sistemas de injeccao diesel

Motores Alternativos

SISTEMAS DE INJECÇÃO DIESEL - Resumos Página 1

INSTITUTO SUPERIOR DE ENGENHARIA DE LISBOA

ÁREA DEPARTAMENTAL DE ENGENHARIA MECÂNICA

SISTEMAS DE INJECÇÃO

DIESEL

ELABORADO POR

ENG. MANUEL MARTINS

Reprodução proibida



ÍNDICE

0. Introdução ....................................................................................................... 4

1. Funcionamento do motor Diesel ..................................................................... 5

1.1. Sistema de alimentação do Motor Diesel ................................................. 5

2. Bombas injectoras .......................................................................................... 6

2.1. Bomba em linha ....................................................................................... 7

2.2. Bomba distribuidora rotativa VE .............................................................. 7

2.2.1. Filtro de combustível separador de água .......................................... 8

2.2.2. Bomba de alimentação ...................................................................... 8

2.2.3. Bomba manual .................................................................................. 9

2.2.4. Filtro de combustível Primário e secundário ..................................... 9

2.2.5. Conjunto Porta injector ...................................................................... 9

2.2.6. Elemento ......................................................................................... 10

2.2.7. Válvula ............................................................................................ 10

2.2.8. Tubos de pressão............................................................................ 10

2.2.9. Bico dos injectores .......................................................................... 11

2.2.10. Bomba alimentadora de palhetas .................................................. 11

3. Vela incandescente ...................................................................................... 12

3.1.1. Filamentos com sistema patenteado Bosch Duraterm .................... 12

3.1.2. Dupla vedação aumenta a durabilidade .......................................... 12

3.1.3. Ligações precisas............................................................................ 12

3.1.4. Camada isolante mais segura ......................................................... 12

3.2. Processo de combustão mais estável e seguro ..................................... 13

3.3. Arranques mais rápidos e melhor desempenho do motor ..................... 13

4. Processo de injecção ................................................................................... 13

4.1. Ignição ................................................................................................... 14

4.2. Atraso da Injecção ................................................................................. 15

5. Tipos de Injecção ......................................................................................... 15

5.1. Injecção indirecta ................................................................................... 16

5.2. Injecção Directa ..................................................................................... 17

5.2.1. Sistemas de injecção directa ........................................................... 18

5.3. Sistema bomba injecção+tubos+injectores ............................................ 19

5.3.1. Sistema injector ............................................................................... 19

6. Sistema de injecção ..................................................................................... 20

6.1. Bomba injectora: .................................................................................... 23

7. Regulação da velocidade ............................................................................. 24

7.1. Governadores mecânicos ...................................................................... 25

7.2. Governadores hidráulicos ...................................................................... 26

7.3. Governadores electrónicos .................................................................... 27

7.4. Governadores Digitais ........................................................................... 27

8. Sistema Common Rail .................................................................................. 28

8.1. O Circuito de combustível Common Rail ............................................... 29

8.2. Variação de pressão no sistema Common Rail ..................................... 31

8.2.1. Princípio básico de controlo ............................................................ 32

8.3. Componentes do Common Rail ............................................................. 33

8.3.1. Medidor de massa de ar .................................................................. 33

8.3.2. Unidade de comando electrónico (ECU) ......................................... 33

8.3.3. Bomba de alta pressão ................................................................... 33



8.3.4. Common Rail .................................................................................. 34

8.3.5. Injectores ......................................................................................... 34

8.3.6. Sensor de velocidade do motor ....................................................... 34

8.3.7. Sensor de temperatura do líquido refrigerante ................................ 35

8.3.8. Filtro de combustível ....................................................................... 35

8.3.9. Sensor do pedal de acelerador ....................................................... 35

9. Funcionamento ............................................................................................. 36

9.1. Estrutura do sistema common-rail. ........................................................ 38

9.2. Circuito baixa pressão ........................................................................... 39

9.3. Circuito alta pressão .............................................................................. 40

9.4. Sistema electrónico ............................................................................... 46

10. Bibliografia .................................................................................................. 47



0. Introdução

A história do motor a Diesel - encontrar um motor que utilizasse totalmente a

energia do combustível consumido, tema proposto pelo físico francês Sadi

Carnot, era a ideia de Rudolf Diesel, criador do motor que leva seu nome.

Rudolf Diesel, cujo nome completo era Rudolf Christian Karl Diesel, nasceu

em Paris, no dia 18 de Março de 1858, numa família de imigrantes alemães, e

ali viveu até 1870. Aos 12 anos, foi deportado para o Reino Unido, devido à

eclosão da guerra franco-prussiana. A partir de Londres, Diesel viajou para

Augsburgo na Alemanha, onde prosseguiu os seus estudos na Universidade

Técnica de Munique. Depois de desenvolver vários projectos, Diesel conseguiu

patentear a sua ideia em 23 de Fevereiro de 1893. Após correcções e ajustes,

o motor foi oficialmente apresentado ao mercado em 1898 com 10cv de

potência, com uma eficiência de 26,2%, com base no seu consumo específico,

contra 16,6% alcançados na primeira versão. O motor foi denominado

carinhosamente de MINHA PRETINHA pelo seu inventor.

Rapidamente esse motor ficou conhecido e começou a ser fabricado em toda a

Alemanha. As primeiras aplicações desses motores ficaram restritas às

centrais geradoras de energia eléctrica.

Uma das primeiras empresas a produzir motores Diesel estacionários foi a

Benz & Cia, que anos mais tarde viria a dividir-se em duas, formando a MWM

(Motoren Werke Manheim AG), que ficou com a produção de motores

estacionários de grande porte, e a Daimler-Benz AG, que passou a produzir

motores de pequeno porte e também automóveis.

Os sistemas de injecção Diesel têm como objectivo proporcionar uma boa

mistura ar/combustível de forma a optimizar a combustão, para tal devem

satisfazer várias condições. Uma boa pulverização é uma das condições mais

importantes, uma vez que quanto mais pequenas forem as gotas mais

facilmente estas se misturam com o ar, e quanto melhor for a mistura melhor

será a combustão. Uma boa pulverização depende da pressão de injecção e da

dimensão dos orifícios dos injectores. A penetração do combustível na câmara

de combustão também é um factor muito importante, o combustível deve ter

uma boa distribuição para chegar a todas as zonas da câmara de combustão,

de forma a aproveitar todo o ar disponível para poder reagir. Assim convém

que algumas gotas sejam maiores que outras, porque as gotas mais pequenas



vaporizam perto do bico injector e as gotas maiores vaporizam mais junto às

paredes câmara de combustão.

Os sistemas de injecção Diesel podem-se dividir, primeiramente, em dois tipos

de sistemas, injecção directa e injecção indirecta.

1. Funcionamento do motor Diesel

Os motores ciclo Diesel de quatro tempos possuem uma forma de

funcionamento até certo ponto parecida com a dos motores a explosão.

Primeiro, o ar é aspirado pelo turbo compressor. Após ser comprimido, o ar é

direccionado para o intercooler, para ser arrefecido e adquirir a densidade

correcta. Posteriormente, o ar encaminha-se para o colector de admissão e

entra para o interior das câmaras, conforme o tempo de abertura das válvulas

de admissão. O sistema Diesel utiliza os quatro tempos à semelhança do ciclo

Otto (Admissão – Compressão – Combustão – Escape). A maior diferença

ocorre no terceiro tempo, o de combustão. Nos motores de ciclo Otto é

necessária a presença de uma faísca para inflamar a mistura ar/combustível,

pronta e comprimida. Já no Diesel, a compressão não é de uma mistura pronta,

mas sim de ar puro, que se torna altamente aquecido pela elevada compressão

que sofre dentro do cilindro. A inflamação ocorre pela injecção de combustível

sobre o ar aquecido.

1.1. Sistema de alimentação do Motor Diesel

O combustível é aspirado do depósito até a bomba injectora pela acção

positiva de uma bomba de transferência (Alimentação). Em seguida, passa por

um pré-filtro para remover as partículas contaminantes. A bomba de

transferência fornece, então, à bomba injectora o combustível em baixa

pressão. O gasóleo passa pelo filtro de combustível antes de chegar à bomba

que comprime o combustível, enviando-o por linhas individuais a cada injector

onde se atingem altas pressões, necessárias à atomização e queima nas

câmaras de combustão. Ao alcançar o injector, o combustível comprimido

provoca o accionamento da agulha que veda os orifícios do injector com a

câmara de combustão, vencendo a carga de uma mola e calços que

determinam a pressão de abertura e possibilita a entrada do gasóleo de forma

optimizada. A fuga de combustível em redor da agulha para refrigeração é



recolhida pelo colector de retorno, que o envia por uma ligação e pela tubagem

de retorno ao depósito.

