Dieselinspuitsystemen: directe injectie, common rail, pompverstuivers, ...

[Wutputt]

Dieselinspuitsystemen

Voor we van start gaan is het interessant nog even stil te staan bij het principe van een dieselmotor. In tegenstelling tot een benzinemotor heeft een dieselmotor geen nood aan een vonkontsteking, aangezien hij aan zelfontbranding doet. De compressieverhouding van een dieselmotor ligt erg hoog, hierdoor wordt de lucht op veel hogere druk gebracht tijdens de compressieslag. Een hogere druk betekent ook een hogere temperatuur. Op het einde van de compressieslag wordt de diesel ingespoten in de cilinder. Dankzij de hoge temperatuur begint de diesel spontaan te vebranden. We spreken van zelfontsteking of zelfontbranding.

Het feit dat een dieselmotor geen bougies nodig heeft om voor de ontsteking te zorgen is niet het enige verschil met een benzinemotor. De verbranding op zich verloopt ook anders. Bij een benzine wordt de brandstof als een gas met de lucht op voorhand gemengd voordat het mengsel ontstoken wordt. Bij een diesel worden kleine brandstofdruppeltjes in de lucht geïnjecteerd en deze beginnen reeds te verbranden gedurende de injectie.

Dit geeft de dieselmotor een voordeel over de benzinemotor: je kunt de kracht van de motor regelen door de hoeveelheid ingespoten diesel te variëren, terwijl er steeds evenveel lucht wordt aangezogen. Een gasklep, zoals bij een benzinemotor, is niet nodig. Het gevolg is dat een dieselmotor steeds met een luchtoverschot werkt.

[Wutputt]

De geschiedenis

De bedoeling van dit topic is om een overzicht te geven van de verschillende dieselinspuitsystemen bij auto’s. Rudolf Diesel patenteerde het principe van de dieselmotor (brandstof pas inspuiten wanneer de lucht gecomprimeerd wordt) in 1892, zo’n 30 jaar nadat de benzinemotor gepatenteerd werd. Een jaar later bouwde hij zijn eerste prototype dat op kolenstof draaide. Pas later gebruikte men dieselolie (1897) om de dieselmotor te doen draaien. De dieselmotor had een groot voordeel op de andere motoren van die tijd (stoommotoren en benzinemotoren): een hoger rendement. Echter ze waren nog niet geschikt voor gebruik in auto’s omdat ze groot, zwaar en traagdraaiend waren. De reden hiervoor is dat de brandstof doormiddel van perslucht in de cilinder geblazen moest worden.

De uitvinding van de inspuitpomp (in serieproductie vanaf 1927) bracht hier echter verandering in. Toch duurde het nog tot 1936 voordat de eerste seriegeproduceerde dieselauto van de band rolde. De eer gaat naar de Mercedes-Benz 260 D, aangedreven door een 2,5 liter 4-in-lijn diesel met een vermogen van 45 pk bij 3000 tpm. De auto had vooral een succes als taxi.



Het startschot voor de evolutie van de dieselmotor in personenwagens is gegeven. Als we de verschillende inspuitsystemen voor personenwagens bekijken, dan kunnen we 2 grote categoriën onderscheiden: de indirecte of onrechtstreekse injectie en de directe of rechtstreekse injectie. Beiden maken gebruik van verschillende soorten injectiesystemen:

1. indirecte injectie

• lijnpomp
• axiaalverdelerpomp

2. directe injectie

• axiaalverdelerpomp
• radiaalverdelerpomp
• pompverstuivers
• common rail

[Wutputt]

Directe of indirecte injectie?

Indirecte of onrechtstreeke injectie

Tot eind jaren ’80 hadden alle dieselwagens indirecte injectie (IDI), omdat dieselmotoren met directe injectie te veel lawaai maakten en te veel trillingen veroorzaakten. Bij indirecte injectie wordt de brandstof niet rechtstreeks in de cilinder ingespoten. Dieselmotoren met indirecte injectie maken gebruik van een extra verbrandingskamer in de cilinderkop die verbonden is met de cilinder (ook wel nevenkamer genoemd). Dit zorgt voor een zachtere verbranding en dus minder lawaai en trillingen. Er zijn twee types IDI diesels voor personenwagens:

1. voorkamer
2. wervelkamer

1. Voorkamer



Bij het voorkamerprincipe wordt de hete gecomprimeerde lucht in een voorkamer geduwd. Wanneer de diesel onder relatief lage druk (max 450 bar) in deze voorkamer ingespoten wordt begint de verbranding. De verbranding zet zich dan voort naar de cilinder, waar hij pas echt op gang komt. Dit zorgt voor een zacht verbrandingsverloop, maar echter ook voor meer verliezen en dus een minder gunstig verbrandingsverloop.


