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.

Recirculação de Gases de Escape - EGR

Conteúdo extraído do site do fabricante MTU

Emissões de óxido de nitrogênio podem ser reduzidos com uso da tecnologia interna do motor pelo resfriamento de parte dos gases de escape, o qual é então reencaminhado à carga de ar. Isto resulta na redução da temperatura de combustão e menos óxido de nitrogênio é produzido. Este processo é conhecido como Recircuolação de Gases de Escap – Exhaust Gas Recirculatio (EGR) – e é um dos métodos principais utilizados para reduzir emissões de óxido de nitrogênio de motores diesel. A MTU tem testado esta tecnologia chave por muitos anos. Como um recurso padrão, será incluído pela primeira vez nos motores da Série 4000 – a partir de meados de 2011 em motores a diesel e a gás para aplicações que necessitam estar em conformidade com os padrões de emissão provisória da EPA, seguido de aplicações ferroviário que precisão estar de acordo com os padrões  EU Stage IIIB que entrão em vigor a partir de 2012.

Formas de se reduzir as emissões de óxido de nitrogênio

A firm de cumprir com as normas de emissões cada vez mais severas em todo o mundo, fabricantes de motores são obrigados, não só a reduzir substancialmente as emissões de particulas de fuligem (PM), mas também emissões de óxidos de nitrogênio. A abordagem principal que a MTU visa é a de baixa emissão de combustão, em outras palavras, uma solução interna ao motor. No entanto, isto significa levar em conta um princípio básico que rege o processo de combustão – se o combustível queima-se internamente na mais elevada temperatura no interior do cilindro, pouca fuligem é produzida contra uma elevada quantidade de óxido de nitrogênio  Por outro lado, em baixas temperaturas de combustão, emissões de óxido de nitrogênio são reduzidas, enquanto a produção de partículas de fuligem é elevada. Para se encontrar o equilíbrio certo, todas as tecnologias-chave que afetam a combustão deve ser perfeitamente casada. Quando combinado com a injeção de combustível e sobrealimentação em particular, o uso da recirculação de gases de escape resulta em um processo de combustão que produz níveis de óxido de nitrogênio significativamente menores.

Fig. 1 – Integração da recirculação de gás de escape na concepção do design do motor. A MTU tem integrado o sistema de recirculação de gás de escape no design do motor de maneira que tem pouquíssimo efeito nos requisitos de espaço.

Fig 2 - Na recirculação de gases de escape, uma parte do gás é retornado à admissão de ar fresco. A mistura resultante de ar fresco e gás de escape tem um poder calorífico inferior em termos de volume. Isto baixa as temperaturas na cãmara de combustão, consequentemente reduzindo a produção de óxido de nitrogênio (NOx)

Benefícios da recirculação de gás

De modo geral, os sistemas destinados a reduzir as emissões devem ser modificados para coincidir com os sistemas de acionamento. A MTU tem produzido um design muito compacto que permite que todos os componentes do sistema de recirculação de gás de escape sejam integrados na concepção do motor (vide figura 1), de modo que quaisquer modificações no motor tenham relativamente pouco efeito nos requisitos do motor e no sistema de escape. No entanto, é necessário modificar o radiador, a fim de lidar com o aumento da capacidade de arrefecimento do motor. O sistema recirculação de gases não requer consumíveis aidicionais para reduzir os níveis de óxido de nitrogênio, o que resultaria por outro lado em custos para um tanque de combustível adicional e tubulações. O cliente se beneficia em termos de redução de custos  de manuseio e manutenção.

Princípio de operação

Na recirculação dos gases de escape, uma parte do gás de escape é retirada do sistema de escape, arrefecida e reencaminhada para dentro dos cilindros (vide figura 2). Embora os gases de escape encham a câmara de combustão, ele não está envolvido na reação de combustão que acontece no cilindro devido ao seu baixíssimo conteúdo de oxigênio. A velocidade do processo de combustão global é então reduzida, resultando numa temperatura de pico da ignição (flama) reduzida. Isso reduz drasticamente a produção de dióxidos de nitrogênio.

