O SISTEMA DE INJEÇÃO COMMON RAIL

Traduzido a partir do original no  site MTU

Com a injeção de combustível common rail, o processo de combustão pode ser otimizado para atingir níveis de poluentes mais baixos combinado com menor consumo de combustível. O combustível é injectado na câmara de combustão a partir de um trilho comum (common rail) sob alta pressão. O sistema de controle electrónico assegura que o início da injecção, a quantidade e o tempo sejam independentes da velocidade do motor. Em 1996, com o motor Série 4000, a MTU foi o primeiro fabricante de motores diesel de grande porte a introduzir injeção de combustível common rail como uma característica padrão.

Pioneiro do sistema de injeção de combustível common rail

Os regulamentos de emissões para motores a diesel em aplicações tais como navios, trens e veículos de carga pesada e geradores em todo o mundo estão se tornando mais rigorosos e fazem modificações importantes nas unidades de energia necessárias. Ao mesmo tempo, os clientes estão constantemente buscando motores mais econômicos. Sistemas de trataemento pós exaustão, tais como conversores catalíticos SCR (Selective Catalytic Reduction: SCR) ou filtros de partículas diesel são uma forma de reduzir as emissões, mas isso também requer uma maior demanda de espaço e potencialmente almenta as necessidades de manutenção do motor. Por estas razões, a MTU essencialmente busca uma política de redução das emissões através de melhorias internas do motor. A combustão do combustível dentro do motor é melhorada de tal forma que, se de todo possível, as emissões não sejam produzidas no primeiro lugar. Se necessário, a MTU introduz uma segunda fase de controle de emissões através do qual as emissões nocivas restantes sejam removidas por sistemas de pós-tratamento de gases de escape.

Como parte das melhorias internas do motor, um dos principais meios de controle de combustão para a obtenção de combustíveis limpos, além da recirculação dos gases de escape, é o sistema de injeção de combustível. Ele é projetado para injetar o combustível em alta pressão no momento precisamente certo, ao mesmo tempo em que também dosa-se precisamente a quantidade de combustível injetado a fim de criar as condições necessárias para a baixa emissão de combustão dentro do cilindro. Com um controle preciso do volume de combustível fornecido a alta pressão, o consumo de combustível pode ser drasticamente reduzido. Esta é a razão pela qual a MTU implementou uma mudança de tecnologia de sistemas convencionais de injeção mecânica para o flexível sistema common railway controlado eletronicamente numa fase muito precoce – naquele tempoo, principalmente com vista à produção de motores mais econômicos. Em 1996, a MTU equipou a série 4000, o primeiro motor diesel de grande porte, com um sistema common rail como uma característica padrão.

Uma tubulação de combustível do sistema – o assim chamado trilho (rail) que dá nome ao sistema - supre todos os injetores de combustível do motor com o combustível. Quando o combustível está para ser injetado mum cilindro, o sistema abre o bico do injetor relevante e o combustível flui a partir do trilho para a câmara de combustão, é atomizado por a pressão elevada no processo, e se mistura com o ar. Os componentes do sistema common rail têm que ser controlado com extrem aprecisão e flexibilidade. Para isto, a MTU usa sua ECU (Unidade de Controle Motor, ver Figura 1 – Engine Control Unit - ECU), um sistema de gerenciamento do motor que foi desenvolvido pela empresa. Devido aos padrões cada vez mais rigorosas de emissões para os motores de todas as classes de potência e todos os tipos de aplicação, a MTU, no futuro, equipará todos os novos motores desenvolvidos com injeção de combustível common rail.

Fig 1 - MTU Common Rail System Series 4000

A performance e flexibilidade do sistema CR cria os prerequisitos para combustão limpa e eficiente.