2. Wervelkamer



Bij het wervelkamerprincipe is de nevenkamer zo gepositioneerd dat de hete lucht een wervelende beweging maakt wanneer deze in de wervelkamer geduwd wordt. Dit zorgt voor een goede vermenging van lucht en diesel. De verbranding start ook hier in de nevenkamer en zet zich daarna voort in de verbrandingsruimte. Een IDI diesel met wervelkamer verbruikt minder diesel als eentje met voorkamer, maar maakt meer lawaai.


Bij beide principes zie je ook een extra stift in de nevenkamer zitten. Dit is de gloeibougie. Tijdens het voorverwarmen warmte deze de lucht in de nevenkamer op zodat de diesel makkelijker ontbrandt tijdens het starten. De gloeibougies blijven nog even verwarmen na het starten omdat het motorblok dan nog koud is.



Directe of rechtstreekse injectie

Bij de directe injectie (DI) is er geen nevenkamer meer, de diesel wordt rechtsreeks ingespoten in de cilinder. In 1987 kwam de eerste rechtstreeks ingespoten dieselpersonenwagen op de markt, met name de Fiat Croma 1900 Turbo D. Maar de bal begon pas echt aan het rollen wanneer DI turbodiesels een elektronische sturing kregen met de Audi 100 2.5 TDI in 1989. Dankzij de elektronische sturing en de hogere inspuitdrukken was het ook mogelijk een zachter verbrandingsverloop te realiseren in combinatie met een rechtstreekse inspuiting. Het grote voordeel van rechtstreekse inspuiting is het hoger rendement en dus lager brandstofverbruik.

Bij directe injectie worden de dieseldruppeltjes in een kom van de zuiger gespoten. Deze kom heeft een speciale vorm om zoveel mogelijk werveling te creëren. De diesel wordt op hoge druk (meer dan 1000 bar) via een meergatsverstuiver ingespoten om zo’n goed mogelijke vermening van lucht en diesel te verkrijgen. De punt van een meergastverstuiver bestaat niet uit één inspuitopening, zoals bij de verstuivers van indirect geïnjecteerd diesel, maar uit verschillende kleine inspuitopeningen. Dit laat de meergatsverstuiver toe de diesel veel fijner in te spuiten met een bredere inspuitstraal. Het is niet aangegeven op de figuur, maar ook DI diesels gebruiken gloeibougies.

[Wutputt]

De lijnpomp

Dankzij de lijnpomp of lijninspuitpomp zoals hij met zijn volledige naam heet, kon de diesel z’n intrede doen bij de personenwagens. Meer dan een halve eeuw heeft hij dieselauto’s van hoge druk voorzien. Laten we ‘ns in detail bekijken waar het juist om draait:



De lijnpomp, zoals de naam al zegt bestaat uit verschillende pompjes die op een lijn staan. Voor elke cilinder is er een pompje dat in verbinding staat met de verstuiver of injector van de cilinder. De lijnpomp heeft ook een eigen nokkenas ingebouwd die deze pompjes aandrijft. De nokkenas van de lijnpomp wordt via een distributieriem- of ketting aangedreven door de motor. Het is de nokkenas van de lijnpomp die bepaalt wanneer welk pompje druk opbouwt en dus ook wanneer de verstuiver opent en diesel geïnjecteerd wordt. De hoeveelheid diesel die geïnjecteerd wordt kan gewijzigd worden door een regelschuif te verschuiven. Het is deze regelschuif die je bedient als je het gaspedaal intrapt.

Bij sommige lijnpompen is het ook mogelijk naast de inspuithoeveelheid het inspuitbegin te regelen. Indien dit niet voorzien is op de lijnpomp wordt meestal een inspuitversteller voor de nokkenas van de lijnpomp geplaatst. Waarom is dit zo belangrijk? Wanneer de diesel ingespoten wordt, begint deze niet direct te verbranden, er is steeds een zeker uitstel aanwezig. Vandaar dat de diesel iestje te vroeg ingespoten wordt, zodat hij op het ideale moment begint te verbranden. Naarmate het toerental stijgt, bewegen de zuigers sneller, zodat de diesel minder tijd krijgt om te beginnen verbranden. Vandaar dat bij hoger toerental de diesel nog vroeger ingespoten moet worden. Als dit niet gedaan wordt, begint de verbranding wanneer de zuiger reeds naar beneden aan het bewegen is. Hierdoor zal de verbranding niet volledig voltooien en is er vermogenverlies.