2. Bombas injectoras

A bomba injectora é um dos componentes mais importantes do sistema de

alimentação dos veículos Diesel. Ela é responsável por injectar o combustível

no motor para que ocorra a combustão. Esse trabalho é realizado em conjunto

com o regulador de rotação, que controla todas as faixas de rotação de acordo

com a carga aplicada ao motor e o seu funcionamento, doseando a quantidade

de gasóleo injectado e o início de injecção correcto para a melhor combustão.

Nos motores electrónicos esse processo é gerido pelas unidades electrónicas

de comando. Mas, nos modelos mecânicos, a bomba é regulada manualmente

por profissionais especializados com o auxílio de ferramentas específicas, além

de diversos testes realizados em equipamento apropriado. Quando a bomba

está regulada e o motor em bom estado, o funcionamento é perfeito e respeita

as leis de emissão de poluentes, proporcionando desempenho e consumo

estabelecidos pela montadora.

Apesar das diferenças entre fabricantes e sistemas de bombas injectoras, a

alimentação dos motores movidos a Diesel é praticamente a mesma para todos

os veículos.

Existem inúmeros modelos e tipos de bombas injectoras. A diferença entre elas

está na aplicação quanto à potência do motor que vai equipar. Algumas

aplicações foram projectadas para ser instaladas na parte traseira do motor,

com o objectivo de reduzir ruídos, devido à maior carga aplicada nos motores

modernos.

As bombas podem ser classificadas nos modelos em linha ou rotativas

(distribuidora), sendo que os portes são divididos por potência de saída, da

seguinte maneira: M, A, MW, P, R, H e VE. A bomba em linha possui as saídas

dispostas em linha e a colocação dos tubos de pressão é sequencial. Nas

bombas rotativas há que ter atenção, no momento de encaixar os tubos de

pressão, pois deve-se verificar a saída que vai para o primeiro cilindro do

motor, e depois, identificar o sentido de rotação da bomba. Os tubos devem ser

encaixados nessa ordem. É importante lembrar que cada motor tem a sua

sequência.



2.1. Bomba em linha

O bombeamento é accionado por cames de um comando. Equipam grandes e

pequenos motores de baixa rotação. A sua lubrificação é executada pelo

mesmo óleo do motor, o que garante sua confiança.

Figura 1 – Bomba injectora em linha

2.2. Bomba distribuidora rotativa VE

Como o nome indica o seu bombeamento é feito de forma rotativa. Essa

característica é importante, pois os motores Diesel tiveram grandes evoluções

e, à medida que houve um aumento da tecnologia aplicada na sua construção,

as rotações do motor subiram e praticamente igualaram as rotações dos

motores a gasolina.

Cumulativamente, as bombas rotativas são mais apelativas em termos

tecnológicos, mostrando eficiência e economia, sendo mais compactas que as

bombas em linha o que facilita a aplicação de motores maiores em pequenos

utilitários.

A sua lubrificação é feita pelo próprio combustível o que a torna um tanto

vulnerável, pois a contaminação do combustível com água pode comprometer

a sua durabilidade.



Figura 2 – Bomba injectora rotativa

Para além das bombas injectoras, o sistema é composto de uma série de

elementos, sem os quais o sistema não funciona.

2.2.1. Filtro de combustível separador de água

Os filtros separadores de água além de eliminar impurezas contidas no

combustível, também são responsáveis pela separação da água que poderia

comprometer os componentes do sistema de injecção. Por ser mais pesada

que o combustível Diesel, a água fica acumulada na cavidade inferior existente

no filtro, devendo ser drenada periodicamente

Figura 3 – Filtro de combustível

2.2.2. Bomba de alimentação

Accionada pelo eixo de comando da bomba injectora, a sua função é aspirar o

combustível do depósito e enviá-lo sob pressão através do filtro de combustível

para o interior da câmara de aspiração da bomba injectora.

Figura 4 - Bomba de alimentação

A bomba de alimentação, juntamente com a bomba injectora, trabalha durante

todo o tempo de funcionamento do motor Diesel. Isso significa que os seus

componentes sofrem desgaste e precisam de substituição.

Componentes submetidos a desgaste:



Rolete;

Pistão;

Mola do pistão;

Válvulas;

Filtro

2.2.3. Bomba manual

Integrada na bomba de alimentação, a bomba manual serve para bombear o

combustível para os sistemas após uma desmontagem da bomba injectora ou

troca de filtro de combustível, para realizar a sangria do sistema, eliminando

possíveis bolhas de ar.

Figura 5 - Bomba manual

2.2.4. Filtro de combustível Primário e secundário

Retêm as impurezas menores contidas no combustível, impedindo que os

componentes do sistema de injecção sejam danificados.

Figura 6 – Filtro de combustível primário

2.2.5. Conjunto Porta injector

O conjunto porta injector forma o elo de ligação entre a bomba injectora e o

motor.



Figura 7 – Conjunto Porta injector

2.2.6. Elemento

Por cada cilindro do motor existe um elemento que é formado por um pistão e

um cilindro dispostos em linha. A sua função é dosear, para os diversos

regimes de funcionamento do motor, o correcto volume de combustível.

Figura 8 – Elemento

2.2.7. Válvula

Localizada entre a câmara de alta pressão da bomba e o início do tubo de

pressão, a válvula tem como função evitar o descarregamento do tubo de

pressão após a injecção do combustível mantendo-o sempre cheio

Figura 9 – Válvula

2.2.8. Tubos de pressão

Responsável pela condução do combustível sob alta pressão da bomba

injectora para os bicos dos injectores. Os tubos de alta pressão são fabricados



em aço e recebem tratamento superficial especial para assegurar maior

resistência à corrosão, além de minimizar o efeito de cavitação gerado pelo

fluxo de combustível, impedindo a entrada de possíveis partículas de metal nos

bicos dos injectores.

Figura 10 – Tubos de pressão

2.2.9. Bico dos injectores

Os bicos injectores estão alojados na cabeça do motor e são fundamentais

para concluir o processo de alimentação de um motor a Diesel. A sua

construção é precisa e rigorosamente calibrada, para que aconteça a

inflamação correcta do combustível dentro da câmara no cilindro dos motores

térmicos. Tem a sua abertura calibrada com pressões que variam em torno de

200 bar, dependendo do projecto do motor.

Pulverizam o combustível, que é doseado sob alta pressão pela bomba

injectora, na câmara de combustão do motor. É fundamental a utilização de

combustível não adulterado, pois as impurezas diminuem sensivelmente a vida

dos bicos dos injectores.

Figura 11 – Bico dos injectores

2.2.10. Bomba alimentadora de palhetas

A sua função é aspirar o combustível do depósito, produzindo uma pressão

suficiente na câmara interna da bomba alimentadora



Figura 12 – Bomba alimentadora de palhetas

3. Vela incandescente

Componente que embora não faça parte do sistema de injecção, funciona

como sistema auxiliar de arranque do motor, assegurando uma temperatura

limite na câmara de combustão, necessária de acordo com as características

do motor.

Figura 14 – Vela incandescente

3.1.1. Filamentos com sistema patenteado Bosch Dura term

Rápido aquecimento reduz em 50% o tempo de arranque do motor. Após o

arranque, os filamentos têm a capacidade de regular e manter a temperatura

ideal na câmara de combustão, optimizado o funcionamento do motor,

reduzindo os ruídos e a emissão de gases poluentes.

3.1.2. Dupla vedação aumenta a durabilidade

Vedação de material especial (Viton) protege os filamentos contra danos

causados por gases, prolongando ainda mais a vida útil da Vela Incandescente.

3.1.3. Ligações precisas

Desenho e acabamento dos conectores tornam a instalação simples e o ajuste

perfeito.

3.1.4. Camada isolante mais segura

Pó cerâmico compactado garante alta condutividade térmica e ao mesmo

tempo segurança total no isolamento



3.2. Processo de combustão mais estável e seguro

Nos motores Diesel a ignição espontânea acontece quando o combustível é

pulverizado dentro da câmara de combustão e se auto-inflama, ao entrar em

contacto com o ar que foi super aquecido pela compressão dos pistões.

É nesse momento que a Vela Aquecedora é essencial: garante que a

temperatura dentro da câmara de combustão atinja cerca de 850°C com total

segurança, mesmo em circunstâncias críticas como motor em marcha lenta,

temperatura externa baixa e motor frio.

Isso acontece porque os filamentos da Vela Aquecedora são fabricados com

uma liga especial de cobalto ferro, patenteada pela Bosch.

Esses filamentos são fixados com pó compactado de óxido de magnésio,

electricamente isolante e resistente a vibrações, eliminando a possibilidade de

curtos circuitos que poderiam destruir a vela.

Após o arranque, as Velas Aquecedoras continuam a regular a temperatura,

permitindo o funcionamento óptimo do motor e diminuindo a emissão de

substâncias contaminantes procedentes dos gases de escape.

Motor com antecâmara

Motor com câmara de

turbilhonamento

Motor de injecção

directa

Figura 15 – Vários tipos de câmaras de combustão

3.3. Arranques mais rápidos e melhor desempenho do motor

Com velas de incandescência a temperatura na câmara de combustão atinge

850 °C em menos de quatro segundos. Como resultado, o tempo da partida é

reduzido a metade. Devido à tecnologia que mantém a temperatura correcta

após a partida, a Vela incandescente reduz os ruídos e a emissão de

substâncias nocivas pelo motor.

