Common Rail Enjeksiyon Sistemi Nedir? Nasıl Çalışır?

Common Rail enjeksiyon sistemi, dizel motorlarda yakıtın yüksek basınç altında ortak bir yakıt hattında (rail) tutulduğu ve elektronik kontrollü enjektörler aracılığıyla silindirlere püskürtüldüğü yakıt enjeksiyon sistemidir. Sistemin önemli özelliklerinden biri, yakıt basıncının oluşturulması ile enjeksiyon zamanının büyük ölçüde birbirinden bağımsız olarak kontrol edilebilmesidir.

Yüksek basınç pompası enjeksiyon için gerekli yakıt basıncını oluşturur. Basınçlandırılan yakıt ortak yüksek basınç hattına (rail) gönderilir ve buradan kısa yüksek basınç boruları aracılığıyla enjektörlere ulaştırılır. Motor kontrol ünitesi ise motorun çalışma koşullarına göre enjeksiyon zamanını ve miktarını yönetir.

Common Rail sistemlerinin genel yapısını farklı bir uygulama üzerinden incelemek için dizel yakıt pompaları konusuna da bakabilirsiniz.

Common Rail Enjeksiyon Sisteminin Avantajları

Common Rail enjeksiyon sistemi, mekanik dizel enjeksiyon sistemlerine göre yakıt basıncının ve enjeksiyon olayının daha esnek biçimde kontrol edilmesine imkân verir. Sistemin kaynak dokümanda belirtilen temel avantajları şunlardır:

• Motorun çalışma alanına bağlı olarak enjeksiyon basıncının kontrol edilebilmesi,
• Yakıtın daha iyi atomize edilmesine yardımcı olan yüksek enjeksiyon basınçlarının kullanılabilmesi,
• Ön, ana ve son enjeksiyon gibi birden fazla enjeksiyon aşamasının uygulanabilmesi.

Bu özellikler motor tasarımı ve kontrol stratejisine bağlı olarak yanma gürültüsünün, yakıt tüketiminin ve egzoz emisyonlarının kontrol edilmesine yardımcı olabilir.

Common Rail Yakıt Sistemi

Common Rail yakıt sistemi genel olarak alçak basınç yakıt besleme bölümü, yüksek basınç pompası, ortak yakıt hattı (rail), enjektörler, yakıt geri dönüş hattı ve elektronik kontrol elemanlarından oluşur.

Besleme ve Geri Dönüş Basıncı

Kaynak dokümanda incelenen sistem için aşağıdaki yakıt basıncı değerleri verilmiştir:

• Yakıt pompası besleme basıncı: 1 bar,
• Yakıt beslemesinde izin verilen maksimum basınç: 1,6 bar,
• Yakıt geri dönüşünde izin verilen maksimum basınç: 1,8 bar.

Kaynakta izin verilen geri dönüş basıncının aşılması durumunda yüksek basınç pompasının radyal mil keçelerinin zarar görebileceği belirtilmektedir.

Önemli: Bu basınç değerleri kaynakta anlatılan belirli Common Rail sistemine aittir. Farklı araç ve motorlarda yakıt besleme ve geri dönüş basınçları farklı olabileceğinden arıza teşhisinde üreticinin servis verileri kullanılmalıdır.

Common Rail Yüksek Basınç Kontrolü

Kaynak sistemde rail basıncının belirli çalışma sınırları içerisinde bulunması motor kontrol ünitesi tarafından izlenmektedir.

• Yüksek basınç bölgesinde 200 bar ve üzerindeki basınçta kaynak sisteme göre motor kontrol ünitesi enjektörlerin kumandasına izin verir.
• Rail basıncı 130 bar değerinin altına düştüğünde kaynak sistemde enjeksiyon motor kontrol ünitesi tarafından kapatılır.
• Rail hattındaki hedef basınç ile gerçek basınç arasında kabul edilemeyecek kadar büyük bir fark oluşması durumunda sistem koruma amacıyla enjeksiyonu durdurabilir.

200 ve 130 bar değerleri bütün Common Rail sistemleri için genel çalışma sınırları değildir. Motor ve enjeksiyon sistemi tasarımına göre farklı eşik değerleri kullanılabilir.