Emissões mais baixas devidas à combinação com outras tecnologias chave

Com a otimização da combustão devidos às características de projeto internas do motor há uma interacção de três vias entre a formação do óxido de nitrogênio, a produção de partículas de fuligem e o consumo de combustível: quanto mais intensiva a combustão e, portanto, a conversão de energia, menor as emissões de partículas e o consumo de combustível e maiores as emissões de óxido de nitrogênio. Inversamente, a combustão retardada conduz não só à menor formação de óxido de nitrogênio, mas também a maior consumo de combustível e maiores níveis de emissão de partículas. O trabalho dos projetists de motor é encontrar um meio termo entre estes extremos para cada ponto no mapa de desempenho do motor. Ao fazer isso, eles devem harmonizar o efeito do sistema de injecção de combustível com o de outras medidas internas do motor, tais como a recirculação dos gases de escape, a qual reduz as emissões principalmente de óxido de nitrogênio, e dos sistemas externos de pós-tratamento dos gases de escape. Como um pioneiro neste campo, a MTU pode beneficiar-se dos muitos anos de experiência com sistemas de injeção de combustível produzidos pela subsidiária da empresa Tognum L'Orange e outros fornecedores. No decurso deste período, a MTU adquiriu experiência abrangente na integração do sistema de injecção common rail de combustível em motor. Isso permitiu à empresa utilizar plenamente o potencial do sistema de injeção de combustível em combinação com outras tecnologias-chave para refinar o processo de combustão. Os dois principais parâmetros de injeção de combustível que afetam o consumo de combustível são a taxa de injeção e a pressão de injeção.

Taxa de injeção: pre-, principal e pós injeção

A taxa de injeção determina quando e quanto combustível é injetado no interior do cilindro. A fim de reduzir as emissões e o consumo de combustível, o estágio de evolução atual do sistema de injeção para motores MTU divide a seqüência de injeção de combustível em até três fases distintas (ver Figura 2). O momento do início da injeção, a duração e amplitude são definidos pelo usuário de acordo com o mapa de desempenho do motor. A fase de injeção principal fornece o combustível para gerar a saída de potência do motor. Uma fase de preinjection inicia o lavanço da combustão para proporcionar combustão controlada do combustível na fase de injeção principal. Isto reduz as emissões de óxidos de nitrogênio, porque a combustão abrupta impede elevadas temperaturas de pico. Uma fase de pós-injeção logo após a fase de injeção principal reduz as emissões de partículas. Além disso, melhora a mistura de combustível e ar, durante uma fase tardia de combustão para aumentar a temperatura na câmara de combustão, o que propicia a oxidação de fuligem. Dependendo do ponto de funcionamento do motor, a fase de injecção principal pode ser suplementada, conforme necessário, incluindo as fases de pré e/ou pós-injeção.

Fig. 2: Fluxo de combustível e sequência de injeção para injeção multifase.

MTU divide a seqüência de injeção de combustível em até três fases distintas. A fase de injeção principal descarrega o combustível, uma fase de pré-injecção reduz a carga sobre a engrenagem de transmissão da cambota, e uma fase de pós-injeção reduz as emissões de partículas. Isto faz com que tanto o consumo de combustível quanto as emissões sejam reduzidas.

Pressão de injeção: presses de pico de até 2,200 bar

Pressão de injeção tem uma influência significativa nos níveis de emissões de partículas. Quanto maior for a pressão de injeção, melhor a atomização do combustível durante a injeção e sua mistura com o oxigénio do cilindro. Isto resulta em uma combustão praticamente completa do combustível com conversão de energia elevada, durante a qual apenas quantidades mínimas de partículas são formadas. Por esta razão, a MTU tem continuamente aumentado a pressão de injeção máxima dos seus sistemas common rail a partir de 1400 bar, no caso do motor Série 4000 em 1996 para os atuais 2200 bar para a Série  de motores 1600, 2000 e 4000 (ver Figura 3). No caso da Série de motores 8000, é 1.800 bar. Para futuras gerações de motores, a MTU está mesmo a planear pressões de injeão de até 2.500 bar.

No mesmo período, a MTU tem melhorado a durabilidade do sistema e facilidade de manutenção. Um conceito de filtro concebido para satisfazer os requisitos tem melhorado ainda mais a capacidade do sistema de injecção de lidar com a contaminação por partículas no combustível. No futuro, o intervalo de manutenção de injetores será estendido com o auxílio do diagnóstico electrónicos.

