Como Funciona Sistema Common-Rail Troller NGD 3.0

OS MOTORES DIESEL E AS NORMAS DE CONTROLE DE EMISSÃO DE POLUENTES

OS MOTORES DIESEL E AS NORMAS DE CONTROLE DE EMISSÃO DE POLUENTES

Os motores diesel sempre tiveram a fama de serem duráveis e resistentes. Até 1987 as normas de controle de emissão de poluentes não impunham muitas restrições aos projetistas de veículos e motores e, durante muitas décadas os projetos primavam pela simplicidade tecnológica, adotando sistemas puramente mecânicos de injeção de combustível.

A partir de 1988, entrou em vigor o PROCONVE (Programa de Controle da Poluição do Ar por Veículos Automotores) editado pelo CONAMA (Conselho Nacional do Meio Ambiente). Esse programa foi implantado em diversas fases que, gradativamente, reduziram os limites de emissões.

Em 2006 foi implementada o PROCONVE L-4, equivalente à norma EURO III para os motores diesel dos veículos leves (até 3.856 Kg de PBT). Os novos limites não mais podiam ser atingidos e mantidos utilizando o sistema mecânico de injeção de diesel (Bomba Injetora). Tal como ocorreu dez anos antes nos carros a gasolina, que foram obrigados a abandonar o carburador, os fabricantes de utilitários a diesel foram obrigados a implantar sistemas que permitissem um controle mais preciso da alimentação de combustível dos motores.

É por esse motivo que a partir de 2006 a injeção eletrônica tornou-se obrigatória nos utilitários nacionais. A grande maioria dos fabricantes optou pela adoção do sistema common-rail, Essa primeira geração de motores Euro III utiliza um sistema common-rail relativamente simples, com pouco numero de sensores e atuadores. A partir de 2012 entrou em vigor o PROCONVE L-6, equivalente à norma EURO V (a Euro IV era para ser implantada em 2009 no Brasil,mas foi cancelada). A norma EURO V trouxe limites ainda mais estreitos, obrigando os fabricantes a incorporarem novos e complicados dispositivos de controle, como o sistema EGR e o filtro de partículas no escapamento DPF, além da obrigatoriedade do uso do diesel S-10, sob pena de entupimento do DPF. Com isso o sistema common-rail incorporou considerável aumento na quantidade de sensores e atuadores para controle de diversas novas funções, distanciando-se cada vez mais da simplicidade que caracterizava os motores diesel das gerações anteriores.

FUNCIONAMENTO DO SISTEMA DE INJEÇÃO COMMON-RAIL

A grosso modo, o sistema common-rail é similar à injeção eletrônica multiponto dos carros à gasolina que possuem uma flauta pressurizada interligando a alimentação dos bicos injetores. Ocorre que no common-rail a flauta (Rail) trabalha com pressões na faixa de 1600 Bar, enquanto a flauta dos carros a gasolina não chega a 10 Bar. Outra diferença é que os bicos de gasolina pulverizam no coletor de admissão, enquanto no motor diesel o combustível é pulverizado dentro da câmara de combustão, diretamente sobre uma cavidade existente no pistão, durante o tempo de compressão.

O common-rail trabalha com pressões tão elevadas por dois motivos: Primeiro porque é preciso vencer a pressão existente na câmara de combustão quando o ar encontra-se comprimido pelo pistão e, em segundo lugar, porque a alta pressão favorece a pulverização mais fina do combustível, facilitando sua queima e reduzindo as emissões. Nos motores diesel mecânicos a pressão de injeção varia entre 200 e 300 Bar.

No motor a gasolina a pressão de injeção é fornecida diretamente pela bomba elétrica. Devido às elevadas pressões exigidas pelo common-rail, impossíveis de serem alcançadas por bombas elétricas, é necessária a utilização de uma bomba mecânica. Essa bomba é conhecida como Bomba de Alta Pressão, ou simplesmente Bomba de Alta (DCP na literatura estrangeira).