Zoals ik al eerder aanhaalde, is het gaspedaal met de regelschuif van de lijpnpomp verbonden. Echter zijn ze niet rechtstreeks met elkaar verbonden, want er zit nog een mechanische regelaar tussen beiden. Deze regelaar moet onderanderen instaan voor de toerentalbegrenzing en de stationairregeling. Aangezien de lijnpomp volledig mechanisch werkt (toch bij personenwagens) is het een zeer robuuste en betrouwbare component. Hij moet echter wel gesmeerd worden door de olie van de motor en is groot en zwaar, mede doordat er nog een extra opvoerpomp voorzien moet worden die de diesel van de brandstoftank naar de lijnpomp brengt. Bij personenwagens wordt de lijninspuitpomp enkel voor IDI diesels gebruikt.

[Wutputt]

Axiaalverdelerpomp

De axiaalverdelerpomp of axiaalplunjerverdelerinspuitpomp zoals hij officieel heet, werd in de jaren ’60 ontwikkeld, maar kende toen niet veel bijval. Enkel de Peugeot 404 diesel werd er mee uitgerust. De meeste constructeurs waren niet op zoek naar een compacte dieselpomp en deze nieuwe pomp was nog niet voldoende doorontwikkeld. Pas in 1975 begon z’n werkelijke carriere met de introductie van de VW Golf diesel.

Het verschil met de lijnpomp is dat deze verdelerpomp veel compacter is aangezien er maar één pomp is die de hoge druk opbouwt en deze daarna verdeelt naar de verschillende cilinders. De pomp bestaat uit een plunjer die op een neer beweegt, vandaar de naam axiaalverdelerpomp. De hogedrukpomp verdeelt automatisch de druk naar de juiste cilinder. Er kunnen echter maximaal 6 cilinders aangesloten worden per pomp. De regeling van de inspuithoeveelheid en het inspuitmoment kan volledig mechanisch gebeuren of elektronisch. De eerste elektronisch gestuurde axiaalverdelerpompen kwamen er pas in 1986.



Bovenstaande figuur geeft een doorsnede van een elektronisch geregelde axiaalverdelerpomp weer. Links zie je de as van de pomp die aangedreven wordt door de motor. De elektronische regeleenheid is bovenaan de pomp gemonteerd. Door het heen en weer bewegen van de plunjer wordt de hoge druk opgebouwd. Niet enkel gaat de plunjer op en neer, deze draait ook om z’n as zodat de diesel op hoge druk naar de juiste injector wordt gestuurd. De hoge druk toevoerleidingen naar de injectoren zie je rechts op de tekening. De opvoerpomp die de diesel uit de brandstoftank opzuigt is mee ingebouwd in de axiaalverdelerpomp.

Er is geen aparte oliesmering nodig, deze pompen worden gesmeerd door de diesel. Vanzelfsprekend moet deze diesel aan bepaalde kwaliteiten voldoen en is een goed functionerende brandstoffilter noodzakelijk. De maximumdrukken die deze pompen kunnen opbouwen liggen rond de 350 bar voor IDI diesels en 1250 bar voor DI diesels. Latere versies met magneetgestuurde kleppen gaan zelfs tot 1400 bar. In vergelijking met de lijninspuitpomp is de axiaalverdelerpomp een stuk lichter en compacter. Daarenboven laat de axiaalverdeelpomp een bredere waaier verstelmogelijkheden toe.

[Wutputt]

Radiaalverdelerpomp

De radiaalplunjerverdelerinspuitpomp, die in 1996 uitgebracht werd, werkt volgens hetzelfde principe als de axiaalverdelerpomp, maar verschilt in de manier waarop de hogedrukpomp werkt. De radiaalverdelerpomp gebruikt namelijk een draaiende hogedrukpomp die hogere drukken kan opbouwen (tot 1950 bar).



Zoals je ziet is de radiaalverdelerpomp nog net iets compacter als de axiaalverdelerpomp doordat de hogedrukpomp ingebouwd is in het ronddraaiend gedeelte. Het verdelen van de hogedruk diesel naar de juiste cilinders gebeurt op een gelijkaardige manier als bij de axiaalverdelerpomp. Ook hier is de opvoerpomp mee ingebouwd. Radiaalverdelerpompen zijn enkel gebouwd met een elektronische sturing en magneetgestuurde kleppen. Ze worden enkel voor DI diesels.