Fig. 3: Mudanças nas pressões de injeção a partir de 1996 para motores da Série 4000

Desde 1996, a MTU tem aumentado as pressões de injeção para reduzir o consumo e as emissões de partículas. Desde 2000, a MTU tem usado versões avançadas do sistema common rail nas séries 4000, entre outras, na qual cada injetor de combustível tem seu próprio reservatório de combustível. A vantagem é que, mesmo com quantidades de injeção de grande volumes, o acumulador de pressão (rail) permanece livre de flutuações de pressão e as sequências de injeção dos cilindros individuais não interferem uns com os outros.

Solo system: injectors with their own fuel reservoir

Por causa de suas capacidades de desempenho, o sistema de injeção common rail estabeleceu-se como equipamento padrão em motores a diesel de carro no decorrer dos últimos anos. A versão do sistema também é adequado para utilização em motores de pequena capacidade industriais. No caso de motores com maiores capacidades de cilindro, no entanto, o sistema common rail convencional está agora revelando as suas limitações, uma vez que estes requerem uma quantidade relativamente grande de combustível a ser injetado para o interior do cilindro, durante cada curso de ignição. Isso produz pulsações de pressão no reservatório de combustível do sistema common rail que pode interferir com as seqüências de injeção subseqüentes. Desde 2000, a MTU tem usado uma versão avançada do sistema common rail para a série  de motores 4000 e 8000, e a partir de 2004 também para a série 2000, em que os injetores de combustível tem um reservatório de combustível integrado (ver Figura 4). Isto permite que as linhas de combustível entre os injetores e o acumulador comum tenha uma seção transversal relativamente pequena. Durante uma sequência de injeção, tudo o que acontece é que a pressão no reservatório do injector de combustível próprio cai ligeiramente. Isto evita que as flutuações de pressão no sistema common rail e, portanto, um sub ou sobre suprimento de combustível para os injetores.

Injetor MTU com Reservatório de Combustível

A utilização de injetores com um reservatório de combustível integrado impede flutuações de pressão no sistema common rail e, por conseguinte, um suboferta ou excesso momentâneo de combustível para os injetores.

Soluções sob medida para uso flexível de combustível

Com os níveis mais elevados de desempenho técnico dos sistemas de injeção, as demandas impostas ao combustível em termos de pureza e qualidade também sobem. Assim, o combustível deve cumprir com valores pré-definidos para a viscosidade e lubricidade, já que os componentes das bombas de alta pressão e os injetores são lubrificados com o combustível. Também deve estar livres de qualquer contaminação que possam  levar a danos abrasivo nestas pressões elevadas que se emprega. Para garantir que o motor funcione corretamente, por conseguinte, apenas o combustível diesel que seja aprovado para a aplicação em questão e que cumpre a norma aplicável pode ser usado. A pedido do cliente, a MTU realiza análises para aprovação do pedido específico de outros combustíveis, em estreita cooperação com a subsidiária Tognum L'Orange ou fornecedores alternativos. Com algumas aplicações, por exemplo, uma falta de propriedades de lubrificação sobre a parte do combustível pode ser compensada por revestimentos especiais sobre o sistema de injeção. Além disso, a MTU auxilia os clientes na concepção do tanque no local e do sistema de combustível.Isto é de grande interesse para os veículos de mineração, por exemplo, que são submetidos a altos níveis de exposição de pó.

Resumo

A MTU desenvolve continuamente seus motores para garantir que eles vão ao encontro dos rígidos padrões de missões futuras, enquanto que ao mesmo tempo consumo o mínimo de combustível possível. Para este fim, a MTU otimiza o consumo de combustível no cilindro por meio de seu sistema de injeção de combustível common rail controlado eletronicamente em conjunto com outras tecnologias tal como a recirculação de gases de escape. Conseguindo-sel uma combustão eficiente e limpa,  os gastos com sistemas de pós tratamento podem ser minimizados e, em alguns casos, eliminados por completo. A MTU tem utilizados os sistemas common rail comsucesso desde 1996 e tem continuamente avançado a tecnologia em colaboração com a subsidiária de Tognun, L’Orange, e outros fornecedores. Devido à sua vasta experiência em sistemas de injeção common rail, a MTU é capaz de explorar ao máximo o potencial da tecnologia a fim de tornar os motores extremamente limpos e econômico.