4. Processo de injecção

O gás de combustão aspirado (ar) ou induzido sob pressão é tão comprimido

(temperatura entre 550 e 600° C), que se dá a auto- ignição. Uma parte do



combustível, injectado em primeiro lugar, queima rapidamente e o que é

injectado em seguida, em maior quantidade, queima a pressão

aproximadamente constante.

A combustão não ocorre inteiramente, caso não se sucedam no tempo certo o

aquecimento do combustível e a ignição. A injecção começa antes do pistão

atingir o PMS, no tempo de compressão. Só se consegue uma boa combustão,

quando há a melhor mistura possível entre as gotículas de combustível e o ar

necessário à combustão. Para tanto, torna-se necessário, entre outras coisas,

a adequação do jacto de combustível à forma da câmara de combustão (com

ou sem repartições). Outras possibilidades: um ou mais jactos; disposição dos

jactos; comprimento dos jactos; sua força; tamanho das gotículas, turbilhão

mais intenso do ar de combustão. Forma do pistão; câmara de combustão

repartida, com câmaras-de-ar, pré-câmaras, ou câmaras de turbilhão e também

fluxo de ar tangencial.

4.1. Ignição

Pode não se dar uma sensível vaporização do combustível Diesel, de elevado

ponto de ebulição, devido à rapidez do processo. As gotículas de combustível

que são injectadas inflamam-se após terem sido levadas à temperatura de

auto-ignição, pelo ar pré-aquecido e comprimido, no cilindro. O intervalo de

tempo entre a injecção e a ignição deve estar sincronizado com a rotação da

cambota, correspondente à elevação adequada de pressão. O atraso da

ignição deve ser o mínimo possível; caso contrário, chega à câmara de

combustão, uma quantidade excessiva de combustível não queimado, que irá

produzir aumento de pressão no próximo tempo de compressão e reduzir a

lubrificação entre as camisas dos cilindros e os segmentos, resultando, com a

continuidade do processo, em desgaste, que num primeiro momento, é

conhecido como "Vidrado" das camisas dos cilindros. Combustíveis Diesel com

boa ignição, têm um pequeno atraso; proporcionam compressão uniforme para

a combustão e operação suave do motor. O atraso da ignição depende do tipo

de combustível, pressão e temperatura na câmara de combustão.



4.2. Atraso da Injecção

Medido pelo ângulo da cambota, é o intervalo de tempo necessário ao pistão

da bomba de injecção, para levar a quantidade de combustível situada entre a

tubagem da bomba e o assento da válvula de injecção (bico injector), à pressão

de injecção. Infelizmente é quase impossível, especialmente nos motores de

funcionamento rápido, controlar de maneira satisfatória o programa de

combustão ("Lei de aquecimento") e a variação da pressão durante a

combustão mediante o início e o desenvolvimento da injecção, a não ser com

baixa compressão, que por outro lado diminui o rendimento e se opõe

frontalmente ao princípio do motor Diesel. No tempo de alguns centésimos de

segundo entre o começo da injecção e a ignição, uma parte importante da

quantidade injectada penetra na câmara de combustão e inflama-se rápida e

simultaneamente com o imprevisto aumento de pressão. Além disto, durante a

ignição na fase fluida formam-se peróxidos com um indesejável carácter

explosivo. Estas "batidas" dão aos carburantes um maior atraso de ignição

impróprio para motores Diesel.

A temperatura dos gases tem como limite superior a resistência das peças à

alta temperatura e a qualidade do lubrificante e como limite inferior, a

temperatura da atmosfera. O limite superior de pressão é dado pelo facto de

que um aumento de compressão, mesmo que pequeno, acarreta um aumento

nas forças do motor e no seu peso. O limite inferior é o da pressão atmosférica.

As limitações de volume são consequência da necessidade de se evitar

expansões demasiado grandes, pois só se consegue uma pequena vantagem

de potência com a desvantagem de um motor muito grande.

Para avaliar o nível de conversão de energia no motor, há processos de cálculo

que permitem determinar as limitações acima descritas.

5. Tipos de Injecção

O ponto mais importante é a formação da mistura mediante a injecção do

combustível directamente antes e durante a auto-ignição e combustão na carga

de ar fortemente comprimida. Durante o desenvolvimento do motor Diesel

foram encontradas várias soluções que em parte coexistem ainda hoje.



5.1. Injecção indirecta

Nos sistemas de injecção indirecta a câmara de combustão é constituída por

duas partes distintas. A parte principal é o espaço entre a cabeça do motor e o

topo do pistão quando este se encontra no PMS, e a auxiliar é uma pequena

câmara na cabeça do motor. As duas câmaras estão ligadas através de um

orifício de grande dimensão com uma forma aerodinâmica. O combustível é

injectado directamente na câmara auxiliar através de um injector com um único

orifício. Durante a compressão, o ar produz na câmara auxiliar um turbilhão,

que facilita a dispersão do combustível, aumentando assim a homogeneidade

da mistura. Quando se dá a combustão, cria-se um aumento de pressão na

câmara auxiliar que expulsa a mistura para a câmara principal, onde acaba de

ser queimada e realiza trabalho. Este sistema funciona com pressões mais

baixas que o sistema de injecção directa, tendo como consequência um

funcionamento mais suave, mas um rendimento mais baixo com maiores

consumos e maiores emissões de gases poluentes, actualmente, é um

processo pouco utilizado nos motores modernos.

Figura 16 – Injecção indirecta

A parte inferior da antecâmara a é quente, porque se encontra separada das

paredes refrigeradas pelo entre ferro. Descontinuidade da pressão na

antecâmara e insuflação na parte principal da câmara de combustão mediante

um canal injector. b = tubulação de combustível; c = ignição auxiliar para

partidas a frio; d = passagem da água de refrigeração para a cabeça.



A câmara de turbulência a contém

quase toda a carga de ar que, no

percurso de compressão, penetra

tangencialmente pelo canal b

começando um movimento circular; c

= tubulação de combustível

Figura 17 – Antecâmara tipo esférica

5.2. Injecção Directa

Nos sistemas de injecção directa ao contrário dos sistemas de injecção

indirecta, a câmara de combustão é constituída por uma única parte, sendo

este o espaço entre a cabeça do motor e o topo do pistão quando este se

encontra no PMS. A injecção do combustível é efectuada directamente no

cilindro através de um injector com vários orifícios, permitindo assim uma

melhor pulverização do combustível e consequentemente uma melhor mistura

com o ar. Este sistema funciona com pressões mais elevadas do que o sistema

de injecção indirecta, sendo estas pressões aplicadas directamente no pistão, o

que proporciona um melhor rendimento com consumos mais baixos e menores

emissões de gases poluentes.

O combustível é injectado directamente sobre a cabeça do pistão mediante um

bico injector, com um ou vários pequenos furos (diâmetros de 0,1 a 0,3 mm)

direccionados segundo um ângulo apropriado. Funciona com pressões muito

elevadas (até 400 atm) para conseguir uma pulverização muito fina e uma

distribuição adequada do combustível no ar de carburação. O jacto único forma

uma neblina composta de gotas minúsculas que costumam inflamar-se em

primeiro lugar na proximidade de entrada. A formação da mistura é acelerada e

melhorada quando o ar de carburação executa um movimento rápido em

relação à névoa do combustível. Com isto o movimento circular e turbulento do

ar produz-se de várias formas já com o processo de sucção ou com a

compressão. A maioria dos motores modernos utiliza o processo de injecção

directa de combustível, em virtude do seu melhor rendimento térmico.



a = injecção directa no ar parado

(Cummins); b = jacto sobre a cabeça

do pistão com câmara de mistura

térmica (processo MAN-M)

Figura 18 – Processos de injecção directa.

Figura 19 – Processos de injecção directa.

Muitas pesquisas têm sido desenvolvidas sobre o processo da combustão em

motores Diesel. Inicialmente acreditava-se que ocorria uma explosão no interior

do cilindro, razão pela qual, os motores de combustão interna eram também

chamados de motor a explosão. Por meio de observações, testes diversos,

tentativas, erros e acertos, os componentes do sistema de injecção vêm sendo

aperfeiçoados nos seus desenhos, preservando, no entanto, o que de melhor

se alcançou, em termos de resultados com o processo de injecção directa.

Recentemente descobriu-se mais detalhes do processo de combustão e isto,

certamente, trará novos desenvolvimentos. Com o auxílio de um equipamento

de raios x de alta velocidade, foi possível registar os diversos instantes em que

a combustão se processa. Até então, todas as observações feitas eram por

meio de iluminação estroboscópica, que permitia visualizar uma fracção de

cada tempo de combustão e, formando uma sequência de imagens, tinha-se

uma ideia do processo.