[Wutputt]

Pompverstuivers

Pompverstuivers, Pump-Düse (PD) of Unit Injectors (UI) zagen voor het eerst het daglicht onder de motorkap van een auto (VW Passat 1.9 TDI 115pk) in 1998. Enkel de Volkswagen-groep en Land Rover maak(t)en gebruik van deze technologie. De verstuiver en de hogedrukpomp zijn in één component samengevoegd, de pompverstuiver. Elke cilinder heeft er eentje. Een pompverstuiver wordt aangedreven door de nokkenas van de motor. Deze zorgt voor de opbouw van hoge druk. Het inspuitmoment en de inspuithoeveelheid wordt geregeld door een elektronisch gestuurde klep. Een elektrische opvoerpomp in de brandstoftank zorgt voor de aanvoer van diesel naar de verschillende pompverstuivers. Pompverstuivers komen enkel voor bij DI diesels en worden door de diesel gesmeerd.



Dankzij hun hoge maximale inspuitdruk van 2050 bar kunnen dieselmotoren met pompverstuivers een groot voordeel aanbieden, met name een erg laag verbruik en hoog vermogen. Daartegenover staat wel een lawaaierigere motor in vergelijking met andere moderne inspuitsusyemen. Pompverstuivers zijn echter gedoemd om te verdwijnen wegens de strenger wordende emissienormen. Hoewel het inspuitmoment en de inspuithoeveelheid variabel is, zijn ze maar variabel in een beperkt venster omdat de PD aangedreven wordt door de nokkenas. Het gevolg is dat een pompverstuiver enkel een voorinspuiting en hoofdinspuiting kan geven. Dit is niet voldoende om aan de Euro 5 emissienormen te voldoen. Gelukkig kwam eind 2005 de 3e generatie pompverstuivers op de markt met inspuitdrukken tot 2200 bar en de mogelijkheid om 5 inspuitingen te leveren per verbranding. Echter deze 5 inspuitingen zijn niet volledig variabel. Dankzij deze 3e generatie zal het mogelijk zijn om aan Euro 5 te voldoen, maar voor Euro 6 zullen de pompverstuivers moeten afhaken.

[Wutputt]

Common Rail

Het Common Rail systeem kwam in 1997 op de markt. De eerste auto die er gebruik van maakte was de Alfa Romeo 156 1.9 JTD. Bij een Common Rail systeem wordt de hogedrukopbouw en de inspuiting van elkaar losgekoppeld. Een hogedrukpomp brengt de diesel op hoge druk. De hoge druk diesel wordt ‘gestockeerd’ in een gemeenschappelijk buis (common rail). Op deze buis zijn alle injectoren aangesloten. Deze injectoren worden elektronisch gestuurd. Doordat de injectoren ten aller tijden van een voorraad diesel op hoge druk kunnen aftappen is dit een zeer flexibel systeem. Motorconstructeurs kunnen naar believen verschillende parameters variëren. Dit laat hen toe te werken met een voorinspuiting, een hoofdinspuiting in verschillende stappen, en een nainspuiting. Vandaar dat common rail dieselmotoren een zachtere werking vertonen dan andere moderne diesels en klaar zijn voor de toekomstige strengere emissienormen. In vergelijking met de pompverstuivers ligt het verbruik echter wat.



De hogedrukpomp krijgt diesel toegevoerd dankzij de elektrische opvoerpomp die in de brandstoftank ingebouwd is. De hogedrukpomp moet niet op specifieke momenten druk opbouwen, maar kan dit continu doen. Hierdoor is deze Common Rail hogedrukpomp minder belastend voor de motor dan andere hogedrukpompen. Een bijkomend voordeel is dat deze hogedrukpomp minder motorvermogen opslurpt bij lage motorbelasting. Common Rail hogedrukpompen nemen in vergelijking met axiaal- en radiaalverdelerpompen ook minder plaats in, maar qua compactheid moeten ze wel onderdoen voor de pompverstuivers.

De hogedrukpomp voert de hoge druk diesel naar de common rail. In de meeste gevallen is dit een buis, maar bij sommige systemen kan dit ook een bol zijn. De druk in deze common rail is vrijwel constant, in tegenstelling tot andere systemen waar de hoge druk steeds varieert. De eerste generatie common rail systemen werken met een druk van 1350 bar. Bij de tweede generatie in 2001 steeg dit tot 1600 bar. De derde generatie common rail systemen kwamen in 2003 op de markt. Naast een verhoogde druk tot 1800 bar deden ook de piezo-verstuivers hun. In tegenstelling tot magneetgestuurde verstuivers kunnen piezo verstuivers nog sneller en nauwkeuriger schakelen, waardoor er per verbranding tot 5 keer toe ingespoten kan worden, hetgeen een betere controle van de verbranding toelaat. Momenteel zijn 4e generatie common rail systemen in ontwikkeling met inspuitdrukken tot 2500 bar.

