Como funcionam os injetores common rail?

Nessa coluna, vamos entrar em profundidade no conceito de funcionamento dos injetores common Rail, assim como, as principais caraterísticas físicas que determinam o comportamento dos componentes internos

artigo por Diego Riquero Tournier   fotos Arquivo Bosch

 

O sistema de injeção de combustível para veículos Diesel Common Rail, já está presente no mercado Automotivo desde o final da década do 90 desenvolvendo ao longo do tempo, diversas atualizações e evoluções tecnológicas até chegar a um nível de precisão na gestão da quantidade de combustível injetado, extremamente sofisticado.

Nesta entrega, vamos entrar em profundidade no conceito de funcionamento dos injetores common Rail, assim como, as principais caraterísticas físicas que determinam o comportamento dos componentes internos.

Na figura 1 podemos observar os principais elementos que compõem um sistema common rail moderno, neste sentido, vamos destacar a característica de sistema de pressão modulada (pressão variável conforme as condições de carga do motor), destacando para este fim, a capacidade de acumulação de pressão no rail (2), disponibilizando esta alta pressão em todo momento para cada um dos injetores (3).

Desta forma, a alta pressão gerada pela bomba (1), não será enviada de maneira direta para os injetores, de mesma forma que era feito nos sistemas Diesel Mecânicos;  no sistema common rail, a alta pressão  gerada pela bomba, se acumula e se amortece no rail (2),  atenuando todos os picos de pressão que naturalmente são gerados pelo bombeio dos elementos de uma bomba de alta pressão (1).

Esta condição, permite a unidade de controle de motor (4) trabalhar com duas variáveis para controlar a quantidade de combustível a ser injetada; agora a ECU pode controlar a pressão do Rail (pressão que será injetado o combustível), e o tempo de injeção (tempo que o injetor permanecerá aberto).

Inclusive, na maioria dos sistemas common rail, a ECU determina a realização de diversas injeções dentro do mesmo curso de pistão; criando condições de Pre-injeções, injeção principal e Pós-injeções.

Como poderão concluir, este tipo de sofisticação de controle de injeção com tantas variáveis disponíveis a serem executadas pela ECU (4), representa um dos principais fatores que têm contribuído com o grande desempenho dos sistemas common rail.

Dentro do sistema common rail, o componente mais desafiador em termos de engenheira desde a perspectiva funcional e construtiva, é sem dúvidas o injetor, neste sentido, vamos analisar os fenômenos físicos que determinam o comportamento dinâmico de um injetor Common Rail.

A diferencia de um injetor de aplicação em motores ciclo Otto, os quais funcionam a partir da atração magnética gerada por uma bobina que levanta a agulha do injetor, os injetores Common Rail não poderiam funcionar apenas por uma atração magnética que incide diretamente na agulha de injeção, já que no caso deste tipo de injetores, estamos falando de pressões de injeção superiores aos 1.000 bar o que tornaria insuficiente a ação de uma bobina para movimentar uma agulha de injeção.

Desta forma, e a partir dos princípios da hidráulica, é possível compreender o funcionamento de um injetor Common Rail, conforme a representação da figura 2.

Dentro do injetor representado na figura acima, está sinalizado na cor vermelha o Diesel que se encontra no corpo do injetor sob alta pressão, e na cor amarela o Diesel resultante do circuito de retorno.

O princípio de funcionamento está baseado na manutenção ou ruptura de um equilíbrio de pressões (equilíbrio hidráulico).

O combustível em alta pressão (cor vermelho), proveniente do rail, vai circular pelos os condutos internos da carcaça preenchendo todos os espaços os quais foram especialmente desenhados como condutos e locais de acumulação de pressão, como é o caso da câmara Inferior (1) e a câmara superior (2); estas câmaras, mantem um equilíbrio de pressões entre elas, permitindo que a força adicional provocada pela mola (7), mantenha a agulha (8), em posição de repouso (fechada) no assentamento do bico injetor.