Nos sistemas de injeção mecânica de diesel, os bicos injetam por força do aumento momentâneo da pressão do combustível recebido da bomba injetora. No momento da injeção a Bomba Injetora envia uma elevada pressão que vence a resistência de uma mola interna no bico e desloca uma agulha que abre a passagem do combustível para a câmara de combustão.

No common-rail,a pressão recebida pelos bicos é constante (existente no Rail e mantida pela bomba de alta) e o momento da injeção é determinado eletronicamente pela central que manda um pulso elétrico que faz abrir a passagem do diesel.

Nos sistemas Bosch a abertura de dá pela ação de um solenóide (eletroímã) que ao ser energizado desloca uma agulha liberando a passagem da alta pressão que vence a resistência da mola e injeta diesel na câmara. No sistema Siemens, utilizado pelo NGD 3.0 o solenóide é substituído por um dispositivo piezoelétrico. Tal dispositivo consiste em uma cápsula de material cerâmico que tem a propriedade de expandir suas dimensões ao receber um sinal elétrico. Essa expansão aciona a abertura de uma passagem de combustível liberando a injeção. O sistema piezoelétrico atua de forma mais rápida do que o sistema magnético, possibilitando um controle mais preciso do tempo de injeção.

A duração do pulso (tempo em que o bico fica aberto injetando) é muito pequena, variando de 0,4 a 2,5 ms (milésimo de segundo) no caso do motor NGD.

É oportuno lembrar que a aceleração do motor diesel se dá apenas pela variação da quantidade de combustível injetada, ao contrário do ciclo Otto em que o acelerador controla a entrada de ar e combustível simultaneamente (mistura). No motor diesel não existe dosagem de ar, uma vez que a admissão é livre, sem a existência de borboleta de aceleração, embora ela exista em alguns motores com outras finalidades, como redução de ruído, controle de emissões, etc.

Portanto, o motor diesel trabalha sempre com excesso de ar e não sofre as conseqüências de uma mistura pobre como no motor Otto, simplesmente porque não existe mistura prévia. A câmara de combustão enche-se com ar puro e o combustível entra em contato com o ar na medida em que é injetado na câmara de combustão (injeção direta) e, em razão da elevada temperatura do ar, esse contato causa a imediata inflamação de cada gotícula injetada. Assim a mistura propriamente dita ocorre molécula por molécula, durante um curtíssimo espaço de tempo, não cabendo falar em mistura rica ou mistura pobre no ciclo diesel.

Em algumas situações pode ocorrer o excesso de combustível, que é incorretamente chamado de mistura rica. Essa situação acontece quando a quantidade de diesel injetada é superior à disponibilidade de ar para queimá-la e por isso a parcela não queimada é expelido na forma de fumaça preta, o que indica combustão incompleta. As causas podem ser o excesso de injeção (bomba aberta) ou a falta de ar provocada por obstrução no filtro de ar ou falta de pressão na turbina, como ocorre numa aceleração rápida em que grande quantidade de diesel é injetada sem que tenha dado tempo da turbina elevar sua rotação e nesse breve intervalo haverá fumaça preta.

Nos motores mecânicos a aceleração (potência) é controlada pelo tempo em que o bico permanece aberto pela pressão do combustível vindo da bomba injetora, até o esgotamento dessa carga de combustível, situação em que a pressão cai e o bico se fecha, completando o ciclo de injeção. No common-rail, a aceleração, ou seja, a quantidade de diesel injetada é determinada pela pressão do Rail e pelo tempo de abertura do bico.

A Central Eletrônica ou Módulo de Injeção (ECU na literatura estrangeira) recebe o sinal de diversos sensores, inclusive do acelerador, que é um potenciômetro, e calcula o momento e a quantidade de diesel a ser injetada pelos bicos.