5.2.1. Sistemas de injecção directa

Actualmente existem três sistemas:

O sistema bomba de injecção;

O sistema injector;

O sistema “common rail”



5.3. Sistema bomba injecção+tubos+injectores

Este é o sistema convencional utilizado há já muito tempo nos motores Diesel,

tanto nos de injecção directa como nos de injecção indirecta.

É um sistema barato e de fácil implementação, os injectores estão ligados

directamente à bomba injectora através de tubos metálicos. Todos os tubos

têm o mesmo comprimento, pois as ondas de pressão que evoluem dentro dos

tubos vão variando ao longo dos tubos, ou seja, para que os tempos e

pressões de injecção sejam sensivelmente iguais em cada injector o

comprimentos dos tubos também têm que ser iguais. Ora, a disposição dos

injectores ao longo do motor faz com que existam injectores mais próximos da

bomba e outros mais afastados, como todos os tubos têm que ter o mesmo

comprimento, os que estão mais próximos têm uma configuração com algumas

curvas para poderem compensar a menor distância a que se encontram da

bomba.

A geração de pressão é totalmente dependente da rotação do motor, visto que

a bomba é accionada directamente pela distribuição. Este sistema apresenta

várias limitações, não conseguindo dar resposta ao controlo exigido nos

motores actuais, que usam pré e pós injecção, modulação da injecção principal

e elevadíssimas pressões de injecção. Por todas estas razões este sistema

tem vindo a ser preterido em relação a outros sistemas, nomeadamente pelo

sistema common rail.

Figura 20 - Sistema bomba injecção+tubos+injectores

5.3.1. Sistema injector

O sistema injector bomba foi desenvolvido com o objectivo de se conseguir

elevar as pressões de injecção muito acima dos 1500 bar, em motores de

injecção directa. Neste sistema a bomba e o injector formam um único corpo,



ora, rapidamente se pode concluir que é eliminada a desvantagem dos tubos

longos utilizados no sistema anterior, o que provocava grandes perdas de

pressão. Neste caso essa desvantagem foi eliminada, daí a razão de se

conseguirem elevadas pressões neste sistema, neste momento

aproximadamente 2200 bar.

Cada cilindro tem um injector que é actuado pela árvore de cames. Foi neste

sistema que foi introduzido pela primeira vez o controlo electrónico de injecção,

tendo sido possível melhorar consideravelmente alguns aspectos,

nomeadamente na emissão de gases poluentes. Este sistema consegue

pressões muito elevadas de injecção, o que significa gotas mais finas e uma

melhor preparação da mistura, logo, também uma melhor combustão, e

consequentemente um menor consumo e menores emissões de gases

poluentes.

Figura 21 – Sistema injector bomba

6. Sistema de injecção

Desde a construção do primeiro motor Diesel, o principal problema tem sido o

processo de injecção do combustível para a combustão ideal. Os sistemas

existentes não sofreram grandes modificações no correr dos anos. As

principais alterações, que resultaram em evolução significativa, foram,

primeiramente o advento da bomba rotativa em linha, desenvolvida por Robert

Bosch em 1927, que permitiu aos motores alcançarem rotações mais elevadas

e, consequentemente, mais potência. Depois, no decorrer da década de 80,

surgiram os primeiros sistemas de gestão electrónicos (EDC, de Electronic

Diesel Control). O desenvolvimento dos sistemas EDC, embora trazendo

consideráveis resultados, esbarrava na limitação mecânica dos sistemas em

uso que não podiam prescindir de um meio de comprimir o combustível pela

acção de um pistão comandado no instante adequado. Assim, mantinham-se



os componentes básicos dos sistemas de injecção, utilizando-se os recursos

electrónicos para monitorização e controlo, sem possibilidade de intervenções

importantes no processo de injecção. O início, duração e término da injecção

permaneciam acoplados à posição da cambota, uma vez que as bombas

injectoras não permitiam variações, por serem accionadas por engrenagens

conduzidas pela rotação do motor. Diferentemente dos motores do ciclo Otto,

que já utilizavam a injecção electrónica de combustível e sistema de ignição

transistorizado independentes, os motores Diesel ainda esperavam por novas

tecnologias.

Em 1997, a Alfa Romeu lançou o seu modelo 156 equipado com um motor

Diesel dotado de um sistema de injecção revolucionário, que ela denominou de

JTD. Tal sistema aumentava a potência e o binário com redução do consumo

e, por consequência, os níveis de emissões e abriu novas perspectivas para o

futuro dos motores Diesel. Posteriormente, os direitos de fabricação deste

sistema foram cedidos à Robert Bosch, que começou a equipar motores para a

Mercedes Benz, BMW, Audi, Peugeot e Citroën (estes últimos denominam o

sistema de HDI). A Fiat, a Ford e a Volkswagen estão equipados com o novo

sistema. No segmento de motores mais pesados, as fábricas Mercedes, Scania

e Volvo já lançaram os novos motores equipados com este sistema, que

ganhou a denominação de Common Rail.

O Sistema Common Rail Bosch é um moderno e inovador sistema de injecção

Diesel. Ele foi desenvolvido para atender à actual procura do mercado em

relação à diminuição do consumo de combustível, da emissão de poluentes e

maior rendimento do motor exigidos pelo mercado. Para isto são necessárias

altas pressões de injecção, curvas de injecção exactas e dosagem

extremamente precisa do volume do combustível.

Com a introdução da primeira bomba injectora em linha fabricada em série no

ano de 1927, estavam criadas as condições para o emprego do motor Diesel

de alta rotação em veículos automóveis. O emprego da bomba injectora em

linha ainda hoje está em diversos veículos utilitários e motores estacionários,

chegando até a locomotivas e navios com pressões de injecção para motores

de até cerca de 160 kW por cilindro. Os diferentes requisitos para a utilização

dos motores Diesel levaram ao desenvolvimento de diversos sistemas de

injecção, adequados às respectivas exigências.



O sistema de injecção de pressão modulada "Common Rail" para motores de

injecção directa abre perspectivas completamente novas:

Ampla área de aplicação (para veículos de passeio e utilitários leves com

potência de até 30 kW / cilindro, para utilitários pesados chegando até a

locomotivas e navios com potência de até 200 kW / cilindro):

Alta pressão de injecção de até cerca de 2600 bar;

Início de injecção variável;

Possibilidade de pré-injecção, injecção principal e pós-injecção;

Volume de injecção, pressão no "Rail" e início da injecção adaptados a

cada regime de funcionamento, assim como,

Pequenas tolerâncias e alta precisão durante toda a vida útil.

O sistema de injecção de pressão modulada "Common Rail", produção de

pressão e injecção são acoplados. A pressão de injecção é produzida

independente da rotação do motor e do volume de injecção e está no "Rail"

(acumulador de combustível de alta pressão) pronta para a injecção. Momento

e qualidade de injecção são calculados na unidade de comando electrónico e

transportados pelo injector (unidade de injecção) em cada cilindro do motor

através de uma válvula magnética activada. Com o injector e a alta pressão

sempre iminente, obtém-se uma curva de injecção muito precisa.

Com a ajuda dos sensores a unidade de comando pode captar a condição

actual de funcionamento do motor e do veículo em geral. Ela processa os

sinais gerados pelos sensores e recebidos através de cabos de dados. Com as

informações obtidas ela tem condição de exercer comando e regulação sobre o

veículo e, principalmente, sobre o motor. O sensor de rotação do eixo de

comando determina, com o auxílio do efeito "Hall", se o cilindro se encontra no

PMS da combustão ou da troca de gás. Um potenciómetro na função de sensor

do pedal do acelerador informa através de um sinal eléctrico à unidade de

comando, com que força o condutor accionou o pedal (aceleração). O medidor

de massa de ar informa à unidade de comando qual a massa de ar

actualmente disponível para assegurar uma combustão possivelmente

completa. Havendo um turbo compressor, actua ainda o sensor que regista a

pressão de carga. Com base nos valores dos sensores de temperatura do

agente de refrigeração e de temperatura do ar. De acordo com os veículos são

conduzidos ainda outros sensores e cabos de dados até a unidade de



comando para fazer cumprir as crescentes exigências de segurança e de

conforto.

6.1. Bomba injectora:

A injecção do combustível Diesel é controlada por uma bomba de pistões

responsável pela pressão e dosagem para cada cilindro, nos tempos correctos.

Na maioria dos motores Diesel, utiliza-se uma bomba em linha dotada de um

pistão para cada cilindro e accionada por uma árvore de cames que impulsiona

o combustível quando o êmbolo motor (pistão) atinge o ponto de início de

injecção, no final do tempo de compressão. Alguns motores utilizam bombas

individuais para cada cilindro e há outros que utilizam uma bomba de pressão e

caudal variáveis, fazendo a injecção directamente pelo bico injector accionado

pela árvore de cames. Há ainda aqueles que utilizam bombas rotativas, que

distribuem o combustível para os cilindros num processo semelhante ao do

distribuidor de corrente para as velas utilizado nos motores de automóveis.