Enjektörlerden Geri Dönüş Basıncı

Kaynak dokümanda enjektör geri dönüş sistemindeki basıncın bir basınç tutma valfi aracılığıyla 10 bar seviyesinde tutulduğu belirtilmektedir.

• Basınç tutma valfi geri dönüş basıncını yaklaşık 10 bar seviyesinde düzenler.
• Kaynakta valfin sistemi doldurma işlemi sırasında ters yönde akışa izin verebildiği belirtilmektedir.
• Basınç kontrolünde kaynak servis ekipmanı olarak 5051/60 basınç manometresi verilmiştir.

10 bar değeri ve 5051/60 ekipman numarası kaynak sistemin servis bilgisidir ve veri kaybı olmaması için korunmuştur.

Common Rail Yüksek Basınç Pompası

Yüksek basınç pompası, Common Rail sisteminin ihtiyaç duyduğu yüksek yakıt basıncını oluşturur ve yakıtı rail hattına gönderir.

Kaynak dokümanda incelenen motor uygulamasında yakıt pompasının triger kayışı üzerinden sol silindir sırasının emme eksantrik milinden i = 5/6 aktarım oranıyla tahrik edildiği belirtilmektedir.

Kaynak ayrıca bu uygulamadaki ilgili triger kayışı için bakım gerektirmediğini belirtmektedir. Bu ifade bütün motorlardaki triger kayışları için geçerli değildir. Triger kayışının kontrol ve değişim şartları motor üreticisinin bakım programına göre belirlenmelidir.

Yakıt Dişli Pompası

Kaynak sistemde dişli pompası mekanik çalışan bir yakıt besleme pompasıdır. Pompa, yüksek basınç pompasının tahrik milinden bir dişli aracılığıyla hareket alır.

Kaynak dokümana göre dişli pompası, yüksek basınç pompasına yeterli yakıt beslemesini sağlamak amacıyla yakıt basıncını yaklaşık 5–6 bar seviyesine yükseltir. Bu değer de anlatılan sisteme özgüdür.

Yüksek Basınç Pompasının Şematik Yapısı

Kaynakta verilen yüksek basınç pompasında tahrik milindeki eksantrik hareketi bir itici üzerinden pompa pistonlarına aktarılır.

• Pompa içerisinde üç pompa pistonu bulunmaktadır.
• Üç piston birbirine göre 120° açıyla yerleştirilmiştir.
• Her pompa dönüşünde üç basma stroku gerçekleşir.
• Bu düzen pompanın tahrik yükünün daha dengeli dağıtılmasına yardımcı olur.

Yüksek basınç pompasının tahrik milindeki eksantrik, itici üzerinden pompa pistonunu aşağı ve yukarı hareket ettirerek pompalama işleminin gerçekleşmesini sağlar.

Yüksek Basınç Pompası Emiş Stroku

Pompa pistonunun aşağı hareket etmesiyle sıkıştırma bölmesinin hacmi artar ve bölmedeki yakıt basıncı düşer. Kaynak sistemde bu basınç farkı sonucunda emme supabı açılır ve dişli pompasından gelen yakıt sıkıştırma bölmesine dolar.

Yüksek Basınç Pompası Basma Stroku

Pompa pistonu yukarı hareket etmeye başladığında sıkıştırma bölmesindeki basınç yükselir ve emme valfi kapanır. Piston hareketine devam ettikçe yakıt basıncı artmaya devam eder.

Sıkıştırma bölmesindeki yakıt basıncı yüksek basınç tarafındaki mevcut basıncı aştığında çıkış valfi açılır ve basınçlandırılmış yakıt yüksek basınç bölgesine gönderilir.

Yakıt Dozaj Valfi

Yakıt dozaj valfi, kaynakta anlatılan sistemde yüksek basınç pompasına gönderilen yakıt miktarının kontrol edilmesinde kullanılır. Pompanın yalnızca ihtiyaç duyulan miktarda yakıtı sıkıştırması, pompanın güç ihtiyacının ve yakıtın gereksiz yere ısınmasının azaltılmasına yardımcı olur.