PARTICULARIDADES DO SISTEMA DE INJEÇÃO DO MOTOR NGD NO TROLLER 3.0

Todos os Troller 3.0 fabricados entre 2006 e 2011 (alguns vendidos em 2012) utilizam o motor MWM-International NGD 3.0E. Trata-se de um motor diesel de 4 cilindros em linha, com bloco de ferro fundido, cabeçote de alumínio com 4 válvulas por cilindro, comando de válvulas no cabeçote acionado por corrente e injeção direta de combustível pelo sistema common-rail Siemens PCR2.

O motor NGD foi também utilizado na pick-up Ford Ranger durante o mesmo período, o que facilita a manutenção pela compatibilidade de quase todas as peças exceto as seguintes: Módulo de Controle e respectivo chicote, comando de válvulas, sensor de fase do comando e volante do motor (*).

MÓDULO DE CONTROLE OU CENTRAL (ECU)

O módulo de controle utilizado no Troller é o Siemens SID901K, enquanto a Ranger utiliza o modelo SID901C. A principal diferença é que a pick-up Ford utiliza comunicação via rede CAN entre diversos módulos eletrônicos e sistema imobilizador na chave (PATS). Tal rede não existe no Troller e a comunicação externa via OBD-II é feita pela K-Line (pino 7 do conector OBD), Porém o protocolo de comunicação desta ECU parece ter sido modificado para excluir a compatibilidade com scanners genéricos como o ELM327 ou outros de baixo custo fabricados da china, sendo necessária a utilização de scanner de fabricante nacional com programação específica para o Troller 3.0, tais como Kaptor, Rasther, Raven ou Napro.

BOMBA DE ALTA PRESSÃO E CIRCUITO DE BAIXA (BOMBA ELÉTRICA)

A Bomba de Alta do motor NGD a possui três pistões radiais e seu acionamento é feito pela corrente de comando de válvulas. Para auxiliar o enchimento da Bomba de Alta, é utilizada uma bomba elétrica (Bomba de Baixa) instalada entre o tanque de combustível e o filtro de diesel. No Troller essa bomba é fixada na longarina esquerda do chassi, abaixo da porta do motorista. Na Ranger ela fica dentro do tanque.

Considerando a baixa pressão necessária nessa parte do circuito, o Troller possui um regulador de pressão que limita em 0,45 Bar a alimentação que chega no filtro de diesel. Assim, a pressão excedente produzida pela bomba elétrica é devolvida ao tanque pelo circuito de retorno.

Em condições ideais (circuito de alimentação cheio de combustível), o motor funciona normalmente sem necessidade da bomba elétrica, pois a Bomba de Alta possui um dispositivo de sucção interno consistente uma bomba de palhetas igual à que existe nas bombas injetoras rotativas. Já foi feita experiência de retirada do relê da bomba de baixa e o motor deu partida normalmente e andou sem problemas em circuito urbano.

Possivelmente, num percurso em estrada, onde a demanda de combustível é maior, pode haver falha por deficiência de alimentação. Outra situação que justifica a presença da bomba elétrica é a troca do filtro de diesel, onde o enchimento é feito por ela antes da partida do motor. De qualquer forma, a existência da bomba elétrica ajuda a reduzir o desgaste da Bomba de Alta, em razão do menor esforço na sucção do combustível. Preparadores de motores tem obtido bons resultados acrescentando bomba elétrica em motores mecânicos como no Troller 2.8 que tem sua performance melhorada pela alimentação mais eficiente em altas rotações.

PRESSÃO DE COMBUSTÍVEL NO DUTO COMUM (RAIL)

Foi dito linhas atrás que a pressão do Rail seria constante, isso é verdade apenas para uma determinada rotação. A aceleração do motor se faz variando a pressão do Rail o que, por conseqüência, faz aumentar a quantidade de diesel injetada. Em marcha lenta o NGD mantém a pressão do Rail em 220 Bar e em aceleração total essa pressão vai até o máximo de 1600 Bar.