As bombas injectoras, rotativas ou em linha, para que funcionem, são

instaladas no motor sincronizadas com os movimentos da cambota. Ao

processo de instalação da bomba injectora no motor dá-se o nome de calagem

da bomba. Cada fabricante de motor adopta, segundo o projecto de cada

modelo que produz, um processo para a calagem da bomba injectora. Na

maioria dos casos, a coincidência de marcas existentes na engrenagem de

accionamento da bomba com as marcas existentes na engrenagem

accionadora é suficiente para que a bomba funcione correctamente. Em

qualquer caso, porém, é absolutamente necessário consultar a documentação

técnica fornecida pelo fabricante, sempre que se for instalar uma bomba

injectora, pois os procedimentos são diferentes para cada caso.

Figura 22 – Controlador de dosagem



A dosagem do combustível é feita pela posição da cremalheira, ligada ao

acelerador por meio do governador de rotações.

Figura 23 – Controlador de débito

Dosagem do combustível. Com o mesmo deslocamento vertical, o pistão

injecta mais ou menos combustível em função da sua posição. O que muda é o

tempo final de débito

Figura 24 – Controlador de débito

7. Regulação da velocidade

A rotação de trabalho do motor Diesel depende da quantidade de combustível

injectada e da carga aplicada à cambota (potência fornecida à máquina

accionada). Também é necessário limitar a rotação máxima de trabalho do

motor, em função da velocidade média do pistão (cm= s n / 30), que não deve

induzir esforços que superem os limites de resistência dos materiais, bem

como da velocidade de abertura e fecho das válvulas de admissão e escape,

que a partir de determinados valores de rotação do motor, começam a produzir

efeitos indesejáveis. Nas altas velocidades, começa haver dificuldade no

enchimento dos cilindros, devido ao aumento das perdas de carga e a inércia

da massa de ar, fazendo cair o rendimento volumétrico.



Como a quantidade de combustível injectada é doseada pela bomba injectora,

por meio da variação de débito controlada pelo mecanismo de aceleração,

limita-se a quantidade máxima de combustível que pode ser injectada.

Dependendo do tipo de motor, essa limitação é feita por um batente do

acelerador, que não permite acelerar o motor além daquele ponto. O

mecanismo de aceleração, por si só, não é capaz de controlar a rotação do

motor quando ela tende a cair com o aumento da carga ou a aumentar com a

redução da mesma carga. É necessário então outro dispositivo que assegure

controlo da dosagem de combustível em função das solicitações da carga. Na

maioria dos motores, este dispositivo é constituído por um conjunto de

contrapesos que rodam, que por acção da força centrífuga, actua no

mecanismo de aceleração de modo a permitir o fornecimento de combustível

sem variações bruscas e respondendo de forma suave às solicitações da

carga. Conhecidos como reguladores ou governadores de rotações, são

utilizados em todos os motores Diesel e, dependendo da aplicação, como visto

no início deste trabalho, tem características distintas e bem definidas. No caso

específico dos motores para grupos Diesel geradores, a regulação da

velocidade é um item particularmente crítico, uma vez que a frequência da

tensão gerada no alternador necessita ser mantida constante, ou seja, o motor

Diesel deve operar em rotação constante, independente das solicitações da

carga. Isto significa que a cada aparelho eléctrico que se liga ou desliga, o

governador deve corrigir a quantidade de combustível injectada, sem permitir

variações da RPM, o que é quase impossível, dado o tempo necessário para

que as correcções se efectivem. Para solucionar o problema, existem três tipos

básicos de governadores isócronos, que são:

7.1. Governadores mecânicos

Constituídos por um sistema de contrapesos, molas e articulações, actuam no

mecanismo de aceleração aumentando ou diminuindo o débito de combustível

sempre que a rotação se afasta do valor regulado, em geral, 1800 RPM. Tem

tempo de resposta considerado longo e permitem oscilações em torno do valor

regulado. Dependendo da carga que for aplicada bruscamente, permitem

quedas acentuadas da RPM e, na recuperação, permitem ultrapassar o valor

regulado para, em seguida, efectuar nova correcção de menor grau. São mais



baratos e utilizados em grupos Diesel geradores que alimentam equipamentos

pouco sensíveis às variações de frequência. Tem precisão de regulação em

torno de 3%, podendo chegar até 1,5%. O tipo mais comum, utilizado em

grande número de motores equipados com bombas injectores Bosch em linha,

é o governador Bosch modelo RSV.

Figura 25 – Governadores mecânicos

7.2. Governadores hidráulicos

De maior precisão que os governadores mecânicos, podem ser accionados

pelo motor Diesel independentemente da bomba injectora e actuam sobre a

alavanca de aceleração da bomba, exercendo a função que seria do pedal do

acelerador do veículo. São constituídos por um sistema de contrapesos que

rodam, fazem o papel de sensor de rotação e uma pequena bomba hidráulica

para produzir a pressão de óleo necessária ao accionamento. As variações de

rotação "sentidas" pelos contrapesos são transformadas em caudal e pressão

de óleo para alimentar um pequeno cilindro ligado à haste de aceleração da

bomba. Por serem caros e necessitarem de um arranjo especial para

montagem no motor, são pouco utilizados.

Figura 26 – Governador Hidráulico WOODWARD modelo PSG



7.3. Governadores electrónicos

Actualmente são utilizados em maior escala, dado o custo, que vem reduzindo

nos últimos anos. Oferecem a melhor precisão de regulação que se pode

conseguir e são constituídos por três elementos básicos:

1. Pick-up magnético, que exerce a função de sensor de RPM;

2. Regulador electrónico, propriamente dito (ou unidade de controlo);

3. Actuador.

A construção pode variar, conforme o fabricante, mas todos funcionam

segundo os mesmos princípios. O pick-up magnético é uma bobina enrolada

sobre um núcleo ferro magnético e instalado na carcaça do volante, com a

proximidade adequada dos dentes da cremalheira. Com o motor em

funcionamento, cada dente da cremalheira, ao passar próximo ao pick-up

magnético, induz um impulso de corrente eléctrica que é captado pelo

regulador. A quantidade de impulsos por segundo (frequência) é comparada,

pelo regulador, com o valor padrão ajustado. Se houver diferença, o regulador

altera o fluxo de corrente enviada para o actuador, que efectua as correcções

do débito de combustível, para mais ou para menos, conforme a necessidade.

Há actuadores que trabalham ligados à haste de aceleração da bomba

injectora, como nos governadores hidráulicos e outros que são instalados no

interior da bomba e actuam directamente sobre o fluxo de combustível. Os

actuadores externos mais conhecidos são os fabricados pela Woodward,

(governadores modelo EPG) e os internos são os utilizados nos motores

Cummins (governador EFC).

Figura 27 – Governador Electrónico WOODWARD modelo EPG - 12 ou 24 V

7.4. Governadores Digitais

Os governadores digitais utilizados actualmente, embora possam oferecer

recurso de comunicação via porta série e funções de controlo PID (Proportional



Integral Derivative), dependem de um actuador analógico para comandar as

correcções de RPM do motor, o que os torna iguais, em termos de resultados,

aos governadores electrónicos analógicos.

Figura 28 – Governador Electronic Digital Woodward 2301D - Load Sharing

and Speed Control

8. Sistema Common Rail

O protótipo do sistema Common Rail foi desenvolvido em finais dos anos 60

pelo Suíço Robert Huber. Depois disso, Ganser do "Swiss Federal Institute of

Technology" desenvolveu a tecnologia Common Rail futura. A meio dos anos

90, Dr. Shohei Itoh e Masahiko Miyaki, da "Denso Corporation", uma empresa

Japonesa de fabrico de componentes para automóveis, desenvolveu o sistema

de combustível Common Rail para veículos pesados, tornando-se assim no

primeiro caso prático do uso no seu sistema ECD-U2 Common Rail, que foi

montado num camião da Hino Raising Ranger, vendido para uso geral em

1995. O actual sistema Common Rail controlado por uma unidade electrónica

de comando (ECU) trabalha segundo o mesmo princípio i.e. cada injector é

controlado electronicamente, em vez de mecanicamente. Isto foi alvo de muitos

protótipos nos anos 90, com a colaboração entre a Magneti Marelli, Centro

Ricerche Fiat e Elasis. Depois da investigação e desenvolvimento inicial por

parte do grupo Fiat, o design foi adquirido pela empresa alemã Robert Bosch

GmbH para completar o desenvolvimento e torná-lo apto à produção em

massa.

Consiste numa bomba de alta pressão que fornece a pressão através de uma

rampa comum a todos os injectores, o que permite fornecer uma pressão

constante de injecção, independentemente da rotação do motor. A sua

vantagem é um menor ruído de funcionamento, arranque a frio quase



instantâneo, e uma clara melhoria de prestações e diminuição da poluição e de

consumo. Actualmente é o sistema usado em quase todos os Diesel.

