens returslange, slik at den ikke lekker under testen. Start motoren, eller kjør starteren i 15 -20 sekunder. Sammenlign returmengdene på de enkelte sylinderene.

Den eller de som lekker mye i forhold til de andre, er sannsynligvis deffekt, og må byttes. Toleransen er normalt ca 25-30% mellom normalverdien, og høyeste verdi. En slik feil kan ikke repareres.

Er lekkasjemengden i orden må dysespissen kontrolleres (normal lekkasjemengde på en vanlig magnetventilstyrt injektor er ca 15ml på tomgang ved varm motor, og ca 25 ml på 2000o/min ved varm motor). Dette gjøres ved å demontere dysen og sette den i dysetesteren. Bruk en ”taktboks” for å åpne magnetventilen slik at dysen åpner.

Sjekk dysens spredning og at alle dysehull er åpne. Sett ikke spenning direkte på magnetventilen, da dette vil føre til at den brenner opp.

Må dysen renses er det kun ”ultralydvasker” som gjelder.

 

Før montering av dysene sjekkes dysens anleggsflate i topplokket for planhet. Er det spor i anleggsflaten, må denne friskes opp med en bunnfres. Sjekk også motsvarende flate på dysens mutter. Bytt alltid tettering og strekkbolt.  Smør dysen inn med spesialfett før montering.

På en del nyere biler med Common rail er det nødvendig å programmere inn den nye injektoren. Dette gjøres med diagnoseapparatet Dette må også gjøre dersom dysene har vært ute og ikke blir satt inn igjen på samme sted.

Det er normalt ikke nødvendig å lufte systemet før start.

Bildet viser injektorspenning (2. genrasjon)ved gasspådrag uten belastning. To forinnsprøytninger og hovedinnsprøytningen.

Bildet viser injektorspenning (2. genrasjon) ved turtall uten belastning. Det er kun en forinnsprøytning. Når motoren ikke er varm vil det kun være en forinnsprøytning.

Dette er det samme bildet 1. genrasjon injektor vil gi.

Bildet viser injektorspenning (2.generasjon)ved litt belastning. Øket åpningstid for hovedinnsprøytningen.

 

Piezodyse.

2.genrasjon CR systemer med 1600 bar trykk benytter piezoelektriske dyser.

Fordelen med disse i forhold til en injektor med magnetventil er hastigheten.

 

Piezodysene er ca 3 ganger raskere, og kan derfor styre innsprøytningen langt mer nøyaktig. Piezoeelementet består av ca 350 tynne keramikkskiver som er stablet oppå hverandre. Ved å tilføre spenning (for eksempel 45volt) vil disse skivene forandre tykkelse. Hver skive blir 0,00011mm tykkere, og sammen vil de 350 skivene bli 0,04 mm tykkere. Dette er nok til å åpne ventilen slik at dysa kan åpne.

Det er forskjellige typer piezoelektriske dyser. På noen er piezoelementet satt på samme sted som magnetventilen var plassert, og på andre er piezoelementet bygget inn i dysekroppen. Piezodysen er også avhengig av et trykk på retursiden. Dette ligger mellom 5 og 10 bar, og må være tilstede for å få start.

Piezoelement. Settes det spenning på elementet vil det strekkes seg i lengderetningen.

 

Feilsøk/diagnose

Koble aldri fra en piezoinjektor når motoren går eller under startforsøk. Den vil kunne             bli stående åpen, og motoren kan bli skadet. Tett heller ikke igjen returslangen for å unngå for stor tilbakelekkasje. Dette vil ødelegge injektoten.

 

ELEKTRONIKK

Styresentralen skal vurdere og behandle alle signaler som kommer inn fra sensorer plassert på motoren. I tillegg kommer en del signaler via bilens CAN-bus system som også er viktige for styresentralens arbeid.

Signalene som kommer fra sensorer og givere må før de kan benyttes gjøres om til datasignaler. Dette gjøres for induktive signaler i de såkalte I/D omformerene.

 

SYSTEMOVERSIKT

 

Oversikten viser inngående signaler, styresentralens funksjoner og utgående signaler.

1.Elektrisk drivstoffpumpe og rele.

2.Klimakompressor med rele.

3.Styreventil for vacum.

4.Turteller.

5.Kjølevifte med styringsrleer.

6. Gløderele.

7.Gasspedalgiver.

8.Brems og clutchpedalgiver.

9.Railtrykkgiver.

10.Luftmassemåler.

11.Motortemperaturgiver.

12.Drivstofftemperaturgiver.

13.Atmosfærtrykk og turbotrykkgiver.

14.Kamakselgiver

15.Veivakselgiver.

16.Speedometer.

17.Nøkkel og startsperresystem.

18.Batteri.

19.CARB diagnosekontakt.

20.Trykkregulator.

21.Injektor.

22.Glødeplugg.

23.Glødelampe.

24. Motorfeillampe.

 

ELEKTRISK FEILSØKNING

Alle sensorer og givere kan kontrolleres elektrisk med voltmeter amperemeter, Ohmmeter eller scope. For å få et riktig bilde av sensorens funksjon er et scope absolutt å anbefale.

De fleste sensorer har i dag innebygget elektronikk som forsterker signalet sensoren gir fra seg. Dette skjer fordi signalet skal bli mer motstandsdyktig med hensyn til støy fra andre systemer.

Ta for eksempel en piezoelektrisk trykkgiver. Denne opererer i utgangspunktet med spenning i millivolt. For å unngå at dette signalet forstyrres av andre kretser i bilen forsterkes signalet til et nivå på 0,5 til 4,5 volt. Dette gjør det også lettere og kontrollere signalet fra ved arbeid i systemet.

Av sensorer og givere i dieselinnsprøytningssystemer som gir et slikt signal kan nevnes trykkgivere av alle typer, luftmassemålere og gasspedalgiveren.

 

HØYTRYKKSSYSTEM TETTHETSKONTROLL.

Som høytrykkssystem regnes alt fra høytrykkspumpen og ut til dysespissen.

Husk at det her opereres med trykk opp til 1800 bar, og at dersom et dyserør skulle sprekke eller en kobling skulle begynne å lekke, vil det kunne gjøre stor skade på deg som står i nærheten. Stå derfor aldri med ansiktet bøyd over motoren for å sjekke om alt er i orden.

For å sjekke om systemet er tett legger du en avisside over motoren under plastdekselet. Legg deretter plastdekselet på plass igjen, og start opp motoren, kjør en tur før du tar av plastdekselet og kontrollerer om det er våte partier på avissiden. Er det det må du finne lekkasjen og utbedre den.