Yakıt enjeksiyon sistemlerinin genel yapısı hakkında daha fazla bilgi için yakıt enjeksiyon sistemleri konusunu inceleyebilirsiniz.

• Kaynak sistemde yakıt dozaj valfi akımsız durumda açık olarak tanımlanmıştır.
• Ayar pistonu yay kuvvetiyle hareket ederek yüksek basınç pompasına minimum geçiş kesiti sağlar.
• Valf kumanda edildiğinde yakıt geçişi kontrol edilir.
• Kumanda oranına bağlı olarak oluşan kontrol etkisi ayar pistonunun konumunu ve böylece yüksek basınç pompasına giden yakıt miktarını belirler.

Not: Yakıt dozaj valflerinin akımsız durumdaki konumu ve kontrol prensibi sistem tasarımına göre değişebilir. Bu nedenle “akımsız açık” bilgisi kaynakta incelenen valf için geçerlidir.

Yakıt Basınç Ayar Valfi

Yakıt basınç ayar valfi, kaynak sistemde rail hattındaki yakıt basıncının kontrol edilmesinde kullanılır ve motor kontrol ünitesi tarafından PWM sinyaliyle kumanda edilir.

• Rail basıncı hedef değerin üzerinde olduğunda ayar valfi açılarak yakıtın bir bölümünün geri dönüş tarafına yönlendirilmesine yardımcı olur.
• Basınç düşük olduğunda valf kapanarak yüksek basınç tarafından alçak basınç tarafına yakıt geçişini sınırlar.
• Kaynak sisteme göre valfin elektriksel olarak kumanda edilememesi durumunda gerekli rail basıncı oluşturulamaz ve motor stop edebilir veya çalışmayabilir.

Common Rail Piezo Enjektörün Yapısı

Kaynakta incelenen Common Rail enjeksiyon sisteminde enjektörler piezo aktör kullanılarak kumanda edilmektedir. Piezo teknolojisinin düşük hareketli kütlesi ve hızlı tepki verebilmesi, enjeksiyonların hassas biçimde kontrol edilmesine imkân verir.

Kaynak dokümanda piezo enjektörün hareketli kütlesinin solenoid valfle kumanda edilen enjektöre göre yaklaşık %75 daha düşük olduğu belirtilmektedir. Bu oran incelenen enjektör tasarımına ait bir karşılaştırmadır ve bütün piezo/solenoid enjektörler için genel oran olarak değerlendirilmemelidir.

Kaynak sistem için belirtilen özellikler şunlardır:

• Çok kısa kumanda süreleri,
• Bir çalışma çevrimi içerisinde birden fazla enjeksiyon gerçekleştirilebilmesi,
• Enjeksiyon miktarının hassas biçimde dozajlanabilmesi,
• Ön enjeksiyonların motor yükü, devri ve sıcaklığına göre düzenlenmesi,
• Soğuk motor ve rölantiye yakın çalışma bölgesinde kaynak kalibrasyonda iki ön enjeksiyon kullanılması,
• Yüksek yükte kaynak kalibrasyonda bir ön enjeksiyon uygulanması,
• Dizel partikül filtresi rejenerasyonu amacıyla kaynak sistemde iki son enjeksiyon uygulanabilmesi.

Enjeksiyon sayıları ve stratejileri ECU kalibrasyonuna, motor çalışma koşullarına ve emisyon sisteminin ihtiyaçlarına göre değişebilir.

Piezo Aktör Nasıl Çalışır?

Kaynak sistemde enjektörün hızlı biçimde kumanda edilmesi için piezo aktör kullanılmaktadır. Çalışma prensibi ters piezoelektrik etkiye dayanır. Piezoelektrik malzemeye elektrik gerilimi uygulandığında kristal yapıda çok küçük bir boyutsal değişim meydana gelir. Bu hareket enjektörün hidrolik ve mekanik kumanda sisteminde kullanılır.

