Componentes da injeção de duto único, regra hoje em automóveis e utilitários
A injeção de duto único
O sistema de injeção de óleo diesel conhecido por injeção de duto único (em inglês, common rail) é hoje o mais empregado em automóveis e utilitários. Sua principal vantagem é a habilidade de variar o tempo e a pressão de injeção em larga escala, o que permite grandes variações de utilização do motor. É por isso que hoje temos motores Diesel com quase 100 cv/litro de potência específica, embora pequenos em cilindrada: ou seja, baixa injeção requerida de óleo diesel em marcha-lenta e vazão muito alta em potencia máxima.
Isso foi obtido ao separar a pressão e o tempo de injeção. O duto não passa de um acumulador de combustível pressurizado para os injetores — grosso modo, semelhante aos sistemas de injeção indireta dos motores Otto, com sua flauta na qual os injetores se alimentam. A maior diferença está na grande variação de pressão nos motores Diesel, de 200 a 2.200 bars. Além disso, separar a pressurização do controle de injeção permite controle preciso e rápido dos injetores, podendo-se ter até seis injeções de combustível num só ciclo de combustão.
Em geral, em automóveis e comerciais leves, divide-se o sistema de combustível em duas partes: baixa pressão e alta pressão. O de baixa pressão nada mais é que o sistema de combustível do motor Otto adaptado ao Diesel: há uma bomba elétrica de baixa pressão dentro do tanque, a qual é responsável por garantir grande vazão de combustível (até 190 litros por hora) em uma pressão baixa, mas constante (em torno de 6 bars), na entrada da bomba de combustível mecânica.
Em veículos comerciais pesados, que demandam maior vazão (ate 400 l/h), usam-se bombas do tipo engrenagem, em geral integradas à bomba de alta pressão, o que permite a sucção do combustível que está no tanque a certos metros de distância do motor. No fim, o conceito é o mesmo: garantir alta e constante vazão de óleo diesel na entrada da bomba de alta pressão.
Já a bomba de alta pressão, em geral do tipo rotativa (mas pode ser em linha, em alguns veículos comerciais pesados), é responsável por manter pressurizado o duto único, que será o reservatório de combustível pressurizado para os injetores. A pressão desse duto é determinada e controlada pela central eletrônica em função da demanda, por meio de válvulas que podem atuar tanto na saída do duto (ou seja, controlando a pressão pelo lado de alta pressão) quanto na entrada da bomba de alta pressão, antes da pressurização.
A vantagem do controle pelo lado de alta pressão é o tempo de resposta quando há grande variação da carga pelo motorista, caso de uma ultrapassagem. Por outro lado, desperdiça-se energia pressurizando o diesel em momentos de baixa carga, o que impacta o consumo e aquece o combustível a ponto de, muitas vezes, se precisar de um resfriador (como um radiador) de combustível antes que o excesso não usado retorne para o tanque. Afinal, sempre se garante um excesso de vazão na alimentação do duto para não haver risco de falta de combustível nos injetores.
Já controlando a pressão pela entrada da bomba de alta pressão, cria-se um retardo de resposta em grandes variações de carga, mas se economiza combustível. Há ainda estratégias que integram os dois sistemas para conseguir o melhor dos dois mundos.
O borrifo de um injetor limpo, que se perde em grande parte com depósitos
Um borrifo de pequenas gotas
Apesar de o óleo diesel entrar em combustão ao ter contato com o ar comprimido e aquecido, sem auxilio de centelha, isso não significa que basta “derramar” diesel para dentro da câmara de combustão. As altas pressões de injeção foram adotadas, sobretudo, por permitir melhor pulverização do diesel dentro da câmara, formando um borrifo de pequeninas gotas. Afinal, qualquer combustível só queima ao ter contato direto com o oxigênio e, quanto maior a gota, mais combustível ficará “preso” dentro dela sem ter contato com oxigênio.
