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Motores do ciclo Diesel – desenvolvimento de tecnologias geram mais eficiência e desempenho


Na segunda metade dos anos 90 verificou-se um acentuado progresso no desenvolvimento de novas tecnologias, o que resultou em motores diesel com reduzido nível de ruído, de emissões e no consumo de combustível

Por: Humberto Manavella - 22 de junho de 2021

As medidas aplicadas no sentido de atender às estritas normas de emissões visam à melhoria do processo de combustão, do sistema de gerenciamento da alimentação de combustível e de pós-tratamento, sendo as soluções mais relevantes:

1. Otimização do processo de combustão. Os principais avanços incluem: Sistemas “common rail”, injetores de alta pressão, injeção múltipla.

2. Projeto avançado do motor Diesel. Câmara de combustão, diminuição de peso.

3. Reformulação do combustível. Utilização de biocombustíveis, o que possibilita melhoras no consumo e desempenho e diminuição das emissões de CO, HC e CO2. 

4. Pós-tratamento dos gases de escape. Principalmente, NOx e material particulado.

5. Aplicação intensiva de tecnologias de controle eletrônico. Gerenciamento eletrônico da operação tanto do motor como dos dispositivos de pós-tratamento. 

6. EGR. Aumento da taxa e controle preciso da recirculação dos gases de escape.

7. Indução forçada. Turbo de geometria variável e aplicação de sistemas de sobrealimentação a todo motor produzido atualmente.

TECNOLOGIAS DE INJEÇÃO DE COMBUSTÍVEL

No motor diesel original a pressão de injeção e a calagem (avanço) são dependentes da rotação. Isto resulta em imprecisão na quantidade injetada e na falta de resposta adequada frente a câmbios de regime.

Já nos motores diesel com controle eletrônico, estas limitações foram totalmente superadas com as tecnologias utilizadas atualmente, sendo a mais relevante o sistema de Rampa Comum ou “Common Rail”.

É um sistema de injeção direta que permite um maior controle da injeção se comparado com os sistemas de injeção mecânica e que possui uma grande flexibilidade quanto ao gerenciamento da quantidade injetada de combustível, que pode variar de forma contínua em resposta às condições transientes do motor.

Por sua vez, a alta pressão de combustível, já presente durante a partida, elimina a tradicional emissão de fumaça, característica dessa condição em motores mais antigos.

Sistema “Common Rail” - Rampa ou Duto Comum

Nos sistemas de rampa ou duto comum todos os injetores, controlados eletronicamente, são alimentados uniformemente, atra­vés de uma mesma linha de alta pressão. As vantagens básicas são:

- A alta pressão de injeção, que independe do regime de rotação do motor, favorece a melhor atomização do combustível, o que resulta numa combustão quase completa com a conseguinte redução do material particulado.

- Injeção mais rápida que possibilita a implementação do mecanismo de “injeção múltipla” que ajuda a diminuir as altas temperaturas na câmara de combustão reduzindo assim, de forma significativa, a formação de NOx. 

- Permite o controle preciso: da pressão de injeção do combustível, do avanço (início) da injeção, do número de injeções e da quantidade injetada de combustível.

Sistema de Alimentação de Combustível - Bosch EDC - A figura 1 apresenta como exemplo de aplicação, a configuração básica do sistema de alimentação de combustível Bosch Common Rail EDC16, sendo esta uma das várias configurações do sistema EDC existentes no mercado. São seus componentes:

- Bomba de Alta Pressão. Constituída de:

• Três câmaras com 3 pistões acionados por um rotor excêntrico. Responsável pela geração da alta pressão. Dependendo da configuração, a pressão de operação pode ser: 1) 1250 bar, 2) 1600 bar ou 3) 2000 bar+ 

• Bomba de transferência. Responsável pela transferência do combustível do tanque para a bomba de alta pressão. Pode ser: [1] uma bomba de engrenagens instalada no mesmo corpo da bomba de alta pressão ou [2] uma bomba elétrica instalada no tanque ou fora deste.

No caso de bomba elétrica, o circuito de acionamento possui um interruptor inercial que interrompe o circuito de aterramento na eventualidade de uma forte desaceleração do veículo provocada por acidente. 

- Válvula Reguladora de Volume. Regula o fluxo ou volume de combustível admitido pela bomba de alta pressão. É controlada pela UC com sinal de ciclo de trabalho variável de 180 Hz (ciclos/segundo).