Há diferentes sistemas usados por diferentes fabricantes, mas foram todos

criados pela Bosch e são equivalentes em termos de qualidade e eficácia: o

"Unit Injector System" (UIS), mais conhecido entre nós como Injector bomba, e

o "Common Rail System" (CRS).

Em ambos os sistemas, o combustível é injectado nos cilindros sob pressão

muito alta. O próprio processo de injecção é controlado electronicamente, para

que seja sempre injectado o volume ideal de combustível, exactamente no

momento certo, garantindo rendimento máximo com o mínimo consumo e

níveis de emissão baixos.

No entanto, o sistema injector bomba está a desaparecer, apesar de se

conseguirem pressões mais elevadas (acima dos 2000 bar) do que no

Common Rail, por ser um sistema mais dispendioso.

Figura 29 Sistema “Common Rail” para automóveis

de passageiros

1 Medidor de massa de ar 2 ECU Controlo do Motor 3 Bomba de alta pressão 4 Common Rail 5 Injectores 6 Sensor de velocidade 7 Sensor de temperatura de refrigeração 8 Filtro de combustível 9 Sensor do pedal de acelerador

8.1. O Circuito de combustível Common Rail

Uma das maiores diferenças entre o Common Rail e os outros sistemas de

injecção Diesel está no circuito de combustível.



Figura 30 Principais componentes do circuito de combustível de um sistema

Common Rail

1- Tanque (Depósito) de combustível: Tem como função armazenar o

combustível, 2- Filtro de combustível: Retira as impurezas existentes no

combustível evitando o desgaste prematuro dos componentes (bomba de baixa

pressão, bomba de alta pressão, injectores etc.), 3- Bomba de baixa pressão:

Aspira o combustível do tanque e envia-o à bomba de alta pressão. A bomba

de baixa pressão pode ser eléctrica ou mecânica. 4- Electroválvula reguladora

de caudal: Tem a função de interromper o fluxo de combustível da bomba de

baixa para a bomba de alta pressão. É controlada pela Unidade Electrónica de

Comando (ECU). Esta electroválvula está presente somente nos veículos cuja

bomba de baixa pressão é mecânica, 5- Bomba de alta pressão: É uma bomba

(mecânica) radial com 3 êmbolos. Aspira o combustível da linha de baixa

pressão e alimenta o tubo de alta pressão (Rail). Pode elevar a pressão a

valores superiores a 1350 bar, 6- Rail (tubo de alta pressão): O Rail tem a

função de armazenar o combustível enviado pela bomba de alta pressão. É

interligado por tubos especiais aos injectores. No Rail podem vir acoplados a

electroválvula reguladora de pressão e o sensor de pressão do Rail, 7-

Electroválvula reguladora de pressão: Trata-se de uma electroválvula de alívio

posicionada no ponto de conexão da linha de alta pressão com a linha de

retorno de combustível. A sua abertura promove a diminuição da pressão do

Rail. O seu fecho permite que a bomba de alta pressão eleve a pressão do

Rail. É controlada pela ECU através de um sinal pulsado de largura de pulso



variável. Pode vir instalada na bomba de alta pressão ou no tubo (Rail). É um

dos mais importantes actuadores do sistema Common Rail, 8- Sensor de

pressão do Rail: Informa a ECU da pressão do combustível contido no Rail, 9-

Injectores: São controlados pela ECU e pulverizam (enviam) o combustível do

Rail para a câmara de combustão, 10- Radiador de combustível: Refrigera o

combustível que circula na linha de retorno, 11- Válvula de pré-aquecimento do

combustível: Controla a temperatura do combustível enviado para o tanque,

filtro e linha de pressão negativa.

Figura 31 - Principais componentes do circuito de combustível

8.2. Variação de pressão no sistema Common Rail

A bomba de baixa pressão aspira o combustível do tanque e envia-o para a

bomba de alta pressão. Entre a bomba de baixa pressão e o tanque forma-se a

linha de pressão negativa e entre as bombas de baixa e alta pressão a linha de

baixa pressão (figura 32).

A bomba de alta pressão promove o aumento da pressão do combustível

enviado para o Rail. Entre a bomba de alta pressão e o Rail forma-se a linha de

alta pressão.

O combustível excedente enviado pela bomba de alta pressão retorna ao

tanque através da linha de retorno. Na figura 32 está representado um

esquema da variação de pressão num sistema Common Rail.



Figura 32 Variação de pressão no sistema Common Rail

8.2.1. Princípio básico de controlo

Para controlar o motor mantendo o desempenho, ruído e rendimento em níveis

óptimos, a Unidade Electrónica de Comando (ECU) reúne informações de

diversos componentes, sensores estrategicamente instalados. Com esses

dados calcula, a pressão do Rail, o momento e tempo de injecção do Diesel

para cada regime de trabalho do motor.

Ao ser inserida a chave na ignição (sem iniciar a marcha), a ECU é alimentada.

Nesse instante envia uma tensão de aproximadamente 5 V (DC) para a maioria

dos sensores do sistema e passa a receber o sinal característico de cada um

deles (temperatura da água, pressão no colector de admissão, pressão no Rail,

temperatura do ar, posição do pedal do acelerador etc.).

Durante o arranque e com o motor em funcionamento recebe sinal dos

sensores de rotação e de fase. Enquanto captar esses sinais a Unidade

Electrónica de Comando irá controlar os injectores e a electroválvula

reguladora de pressão do Rail.

Com base no sinal dos sensores a ECU pode ainda controlar o débito de

partida a frio, o ventilador de arrefecimento, a embraiagem do compressor do

ar condicionado, etc.

No Common Rail a Unidade Electrónica de Comando possui um sistema de

autodiagnóstico e por isso pode detectar diversas anomalias. Quando isso

acontece, a ECU grava um código de defeito na memória e activa o

procedimento de emergência.



8.3. Componentes do Common Rail

O sistema Common Rail é constituído por:

8.3.1. Medidor de massa de ar

Envia informações à ECU sobre a massa de ar que está a entrar no motor e

quais as suas condições.

Figura 33 Medidor da massa de ar

8.3.2. Unidade de comando electrónico (ECU)

Controla o desempenho do motor através das leituras que faz de todos os

sensores, de massa de ar, pressão do turbo, rpm, temperaturas, etc., analisa

os dados recolhidos, alterando assim a injecção e adaptando-a às

necessidades de carga do motor.

Figura 34 ECU

8.3.3. Bomba de alta pressão

Tem como função garantir uma pressão constante no acumulador

independentemente da rotação do motor.

Figura 35 - Bomba de Alta Pressão



8.3.4. Common Rail

Canal onde fica acumulado o combustível sob pressão antes de passar aos

injectores, pode ter acoplado a electroválvula reguladora de pressão e/ou o

sensor de pressão.

Figura 36 - Acumulador de Pressão (Common Rail)

8.3.5. Injectores

Hoje em dia são praticamente na sua totalidade do tipo piezoeléctrico, sendo

responsáveis pela introdução do combustível no cilindro.

Figura 37 - Injector Piezoeléctrico

8.3.6. Sensor de velocidade do motor

Registo, livre de contacto, do ângulo de rotação e velocidade da cambota.

Figura 38 Sensor de velocidade



8.3.7. Sensor de temperatura do líquido refrigerant e

Sensor de temperatura do motor está montado no circuito de refrigeração para

determinar a temperatura do líquido refrigerante do motor (escala de medição –

40 a 130°C)

1 Ligação eléctrica

2 Corpo do sensor

3 Resistência

4 Líquido refrigerante

Curvas característica

Figura 39 - Esquema de um Sensor de temperatura do líquido refrigerante

8.3.8. Filtro de combustível

Retira as impurezas existentes no combustível evitando o desgaste prematuro

dos componentes (bomba de baixa pressão, bomba de alta pressão, injectores,

etc.).

Figura 40. Filtro de Gasóleo

8.3.9. Sensor do pedal de acelerador

A posição do pedal do acelerador é captada por dois potenciómetros opostos

(sensor do pedal do acelerador) para activar o corpo de borboleta. A abertura

da borboleta necessária para cumprir o desejo do motorista é calculada pela

unidade de comando do motor levando em conta a condição de funcionamento

do motor naquele momento (número de rotações do motor, temperatura do

motor, etc.) e convertida em sinais de activação para o accionamento da

borboleta.



Figura 41 Sistema Egas (Pedal de acelerador electrónico)

9. Funcionamento

A primeira geração do sistema Common Rail permitia pressões de injecção de

1.300 bar, enquanto a segunda geração do sistema gerava cerca de 1.600 bar.

Desde 2003 que a terceira geração está em utilização, conseguindo-se agora

alcançar pressões de 2.600 bar.

A grande novidade em relação à geração anterior reside na utilização do

injector piezoeléctrico. As principais vantagens deste novo tipo de injectores,

quando comparado com o injector electromagnético, residem na dosagem da

quantidade de combustível e na sua pulverização. Muito mais rápidos,

conseguem misturas mais homogéneas devido ao maior número de injecções

por cada ciclo de trabalho, podendo chegar às 7 injecções por ciclo.