Como podemos ver, todo o conjunto mecânico composto por agulha de injeção (8), e a sua respectiva haste (6), se mantem em um equilíbrio de pressões (superior e inferior), o qual impede qualquer tipo de deslocamento das peças mecânicas; mas, bastaria criar uma diferencia de pressões entre a câmara inferior e superior, para que aconteça um deslocamento do conjunto mecânico provocando a injeção.

Para provocar o  desequilíbrio hidráulico, será necessário aliviar a pressão interna em alguma das câmaras, e para o caso especifico, com o objetivo de provocar um movimento ascendente do conjunto (deslocamento da agulha de injeção para acima), deve ser aliviada a pressão da câmara superior; deste forma, a pressão reinante na câmara inferior passa a ser consideravelmente mais elevada, gerando o desequilíbrio hidráulico necessário para “empurrar” a agulha de injeção para acima, provocando a injeção do combustível na câmara de combustão.

Para que o mencionado equilíbrio hidráulico aconteça, será necessário contar com a intervenção e funcionamento da bobina de ativação (5), a qual a partir de um comando elétrico da unidade de controle de motor (ECU), recebe uma tensão elevada (descarga capacitiva), capaz de produzir um campo magnético com um alto poder de atração, o qual movimenta a válvula interna (3), também conhecida como induzido; solidário a este movimento, também será deslocada uma esfera muito pequena (4), a qual está obturando um orifício extremamente pequeno, de aproximadamente 0,2mm que comunica a câmara de pressão superior com o circuito de retorno.

No momento que a válvula do induzido (3), é atraída pelo campo magnético da bobina de ativação (5), se produz um deslocamento muito pequeno (curso aproximado do induzido de 0,050mm), sendo esse movimento, o suficiente para levantar a esfera (4), do seu assentamento, provocando uma pequeníssima fuga do Diesel da câmara superior no sentido do retorno; esta pequena fuga em quantidade de fluido, representa um grande desequilíbrio em termos da pressão hidráulica interna do injetor, o que determinará o momento da injeção do combustível.

A eficiência funcional deste sistema, permite contar com altas velocidades de reação e precisão,  o que se traduz na pratica em funcionalidades que não poderiam ser realizadas em injetores mecânicos convencionais; especificamente estamos falando da capacidade de realizar injeções múltiplas no mesmo curso de pistão com alta precisão da quantidade de diesel Injetado.

A mencionada caraterística, permite aos fabricantes, desenhar estratégias de funcionamento, mediante as quais, um injetor pode contar com diversas alternativas de realização de pre-injeções, Injeção principal e pôs-Injeções; tudo isso acontecendo em um mesmo ciclo de funcionamento, para cada um dos cilindros do motor e nas mais variadas condições de carga e RPM.

Dependendo da geração do injetor common rail, as injeções realizadas com altíssima precisão, podem estar acontecendo com pressões que chegam até 2.500 Bar.

Na figura 3, é possível ver os diferentes fenômenos Elétricos, hidráulicos e mecânicos que incidem no funcionamento de um injetor common rail.

No gráfico da figura acima, vamos analisar uma referência de funcionamento de um injetor para o qual a coluna vertical nos apresenta os valores de pressão expressada em Kbar (1 Kbar = 1.000 bar), e a linha horizontal, a escala de tempo expressada em ms (Microssegundos).

Começando de cima para abaixo, vemos com primer valor, o sinal de ativação elétrica a qual neste exemplo, tem uma duração aproximada de 1,3ms; junto com esse sinal, é possível ver o comportamento a nível da corrente elétrica, o qual inicia com uma corrente mais elevada (Boost), com o objetivo de tirar o conjunto mecânico o mais rápido possível da condição de repouso, para depois manter o injetor aberto em uma condição menor de corrente (corrente de manutenção).

Seguindo na sequência, podemos ver que essa intervenção elétrica provocou a partir do campo magnético gerado, o deslocamento mecânico da válvula interna (induzido), o qual guardará uma proximidade de tempo de duração com relação ao fenômeno da ativação eletromagnética.

Este movimento mecânico do induzido, provocará uma variação na pressão interna do injetor (desequilíbrio de pressões), provocando mais um movimento mecânico o qual neste caso derivará, no curso da agulha de injeção e a respectiva injeção do combustível Diesel na câmara de combustão.

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