• Com a válvula desenergizada (aberta; ciclo de trabalho = 0%) verifica-se máximo volume de combustível retornando ao tanque e mínimo volume sendo admitido pela bomba de alta pressão.

• Com a válvula energizada (fechada; ciclo de trabalho = 100%) verifica-se mínimo volume retornando ao tanque e máximo volume sendo admitido pela bomba.

Variando o ciclo de trabalho do sinal, a UC ajusta o volume de combustível às condições de funcionamento. Como resultado da ação da válvula reguladora de volume:

• Somente a quantidade de combustível necessária à condição de funcionamento do motor é admitida no duto comum.

• O combustível que retorna ao tanque tem uma temperatura menor que aquela no caso de passar previamente pela rampa comum.

• Diminui a carga parasita da bomba de alta pressão já que esta processa somente o volume de combustível necessário às condições de funcionamento. Isto resulta na diminuição das emissões e no aumento do rendimento total.

Em algumas configurações do sistema EDC, a bomba possui uma eletroválvula, comandada pela UC, que desativa um dos pistões e que cumpre assim a função de válvula reguladora de vazão.

- Regulador de Alta Pressão. Controla a pressão de alimentação da rampa. E acionado pela UC com sinal de ciclo de trabalho variável de 1000 Hz (ciclos/segundo). Na condição de repouso a válvula permanece aberta. Trabalha em conjunto com a válvula reguladora de volume. 

- Válvula Limitadora de Pressão. É de acionamento mecânico. Instalada no duto comum, protege o sistema no caso de pressão excessiva. Por exemplo, a válvula abre (permitindo o retorno do combustível ao tanque) com pressão de 2300 bar em sistemas que trabalham com pressão máxima de 2000 bar.

- Duto Comum (“common rail”). Armazena o combustível para ser distribuído aos injetores. Contribui para reduzir as oscilações de pressão causadas pela ação cíclica da bomba de alta e pela operação dos injetores. Na marcha lenta a pressão da rampa está em torno de 300 a 400 bar.

- Sensor de Pressão. Na maioria dos casos é um sensor piezorresistivo. A informação é utilizada pela UC no cálculo do ciclo de trabalho aplicado à válvula reguladora de volume e ao regulador de alta pressão.

- Serpentina de arrefecimento. Na linha de retorno existe uma serpentina de arrefecimento do combustível aquecido pela bomba de alta pressão.

- Filtro de Combustível. Nele estão instalados: [1] um sensor de temperatura, [2] um sensor de presença de água e [3] um resistor para aquecimento do combustível. Este último é ativado com temperatura inferior a 6O0C para evitar a formação de compostos parafínicos (ceras).

- Injetores Piezoelétricos ou Acionados por Solenoide. 
Injeção múltipla - Este mecanismo, presente em todos os sistemas “common rail”, permite diminuir o ruído característico do motor diesel assim como as emissões e o consumo. É um mecanismo utilizado para aumentar a eficiência de combustão e diminuir as emissões. 

A figura 2a ilustra este conceito. Salienta o fato que a combustão (tempo Tc) começa com certo atraso após o início da injeção, e finaliza depois de cessar a entrada de combustível.
Injeção “piloto”: Denominada também, de “pré-injeção”. É um processo no qual uma pequena parte do combustível é injetada e entra em combustão antes de ocorrer a fase de injeção principal. 

Esta “pré-combustão” acelera e regula o processo de combustão principal, o que resulta num gradual aumento da temperatura e da pressão com valores máximos menores. Como resultado, verifica-se uma diminuição do ruído e da geração de NOx e material particulado (fumaça).

A eventual perda de potência específica, provocada pela pressão máxima menor, é compensada com o aumento da pressão de injeção e com a sobrealimentação. 

Por outro lado, se verifica um aumento de HC e CO devido ao esfriamento do combustível da injeção piloto em contato com a parede do cilindro. Este problema é contornado utilizando o mecanismo de “injeção principal múltipla”, analisado a seguir.
Injeção Principal Múltipla: É uma estratégia na qual o combustível correspondente à injeção principal é injetado em 2 ou mais eventos. A figura 2b ilustra de forma esquemática este processo. Neste caso, 50% do combustível é injetado com o primeiro pulso e os outros 50% com o segundo, separados por um intervalo de 4 graus de giro do virabrequim sem injeção. 