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Informe.

Recirculação dos gases de escape de alta e baixa pressão

O sistema de recirculação dos gases de escape amplamente utilizado hoje retira parte do fluxo de escape a montante da turbina do turbocompressor e o realimenta ao sistema de ar de admissão a jusante do sistema de admissão do compressor. Ele funciona no nível da pressão impulso gerada pelo turbocompressor e é, portanto, referido como recirculação de gases de escape de alta pressão. No caso de baixa pressão de recirculação de gases de escape, os gases de escape são retirados a jusante da turbina do turbocompressor e reencaminhados para montante do compressor, de modo que o nível de pressão seja aproximadamente equivalente à pressão ambiente. Em comparação com a alta pressão de recirculação dos gases de escape, o sistema de baixa pressão de recirculação tem sérias desvantagens: o compressor tem que trabalhar mais, de forma que o calor a ser removido do intercooler aumenta. Além disso, o sistema requer um filtro de partículas, já que de outra forma partículas no sistema de gases de escape poderiam danificar os componetnes do sistema de recirculação ou o compressor e o intercooler. Por comparação, a alta pressão de recirculação de gases de escape é inerentemente mais robusto de modo que nenhum filtro de partículas seja necessário. Baixa pressão de recirculação dos gases de escape pode ser um meio de, posteriormente, se atualizar um projeto de motor existente para cumprir as normas de emissão mais rigorosas. Devido às desvantagens consideráveis ​​do sistema, particularmente no que diz respeito à exigência de manutenção para o cliente, a MTU não está atualmente a trabalhar nesta versão

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Solução patenteada da MTU: a concepção de cilindro doador.

A recirculação dos gases de escape é mais exigida ao nível dos gases de escape do turboalimentador, uma vez que pressões de impulso maiores têm que ser alcançadas com o fluxo de massa reduzida no sistema de turboalimentação. Estas pressões de impulso elevadas são necessárias para dirigir o fluxo de massa elevado resultante da taxa de recirculação de gases de escape para dentro do cilindro durante o ciclo de gás. Além disso, o gás de escape só pode ser redireccionado para dentro dos cilindros quando existe uma queda de pressão entre os gases de escape e os sistemas de ar de alimentação. Esta queda de pressão deve ser estabelecida com um sistema de turbocarregamento configurado adequadamente, o que resulta numa redução da eficiência da sobrealimentação. A queda de pressão entre os sistemas de gases de escape e de ar de alimentação conduz a perdas no ciclo de gás. Esses fatores tendem a resultar em menor desempenho do motor ou maior consumo de combustível. Para melhorar o efeito combinado de recirculação dos gases de escape e turboalimentação, a MTU desenvolveu o que é conhecido como o sistema de recirculação de gás de escape do cilindro doador (ver Figura 3a).

Fig. 3a – Em comparação com o sistema convencional de recirculação de gás de escape a alta pressão, o sistema patenteado da MTU alcnça menores consumos de combustível, já que reduz as perdas no ciclo de gás no motor e permite níveis mais alto de eficiência do turboalimentador. Isto requer uma válvula de escape adicional do cilindro doador.

O sistema patenteado da MTU utiliza somente alguns dos cilindros do motor como doador para a recirculação de gás de escape. Uma válvula de escape (válvula doadora) retém o fluxo de gases de escape a jusante dos cilindros doadores e assim cria uma queda de pressão necessária entre os gases de escape e o sistema de ar de alimentação. Isto significa que o sistema de turboalimentação pode ser otimizado para um nível de eficiência excelente, com as perdas no ciclo de gás afetando somente os cilindros doadores. Comparado com o sistema de recirculação de gás convencional a alta pressão (como é o caso dos motores da Série 1600), a concepção de cilindro doador (Série 2000 e 4000) alcança menor consumo de combustível, já que se reduzem as perdas no ciclo de gás no motor e permite níveis de eficiência de turbo alimentação maiores. Para este propósito, uma válvula de escape adicional do cilindro doador é necessária em comparação com o sistema de recirculação de gás de escape a alta pressão. Acumulação de sujeira nos componentes e a quantidade de serviço requerido ao longo da vida útil do motor são menores com a concepção de cilindro doador, como ocorre no caso da recirculação de gás de escape a alta pressão: ao contrário, na situação com baixa pressão de recirculação de gases de escape, o gás de escape só é alimentado para o ar de admissão quando este estiver muito próximo de ser admitido no cilindro, o que significa que apenas ar limpo flui através do rotor do compressor e do trocador de calor (intercooler) e não gás de escape contendo partículas.