O combustível pode ser atomizado em gotas minúsculas de até 20 mícron e

permite uma pré-injecção muito bem controlada. Os injectores piezoeléctricos

requerem menos energia do que injectores com solenóide e proporcionam uma

elevada velocidade de abertura e fecho, além de menor tempo entre as

injecções. Eles são capazes de actuar em 1 a 2 milissegundos, impulsionando

o combustível a 2.000 km/h através de uma abertura de apenas 0,25 mm².

Isto faz com que os novos motores a gasóleo sejam mais silenciosos,

económicos, pouco poluentes e mais potentes. A quantidade de combustível de

retorno que não foi necessária para a injecção é, nesta terceira geração, muito

menor, pelo que foi possível reduzir a capacidade de transporte e, ao mesmo

tempo, a força requerida da bomba de alta pressão. Ao haver mais do que uma

injecção, consegue-se adaptar melhor as características do motor às

necessidades de cada momento. Por exemplo, na cidade e sempre que se

roda a baixa velocidade, a dupla injecção antes da injecção principal permite

reduzir os ruídos e os hidrocarbonetos não queimados (HC). Aliás, de acordo

com os estudos realizados, o sistema Common Rail de 3ª geração com



injectores piezoeléctricos pode reduzir as emissões dentro do motor até 20 por

cento, comparativamente ao de segunda geração.

Figura 42. Pulverização com Injector Piezoeléctrico

Entre 1990 e 2003 a percentagem de veículos ligeiros equipados com motor a

gasóleo quase triplicou e, desde então, as emissões de partículas baixaram 80

por cento enquanto os outros poluentes (CO, NOx e HC) tiveram reduções da

ordem dos 90 por cento. Simultaneamente, os motores a gasóleo são hoje

muito mais económicos e agradáveis de utilizar graças a binários específicos

bastante elevados.

A bomba de alta pressão força o combustível no acumulador de alta pressão.

Ali, o combustível é armazenado, pronto para injecção na pressão adequada

para as condições operacionais particulares do motor. As necessidades do

motor são medidas e registadas pela ECU que, em seguida, utiliza mapas para

calcular a pressão de injecção necessária e a duração da mesma (por outras

palavras, a massa de combustível) e o instante da injecção. Cada um dos

cilindros do motor recebe um injector piezoeléctrico, cujos pontos de abertura e

fecho definem o início e o final do processo de injecção.

Neste sistema o gasóleo armazenado no depósito é aspirado por uma bomba

de alimentação e passa por um pré-filtro que existe na conduta entre o depósito

e a bomba, sendo esta bomba de comando electrónico. Seguidamente, esta

bomba de alimentação faz o combustível chegar ao filtro de gasóleo passando

depois por um reaquecedor de combustível, regressando este novamente ao

filtro antes de ser aspirado pela bomba de alta pressão que o irá introduzir no

Common Rail propriamente dito, para finalmente ser distribuído pelos

injectores, que se regulam segundo as necessidades de injecção de cada

momento. A elevada pressão de injecção está disponível também a baixos



regimes e em qualidade nos cilindros, tendo como consequências um consumo

de combustível mais reduzido (menos cerca de 20%), um baixo nível de

emissões de gases de escape (- 20% CO, - 50% hidrocarbonetos não

queimados, -60% emissão de partículas) e melhores performances (+ 25% de

potência), relativamente aos motores Diesel equipados com Common Rail de

2ª geração.

Figura 43 Injector vela de incandescência

Este tipo de alimentação permite a injecção na câmara de combustão de uma

pequena quantidade de combustível. Esta «pré-injecção» amortece a

combustão visto tratar-se de um processo de pré-aquecimento da câmara de

combustão que ocorre algumas fracções de segundo antes da injecção

propriamente dita, onde o combustível se inflama mais rapidamente sem

aumentar a pressão e a temperatura de forma brusca, fazendo com que o nível

de ruído durante o processo de combustão seja mais reduzido, o que faz

diminuir ou mesmo desaparecer os famosos cliques deste tipo de motores.

A pós-injecção consiste em injectar uma pequena quantidade de combustível,

durante a fase de escape, de modo a aumentar a taxa de hidrocarbonetos nos

gases de escape. Esta operação permitirá ao catalisador melhor tratar os

óxidos de azoto.

9.1. Estrutura do sistema common-rail.

Podemos dividir o sistema em três partes distintas:

O circuito de baixa pressão, constituído pelos componentes que

fornecem o combustível à bomba injectora

O circuito de alta pressão, constituído por componentes como a bomba

injectora, o tubo distribuidor comum, os injectores e os restantes tubos

de circulação do combustível em alta pressão.



O sistema electrónico, que consiste num sistema de módulos constituído

por sensores, actuadores, e uma unidade de controlo electrónica

(centralina)

Linhas amarelas – tubos de baixa pressão de alimentação da bomba injectora. Linhas vermelhas – tubos de alta pressão de alimentação da régua comum e dos injectores. Linhas verdes – tubos de retorno ao depósito.

Figura 44 Estrutura do sistema common rail

9.2. Circuito baixa pressão

O circuito de baixa pressão é constituído pelo depósito de gasóleo, o filtro de

gasóleo e a bomba de alimentação que alimenta a bomba injectora. Este

circuito tem como função fornecer gasóleo, devidamente filtrado, à bomba

injectora, durante todo o período de funcionamento do motor.

O filtro de gasóleo tem como funções reter as impurezas e a separação de

água que possa existir no gasóleo. Em muitos casos existem pré-filtros,

normalmente aplicados antes da bomba de alimentação, que têm como função

fazer uma primeira filtragem das impurezas de maiores dimensões. É muito

importante que o gasóleo que chega ao circuito de alta pressão esteja

devidamente filtrado, pois, para além do gasóleo ser o combustível do motor é

também o lubrificante dos vários componentes mecânicos do circuito de alta

pressão. No sistema common rail, o filtro ganha uma importância ainda maior,

visto tratar-se de um sistema com componentes mecânicos de construção

muito precisa em termos dimensionais, com tolerâncias muito apertadas em

que a entrada de uma pequena impureza poderia comprometer o bom

funcionamento de todo o sistema.

A bomba de alimentação pode ser de accionamento eléctrico ou mecânico. A

bomba de accionamento eléctrico tem como grande vantagem conseguir um

melhor fornecimento de combustível no arranque do motor, visto que não é



accionada por qualquer parte mecânica do motor, ou seja, a bomba eléctrica

começa a funcionar assim que a chave de ignição é girada pela primeira vez,

antes do arranque do motor, o que permite que exista uma determinada

pressão no circuito de baixa pressão quando finalmente se dá o arranque do

motor. A bomba de accionamento mecânico tem a desvantagem de depender

da rotação do motor, sendo uma desvantagem no arranque. No entanto, com o

motor já em funcionamento é uma vantagem, pois a sua capacidade de gerar

um maior caudal e uma maior pressão de alimentação, são directamente

proporcionais à velocidade do motor.

Existem alguns sistemas que combinam as duas bombas, de forma a

beneficiarem das vantagens que cada uma delas oferece.

Figura 45 - Circuito baixa pressão

9.3. Circuito alta pressão

O circuito de alta pressão é composto pela bomba injectora, os injectores e o

tubo distribuidor comum.

Existem dois tipos de bombas injectoras, as bombas em linha e as bombas

rotativas.

Nas bombas em linha, a pressão é gerada pela compressão do combustível

através de uns pistões que são accionados pelas cames de um veio de

excêntricos que por sua vez é accionado pela distribuição do motor. Os pistões

da bomba não contêm segmentos, pelo que são construídos com tolerâncias

muito apertadas e usam o próprio gasóleo como lubrificante.



Estas bombas são normalmente de maiores dimensões que as bombas

rotativas e não permitem altas velocidades, pelo que, nos sistemas de hoje em

dia, com motores Diesel mais compactos e mais rápidos utilizam-se geralmente

as bombas rotativas.

As bombas rotativas, como já foi referido, são de menores dimensões e

permitem altas velocidades. Nestas bombas o veio de excêntricos é substituído

por um único excêntrico que actua os vários pistões alternadamente. Tal como

na bomba em linha a lubrificação é efectuada pelo gasóleo.

Figura 46 - Circuito alta pressão

Figura 47 – Bomba de alta pressão

O excêntrico (2) movido pelo veio (1) ao fazer o movimento descendente do

pistão (3) admite o combustível pela entrada (6) e através da válvula de

admissão (4), quando o pistão chega ao PMI e a válvula de admissão fecha e o

combustível começa a ser pressurizado pelo movimento ascendente do pistão.

Quando a pressão no interior da bomba atingir a pressão no tubo distribuidor

comum, a válvula de alimentação (5) abre e o combustível começa a passar

para o para o tubo distribuidor.

O controlo da pressão no tubo distribuidor comum pode ser efectuado do lado

da alta pressão, no tubo distribuidor, ou do lado da baixa pressão, na admissão

da bomba injectora.