[Wutputt]

Door de verschillende systemen te overlopen hebben we ook de geschiedenis van de dieselinspuiting behandeld. In de eerste halve eeuw van dieselaangedreven auto’s was de maatstaf een IDI diesel met lijninspuitpomp. Pas in de jaren ’80 werd deze voor personenwagens verdrongen door de IDI diesel met axiaalverdelerpomp. De volgende ontwikkeling op dieselvlak liet minder lang op zich wachten. Eind jaren ’80 verschenen de eerste DI diesels met axiaalverdelerpomp. De DI diesel boom kwam pas echt tot leven in de jaren ’90. Eind jaren ’90 schakelde de dieselevolutie nog een versnelling hoger met de komst van de radiaalverdelerpomp die hogere drukken toeliet. Kort gevolgd door de twee revolutionaire systemen: common rail en pompverstuivers. Enkele jaren hebben deze twee nek aan nek geracet elk met hun positieve en minder goede punten. Maar de pompverstuivers lijken aan het kortste eind te hebben getrokken. Wegens de strengere emissienormen die een grote flexibiliteit van het inspuitsysteem vereisen, zullen we hen in enkele jaren vaarwel moeten zeggen.

[Gast]

Weer een prachtig werkje eh!

Ik heb het even snel, half doorgelezen maar als morgen mijn laatste examen erop zit, zal ik het eens op mijn gemak doornemen

[Gast]

diesel


prachtig werk, Wutputt!! (zoals altijd)

[Gast]

Maar hoe zit het dan met de axiaalverdelerpomp, wordt deze dan niet bediend door de nokkenas?

[Gast]

kan er mij iemand informatie geven over een hogedrukpomp bij een common rail met een ingebouwde opvoerpomp aub ?

[Gast]

kan er mij iemand informatie geven over een hogedrukpomp bij een common rail met een ingebouwde opvoerpomp aub ?

iemand ?

[Gast]

Hoi Wutputt,

Weet jij wat de meest toegepaste dieselinspuitsystemen bij vrachtwagens zijn?
En wat zijn nou de voor en nadelen van de diverse inspuitsystemen? Bij personenauto's en vrachtwagens?

Alvast bedankt!

De geschiedenis

De bedoeling van dit topic is om een overzicht te geven van de verschillende dieselinspuitsystemen bij auto’s. Rudolf Diesel patenteerde het principe van de dieselmotor (brandstof pas inspuiten wanneer de lucht gecomprimeerd wordt) in 1892, zo’n 30 jaar nadat de benzinemotor gepatenteerd werd. Een jaar later bouwde hij zijn eerste prototype dat op kolenstof draaide. Pas later gebruikte men dieselolie (1897) om de dieselmotor te doen draaien. De dieselmotor had een groot voordeel op de andere motoren van die tijd (stoommotoren en benzinemotoren): een hoger rendement. Echter ze waren nog niet geschikt voor gebruik in auto’s omdat ze groot, zwaar en traagdraaiend waren. De reden hiervoor is dat de brandstof doormiddel van perslucht in de cilinder geblazen moest worden.

De uitvinding van de inspuitpomp (in serieproductie vanaf 1927) bracht hier echter verandering in. Toch duurde het nog tot 1936 voordat de eerste seriegeproduceerde dieselauto van de band rolde. De eer gaat naar de Mercedes-Benz 260 D, aangedreven door een 2,5 liter 4-in-lijn diesel met een vermogen van 45 pk bij 3000 tpm. De auto had vooral een succes als taxi.



Het startschot voor de evolutie van de dieselmotor in personenwagens is gegeven. Als we de verschillende inspuitsystemen voor personenwagens bekijken, dan kunnen we 2 grote categoriën onderscheiden: de indirecte of onrechtstreekse injectie en de directe of rechtstreekse injectie. Beiden maken gebruik van verschillende soorten injectiesystemen:


1. indirecte injectie

• lijnpomp
• axiaalverdelerpomp

2. directe injectie

• axiaalverdelerpomp
• radiaalverdelerpomp
• pompverstuivers
• common rail

[Gast]

knappe uitleg