Kaynakta incelenen piezo aktör için aşağıdaki teknik değerler verilmiştir:

• Piezo aktör 264 piezo elemanından oluşur.
• Bir piezo elemanının kalınlığı 0,08 mm olarak verilmiştir.
• Bir piezo elemanının gerilim uygulandığındaki genleşmesi yaklaşık %0,15 olarak belirtilmiştir.
• Kumanda gerilimi rail basıncına bağlı olarak 110–148 V aralığında verilmiştir.
• Piezo çubuğun 148 V’ta yaklaşık 0,03 mm’ye kadar uzadığı belirtilmiştir.

Güvenlik: Piezo enjektörlerin kumanda devrelerinde yüksek elektrik gerilimleri bulunabilir. Enjektör veya tesisat üzerinde ölçüm ve müdahale yapılırken üreticinin güvenlik ve test prosedürleri uygulanmalıdır.

Piezo Enjektör Durgun Konumda Nasıl Çalışır?

Durgun konumda veya enjeksiyon sona erdiğinde enjektör kapalıdır. Kaynak sistemde bu durum şu şekilde açıklanmaktadır:

• Piezo aktöre kumanda gerilimi uygulanmaz.
• Enjektör iğnesinin üst tarafında ve kontrol valfi bölgesinde rail basıncı bulunur.
• Kontrol valfi, yakıt basıncı ve yay kuvvetinin etkisiyle geri dönüş yolunu kapalı tutar.
• Enjektör iğnesinin üst yüzeyine etki eden hidrolik kuvvet ve iğne yayının kuvveti enjektör iğnesini yuvasında tutar.

Piezo Enjektörde Enjeksiyon Başlangıcı

Enjeksiyonun başlatılması için piezo aktöre elektrik gerilimi uygulanır. Piezo aktörün oluşturduğu çok küçük boyutsal hareket, enjektör içerisindeki mekanik ve hidrolik kumanda elemanlarına aktarılır.

• Piezo aktör uzar ve hareketini bağlantı pistonuna aktarır.
• Bağlantı pistonu hidrolik sistem üzerinden kontrol pistonunu hareket ettirir.
• Kaynak sistemde bağlantı pistonu ile valf pistonu arasında, geri dönüş hattındaki basınç tutma valfi sayesinde 10 bar yakıt basıncı bulunduğu belirtilmektedir.
• Bu hidrolik basınç piezo aktörün hareketinin enjektör kontrol mekanizmasına aktarılmasını sağlar.

Enjektör İğnesinin Açılması

Kontrol mekanizmasının hareketiyle geri dönüş yolu açıldığında enjektör iğnesinin üst tarafındaki kontrol basıncı hızla azalır. Enjektör memesindeki hidrolik kuvvetlerin dengesi değişir ve enjektör iğnesi açılarak yakıt püskürtülmeye başlanır.

Enjektör İğnesinin Kapanması

Enjeksiyon sona erdirildiğinde kontrol valfi tekrar kapanır. Enjektör iğnesinin üst tarafında rail basıncı yeniden oluşturulur ve hidrolik kuvvet ile yay kuvvetinin etkisiyle iğne yuvasına oturur. Böylece yakıt püskürtmesi sona erer.

Enjektör Geri Dönüş Sisteminin Fonksiyonu

Kaynak dokümanda enjektör geri dönüş sisteminin iki temel fonksiyonu belirtilmiştir:

1. Enjektör yakıt geri dönüş hattında kaynak sistem için belirtilen 10 bar yakıt basıncını oluşturmak ve korumak.
2. Yakıt sisteminin havası alınırken enjektörlerin yakıt geri dönüş bölümünün yakıtla doldurulmasına yardımcı olmak.

Common Rail enjeksiyon sistemi yüksek basınç altında çalıştığından, motor çalışırken veya sistem basıncı güvenli biçimde düşürülmeden yüksek basınç yakıt boruları ve enjektör bağlantıları kesinlikle gevşetilmemelidir. Servis ve arıza teşhis işlemlerinde araç üreticisinin prosedürleri uygulanmalıdır.

Kaynak: Volkswagen teknik eğitim bilgileri.

Dizel motorlar, yakıt enjeksiyon sistemleri ve motor teknolojisiyle ilgili diğer teknik içeriklere MotorDersi üzerinden ulaşabilirsiniz.