Tal volume será “liberado” somente quando o combustível da camada externa queimar, deixando para trás um ar pobre em oxigênio que dificultará sua queima completa. Essa é a razão para se verem muitos veículos Diesel sem manutenção adequada soltando fumaça preta. Nesses casos os injetores estão parcialmente entupidos, com desgaste ou funcionamento irregular (muitas vezes por depósitos), fazendo com que o borrifo seja menos vaporizado e mais “jorrado”. Isso dificulta a queima completa, que produz gás carbônico (CO2), e leva a mais emissões de monóxido de carbono (CO) e material particulado (C, carbono).
As altas pressões de injeção visam à melhor pulverização do diesel: quanto maior a gota, mais combustível fica sem contato com oxigênio
Por outro lado, não se podem ter gotas muito pequenas: nesse caso o diesel injetado não atingiria grandes distâncias dentro da câmara, queimando longo no início, o que dificultaria a queima das moléculas que estivessem logo atrás devido à falta de oxigênio. Por isso, estudos minuciosos de turbulência e vórtices criados dentro do cilindro são de grande importância, pois garantem o melhor contato entre o diesel e o oxigênio.
Não se deve esquecer que diversos mecanismos responsáveis por aperfeiçoar a eficiência em motores Otto também atuam nos motores Diesel, como a variação do tempo de abertura das válvulas e o turbocompressor. Há pelo menos 20 anos não se veem mais motores Diesel em veículos, nos principais mercados, sem o uso de turbo.
Além de garantir maior potência específica por meio do aumento de torque (há limitação física do combustível para ganhar potência mediante aumento de rotação), o turbo permite que os motores Diesel modernos atendam a normas cada vez mais restritas de emissões, pois a câmara com maior pressão queima o combustível de maneira mais rápida e eficiente. Pode-se também usar um motor de menor cilindrada para produzir a mesma potência.
Característica da queima do combustível com um só jato pelo injetor na fase de combustão
As estratégias da eficiência
Uma vez entendido como o sistema funciona e quais suas capacidades, como estabelecer estratégias de controle da injeção para melhor eficiência e menores emissões?
O princípio de funcionamento do controle eletrônico não é muito diferente do usado em motores Otto. A central eletrônica recebe dos sensores dados como posição de pedal do acelerador, rotação e posição do virabrequim, pressão e temperatura do ar de admissão, temperatura do líquido de arrefecimento e do óleo lubrificante, entre outros. Com esses dados a central define os melhores parâmetros (tempo e intervalos de injeção, uso de EGR, pressão do turbo) para atingir o torque requerido via acelerador da maneira mais eficiente possível, em termos de consumo e emissões.
Algumas dessas estratégias são tão complexas que fica difícil imaginar como o sistema é capaz. Uma delas é adotada durante o uso normal do veículo para tentar descobrir, com precisão, quanto combustível está sendo injetado em função do tempo de injeção. Lembre-se: tempos de injeção são medidos em milissegundos, e as frações injetadas, em miligramas. Além disso, o tempo de resposta de um injetor de diesel atual está por volta de 150 microssegundos (milionésimos de segundo).
Com pequena variação na rotação do motor (um sinal muito preciso e com alta resolução) e variações do sensor de oxigênio, em combinação ao sensor de massa de ar, o sistema consegue calcular com precisão cirúrgica quanto combustível foi injetado, uma vez que dentro da central eletrônica se conhece a inércia total do motor. Esse procedimento é feito pela central na fase de desaceleração, quando não há sinal de pedal, de modo imperceptível para os ocupantes.
Sem essas adaptações constantes — necessárias pela variação da qualidade do combustível, bem como o desgaste do motor e de seus componente —, o veículo teria problemas para atender aos limites de emissões atuais, sobretudo de material particulado.
Ha também nos motores Diesel atuais um corpo de borboleta que raramente é usado. Esse tipo de motor nunca teve tal item por trabalhar com o máximo de ar possível, ou seja, mistura pobre. O motivo principal para sua adoção é que, ao desligar o motor, fecha-se a borboleta junto à interrupção da injeção de diesel. Se praticamente não há ar sendo aspirado e comprimido no motor, garante-se o desligamento do motor sem grandes vibrações (quem dirigiu picape com motor Diesel de controle mecânico sabe de que se trata). No artigo sobre emissões mencionamos outras estratégias para reduzi-las, como EGR e injeção de ureia.
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