Sistema de resfriamento para a recirculação de gás de escape

O gás de escape retirado para a recirculação tem uma temperatura de cerca de 650 graus Celsius. Por conseguinte, é demasiado quente para ser alimentado diretamente para dentro dos cilindros, o que iria aumentar a temperatura da câmara de combustão ainda mais, e assim anulando sua finalidade real - o de reduzir a formação de óxidos de nitrogênio, através do rebaixamento da temperatura de combustão. Por esta razão, o gás de escape é primeiro arrefecido até cerca de 120 graus Celsius (ver Figura 4). No caso de motores industriais com taxas elevadas do fluxo de ar de admissão e do gás de escape que requer grandes capacidades de resfriamento, os quais têm de ser supridos por trocadores de calor de alta performance. Basicamente falando, radiadores veícular de padrão comercial podem ser utilizados em tais casos. No entanto, para cobrir a capacidade de resfriamento para um motor de 16 cilindro com uma capacidade de 4.8 litros por cilindro, dependendo do fornecedor, de quatro aoito radiadores veicular comercial convencional da mais alta capacidade disponível seria necessário para a recirculação de gás de escape. O uso deste número de radiadores individual com a força mecânica necessária  não é possível numa aplicação móvel. Por esta razão, a MTU trabalha com os fornecedores para desenvolver soluções de radiador integrado no qual somente componentes internos dos trocadores de calor são adaptados de aplicações veícular comercial aprovada. O corpo do trocador de calor é projetado para combinar com os contornos do motor perfeitamente e incorpora todos os tubos de ligação. Os benefícios para o cliente são exigências de menores espaços, elevada confiabilidade funcional e baixa manutenção. A MTU utiliza tantas peças comuns quanto possível para os motores de uma mesma série com números de cilindros diferentes. Devido ao estágio avançado de desenvolvimento, isto também resulta em um nível elevado de confiabilidade funcional.

Fig. 4: Seção através de um radiador

O gás de escaperetirado para recirculação, a uma temperatura de cerca de 650 graus Celsius é demasiado quente para ser alimentada diretamente para dentro dos cilindros. Por esta razão, o gás de escape é primeiro arrefecido até cerca de 120 graus Celsius. O sistema de arrefecimento é otimamente integrado no conceito de design do motor, de modo que o cliente necessita apenas dispor de espaço muito reduzido.

Resumo

Recirculação dos gases de escape é uma das principais tecnologias internas de motor da MTU para redução de emissões. Pode ser usado para reduzir a formação de óxido de nitrogênio no interior do cilindro em cerca de 40 por cento ou mais, resultando em que muitas aplicações - dependendo dos limites aplicáveis ​​em cada caso - podem satisfazer os padrões de emissão requerido sem a necessidade de pós-tratamento dos gases de escape adicional para remoção NOX. Nos casos em que a legislação de emissões é particularmente rigorosa, um sistema SCR ou mesmo uma combinação de recirculação de gases de escape e sistema SCR é necessário. A MTU produziu uma solução compacta para integrar  todos os componentes de recirculação de gases de escape no conceito de criação do motor de modo que nenhum espaço de instalação adicional é requerido. Isso significa que os clientes podem atualizar suas aplicações para cumprir com novas normas de emissões sem o envolvimento de grande esforço. O sistema também não requer consumíveis adicionais.