No lado da alta pressão o controlo é efectuado através de uma válvula

reguladora de pressão de comando electromagnético. Esta válvula é accionada

por sinais enviados pela centralina, garantindo desta forma o controlo da

pressão no tubo distribuidor. O combustível que não é utilizado na injecção

retorna ao sistema de baixa pressão através da válvula reguladora. Este

sistema de funcionamento permite uma resposta imediata de regulação da

pressão quando as condições de solicitação de injecção se alteram, visto existir

um caudal contínuo de combustível a passar pelo tubo distribuidor. Por outro

lado, pressurizar o combustível, fazê-lo passar pelo tubo distribuidor e voltar a

fazer a expansão para o retorno sem que este seja utilizado, é um gasto de

energia desnecessário. Para além disso, a pressurização e expansão do

combustível faz com que este aqueça, o que vai aumentar a temperatura do

combustível no retorno ao depósito.

O controlo efectuado pelo lado da baixa pressão consegue eliminar estes

problemas. O controlo é efectuado na admissão da bomba injectora através de

uma válvula reguladora de caudal de comando electromagnético. Esta válvula

garante que a quantidade de combustível enviado pela bomba injectora para o

tubo distribuidor é a estritamente necessária para manter a pressão desejada

no tubo distribuidor. Este sistema de controlo, além da válvula na bomba

injectora, necessita também de uma válvula limitadora de pressão máxima no

tubo distribuidor, esta válvula garante que em caso de falha da válvula

reguladora da bomba de injecção, que a pressão não ultrapasse um

determinado limite máximo, o que poderia por em risco a integridade do

sistema.

Os sistemas mais modernos combinam os dois tipos de controlo, do lado da

alta pressão e do lado da baixa pressão.

6 – Sensor de pressão

10 – Válvula reguladora

de caudal

11 – Válvula reguladora

de pressão

Figura 48 – Sistema de alta pressão



Um dos elementos chave do sistema common rail é o injector.

Os injectores pulverizam o combustível directamente no cilindro, eles são

alimentados através de uns pequenos tubos metálicos que se encontram

ligados ao tubo distribuidor comum. Cada injector é controlado

electronicamente, o controlo é feito por válvulas electromagnéticas de acção

rápida que abrem e fecham a passagem de combustível para a agulha, as

agulhas por sua vez continuam a ter um funcionamento por diferencial de

pressão, como nos injectores convencionais.

As válvulas electromagnéticas permitem várias injecções, injecção principal e

pós injecções. Cada uma das injecções pode ter a curta duração de 1

milissegundo (0,001s) e injectar quantidades desde 1mm3. As pré-injecções

são normalmente duas e servem para suavizar o início da combustão,

reduzindo o ruído e a emissão de NOX, a injecção principal é modulada de

forma a evitar temperaturas muito elevadas e a terminar de forma quase

instantânea, alguns sistemas utilizam duas injecções principais, também para

controlar o NOX. As pós-injecções podem ser até três por ciclo, e servem

essencialmente para reactivar a combustão, conseguindo desta forma um

aumento de temperatura, o que vai permitir que se continuem a dar reacções e

a queimar as partículas ainda existentes na câmara de combustão, que de

outro modo acabariam por sair pelo escape. O aumento da temperatura dos

gases também é benéfico às reacções existentes nos catalisadores de

oxidação.

O tempo de injecção e a pressão a que se encontra o combustível no tubo

distribuidor determinam a quantidade de combustível injectada. A quantidade

de combustível injectada é proporcional ao tempo de accionamento da válvula

electromagnética, ou seja, ao tempo de abertura da agulha.

Os sistemas common rail mais modernos utilizam injectores piezoeléctricos,

que são actuados por válvulas piezoeléctricas que permitem o dobro da

velocidade de abertura em relação às válvulas electromagnéticas.



Figura 49 – Injectores

A agulha no injector piezoeléctrico é controlada pela servo válvula (1). A

quantidade de combustível a injectar é controlada pelo tempo de activação do

piezo actuador (7). Quando o piezo actuador (7) não está activado a servo

válvula (1) mantém-se fechada. A agulha é mantida fechada pela pressão

existente no tubo distribuidor que é exercida na câmara de controlo (3).

Quando o piezo actuador (7) é activado através de um sinal eléctrico enviado

pela centralina, este vai actuar pressionando a servo válvula (1) para baixo e

vai fechar o orifício de by-pass (6), o diferencial de pressão provocado entre o

constrangimento (2) e o constrangimento (4) vai baixar a pressão na câmara de

controlo (3) e a agulha (5) sobe, ficando na posição aberta, dá-se então o início

da injecção.

Para iniciar o processo de fecho do injector, o piezo actuador (7) é desactivado

e a servo válvula (1) sobe, abrindo o orifício de by-pass (6). A pressão começa

a subir na câmara de controlo, assim que a pressão existente no tubo

distribuidor é restabelecida na câmara de controlo a agulha (5) é pressionada

para baixo, terminando aqui o período de injecção.

Todo este processo acontece em algumas décimas de milissegundo, sendo o

tempo de resposta entre o sinal enviado pela centralina e a activação do piezo

actuador cerca de 150 micro segundos.

A agulha de um injector piezoeléctrico vai abrir e fechar mais de um bilião de

vezes durante o seu tempo de vida útil. Estes injectores permitem uma

vedação fiável com pressões acima de 1800 bar e resistem a várias situações

de esforços aplicados, tais como:



Os choques provocados pela rápida abertura e fecho da agulha, que se

podem repetir cerca de 10000 vezes num minuto.

Os esforços derivados ao atrito provocado pelo escoamento do

combustível que passa pela agulha.

As temperaturas e pressões existentes na câmara de combustão.

Toda esta alta precisão envolve muita investigação, desenvolvimento de novos

materiais, técnicas de medição, etc.

A imagem a seguir apresentada dá-nos uma melhor percepção dos valores

envolvidos no funcionamento destes injectores.

Figura 50 – Bico de Injectores

A pressão no interior do injector pode atingir valores na ordem dos 1800 bar.

Esta pressão é equivalente à provocada pelo peso de um automóvel sobre uma

área com a dimensão da unha de um dedo:

A duração da injecção pode variar de 1 a 2 milissegundos. Em 1

milissegundo o som proveniente de um altifalante apenas percorre cerca

de 33 cm.

O caudal de combustível injectado pode variar desde 1mm3 (pré e pós

injecções) até 350mm3 e o equivalente a cerca de 12 gotas de água.

Esta quantidade de combustível é forçada a passar, com uma

velocidade de 2000 km/h, por uma área menor que 0,25mm2, num

intervalo de tempo inferior a 2 milissegundos.

A folga entre a agulha e o corpo do injector é de 0,002 mm (2µm). Um

cabelo humano é cerca de trinta vezes mais grosso (0,06 mm).



9.4. Sistema electrónico

O sistema electrónico é outro grande responsável pela capacidade dos

modernos motores Diesel, em darem resposta às muitas exigências de hoje em

dia. O sistema electrónico permite grandes variações dos parâmetros de

injecção de forma muito precisa e para diferentes estados de solicitação do

motor.

Em comparação com um sistema mecânico convencional, um condutor de um

veículo com sistema electrónico não tem controlo directo na injecção através

do pedal e cabo do acelerador, com o sistema electrónico o pedal do

acelerador é apenas uma das variáveis entre muitas outras que vão determinar

a quantidade de combustível a ser injectado.

O sistema electrónico pode ser subdividido em três partes:

Sensores ; detectam as condições de funcionamento do motor,

convertem variáveis físicas em sinais eléctricos.

Unidade de controlo (ECU) (Centralina); é o “cérebro” do motor

processa a informação enviada pelos sensores e controla actuadores

por meio de sinais eléctricos. Além destas funções funciona também

como interface de ligação a outros componentes, como ferramentas de

diagnóstico.

Actuadores ; convertem sinais eléctricos enviados pela centralina, em

acções mecânicas. São por exemplo, as válvulas electromagnéticas que

actuam os injectores, ou as válvulas reguladoras de pressão do tubo

distribuidor, etc. …

Figura 51 – Sistema electrónico



10. Bibliografia

Bosch, Diesel-Engine Management, Wiley 4th edition

Jorge Martins, Motores de Combustão Interna, Publindústria 2ª edição

Folhas do Eng.º Zózimo da Fonseca

Jorge Martins – Motores de Combustão interna

Árias Paz – Manuel do Automóvel – Edições Hemus

Web grafia

http://www.bosch.com.br/br/autopecas/produtos/diesel/aquecedora.htm

http://www.joseclaudio.eng.br/grupos_geradores_3.html

http://www.bosch.com.br/br/autopecas/produtos/diesel/aquecedora.htm

http://www.tractordiesel.com.br/sist_inj_diesel.htm

http://pt.wikipedia.org/wiki/Common-rail"

sistemas de injeccao diesel

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