Dosando a mesma quantidade que aquela da figura 2a, em 2 ciclos separados de injeção, o combustível se mistura com uma quantidade maior de oxigênio, o que resulta numa combustão mais completa, com o consequente aumento da eficiência de combustão.

Como resultado verifica-se a redução simultânea de HC, CO, NOx e material particulado. Como consequência, há também uma diminuição do consumo.

A injeção principal múltipla exige injetores de acionamento rápido pelo que este mecanismo é aplicado, principalmente, em sistemas de rampa comum com piezo injetores.

Assim, sistemas “common rail” com piezoinjetores, como o utilizado, por exemplo, em motores V8 da Audi, possibilitam até 5 pulsos de injeção a cada ciclo de compressão. A 4.000 rpm isto representa 20.000 injeções por minuto ou 330 por segundo.

Pós-injeção: É um processo através do qual uma pequena quantidade de combustível é injetada durante o ciclo de expansão e que resulta numa combustão incompleta com o aumento das emissões de HC e CO. A combustão destes componentes será completada no catalisador oxidante presente obrigatoriamente nestes sistemas e que promove o aumento da temperatura dos gases de escape, aumento este necessário à regeneração do filtro de particulado. 

A figura 3 mostra o exemplo de uma onda de corrente de injeção múltipla correspondente a um injetor acionado por solenoide. Reparar na característica “peak-and-hold” (pico e manutenção) do pulso de corrente da injeção principal. Inicialmente, é aplicada uma tensão entre 60 e 80V para provocar a abertura rápida do injetor. Como mostra a figura, isto resulta num pico de corrente de 10A. A seguir, com o injetor aberto, a tensão é diminuída para o nível de bateria. Como resultado, a corrente também diminui para um valor em torno de 6A. Com este procedimento consegue-se a redução da dissipação de potência na resistência do solenoide de acionamento.

CONTROLE DA INJEÇÃO PILOTO

Um sensor de aceleração (acelerômetro), posicionado convenientemente no bloco do motor, detecta as acelerações instantâneas (vibrações) provocadas nos cilindros a cada ciclo de combustão. Esta informação é utilizada pela UC, para ajustar o avanço e o tempo da injeção piloto, de forma a gerar o mínimo de ruído e vibração, compatível com a potência requerida. Através desta informação, a UC pode compensar o desgaste de alguns componentes como, por exemplo, injetores. Este sensor desempenha uma função similar àquela do sensor de detonação no motor de ciclo Otto.

CONTROLE DA INJEÇÃO EM MALHA FECHADA

No motor diesel, o controle em malha fechada implica no ajuste preciso do avanço da injeção às condições de funcionamento pelo que, a UC deve conhecer como evolui a pressão dentro da câmara. Para este fim, o dispositivo utilizado é um sensor de pressão integrado à vela de pré-aquecimento de cada cilindro.

Como mostra a figura, o aquecedor se movimenta em função da variação da pressão dentro do cilindro e aciona um diafragma piezorresistivo que cumpre a função de sensor de pressão. No controle do avanço da injeção, o sensor de pressão cumpre uma função similar àquela do sensor de oxigênio no controle da mistura admitida no motor ciclo Otto. 

Características Funcionais

1. A informação do sensor permite determinar, em tempo real (constantemente), o ângulo de giro para o qual a pressão de combustão atinge o máximo e assim, estabelecer uma malha de realimentação para o ajuste do avanço de injeção e da quantidade de combustível injetada, o que permite compensar variações no índice cetano do combustível e na calibração/desgaste de injetores. Ou seja, possibilita controlar a injeção de combustível (avanço e volume) em malha fechada.

Por outro lado, e em função da pressão no cilindro estar diretamente relacionada com a temperatura, a injeção pode ser ajustada para limitar a pressão e temperatura máximas e com isto, a emissão de NOx.

2. A informação do sensor possibilita a detecção de falhas de combustão. Como resultado disto, o monitor de falhas de combustão é executado ao longo de toda a faixa de operação do motor.

Nos motores que não possuem sensor de pressão, o monitoramento de falhas é feito utilizando a informação do sensor de rotação (CKP), mas, na maior parte dos casos, só na condição de marcha lenta ou pouco acima; por exemplo, entre 500 RPM e 1000 RPM. 

3. A presença do sensor permite realizar o teste de compressão de cilindro através do “scanner”.