A pressão do Rail é mantida e controlada pela Bomba de Alta, cujo controle é feito pela válvula PCV. Essa válvula, localizada no corpo da bomba, é comandada por um sinal pulsante vindo da Central. Um solenóide existente na válvula se encarrega de abrir ou fechar uma passagem de combustível de acordo com a largura de pulso (PWM) enviada pela Central.

A pressão do Rail é constantemente medida e informada à Central por um sensor instalado no centro do Rail. A Central utiliza essa informação para dimensionar o sinal que será enviado à PCV, de modo a manter a pressão programada no mapa de injeção para cada situação específica de aceleração/rotação. A PCV, quando em repouso deixa passar uma parte do combustível para o retorno, aliviando a pressão da Bomba de Alta (e do Rail) e ao ter seu solenóide energizado fecha a ligação com o retorno, fazendo aumentar a pressão, o que faz acelerar o motor.

Ocorre que esse processo de controle do aumento e diminuição da pressão é lento, e sua resposta apresenta um atraso incompatível com as necessidades rápidas de aceleração e desaceleração do motor. Para contornar esse inconveniente, a Central utiliza o artifício de aumentar o tempo de injeção por um curto espaço de tempo até que o Rail atinja a pressão esperada.

Em rotação constante, o tempo de injeção fica em torno de 0,5 ms. Ao acelerar suavemente ela se mantém próximo a 0,5 ms e o aumento da rotação é feito gradativamente pelo aumento da pressão do Rail. Numa acelerada brusca, o tempo de injeção aumenta instantaneamente e pode chegar até 2,5 ms (5x o tempo normal) e à medida que a pressão do Rail vai subindo o tempo tende a voltar para 0,5 ms. Dessa forma, o aumento momentâneo do tempo de injeção compensa o atraso da subida de pressão do Rail, possibilitado a elevação imediata da quantidade de diesel injetada.

Nas situações de desaceleração (ou descida sem aceleração), a injeção de combustível é cortada. O tempo de injeção cai a zero e a pressão do Rail permanece em 220 Bar (mesmo valor da marcha lenta).

Além da válvula PCV, que controla a pressão de saída para o Rail, a Bomba de Alta possui outro atuador montado em seu corpo: a válvula VCV, que tem por função controlar o volume de entrada de combustível proveniente da bomba elétrica e do filtro. A Central manda sinais elétricos que determinam a abertura dessa válvula controlando o enchimento adequado dos elementos da bomba para atingir a pressão determinada no mapa de injeção. Quanto maior a corrente (PWM) no solenóide da VCV, maior o fluxo de combustível para os elementos da bomba. Essa válvula tem por objetivo evitar que os elementos de bombeamento trabalhem com elevada quantidade de diesel nas situações que exigem baixa pressão, como na marcha lenta, prolongado a vida útil da bomba e aliviando a força necessária ao seu acionamento.

BICOS INJETORES

Os bicos injetores do NGD são do tipo piezoelétrico e possuem seis furos muito finos, o que possibilita a pulverização do combustível em partículas muito pequenas, favorecendo a queima completa do diesel, o que diminui o consumo e a fumaça.

Assim como nos sistemas mecânicos, os bicos despejam o excesso de combustível através da linha de retorno. Ocorre que no common-rail os bicos são constantemente submetidos à pressão existente no Rail e qualquer defeito que implique em perda de pressão pelo retorno (má vedação), irá provocar a redução da pressão em todo o circuito de alta, prejudicando a partida e o funcionamento do motor.

Os bicos piezoelétricos necessitam de, pelo menos, 70 Volts para seu acionamento e o fechamento só ocorre após a descarga de sua corrente residual para o negativo. Portanto, o desligamento repentino da alimentação do bico ou da central pode fazer com que o bico permaneça aberto, causando gotejamento de combustível na câmara.

SENSORES DE DISTRIBUIÇÃO (TIMMING)