Vantagens da alimentação por injeção direta em motores ciclo otto

Primeiro motor a gasolina equipado com injeção direta foi introduzido no mercado japonês em 1996 e no europeu em 1997 pela Mitsubishi

artigo por Fernando Landulfo   fotos Arquivo O Mecânico

Os Motores de Combustão Interna (MCI) são máquinas térmicas que convertem em energia mecânica a energia termoquímica obtida da combustão de um combustível no seu interior. A aplicação de MCI em veículos automotores, iniciada no sinal do século XIX, cresce a cada ano. Sendo que, segundo a Agência Internacional de Energia (International Energy Agency – IEA) (2012), a frota de veicular passará de 1,7 bilhões de veículos até o ano de 2035. [1,2] Com o objetivo de diminuir a emissão de gases poluentes gerador por veículos automotores, principalmente automóveis e caminhões, as agências reguladoras, de cada país, estabelecem metas de emissões de poluentes de longo prazo. [1,2]

No Brasil, tal incumbência cabe ao Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA), através do Programa de Controle da Poluição do Ar por Veículos Automotores (PROCONVE), atualmente na sua fase L-8.

Para atender as cada vez mais rígidas metas impostas, os MCI passaram por constantes evoluções nos seus projetos. Ou seja,  uma contínua aplicação de novas tecnologias. Como exemplo, pode-se citar, a indução forçada (super alimentadores), comandos de válvula continuamente variáveis, recirculadores de gases de escape (EGR), dowsizing (motores de pequeno volume), downspeeding (motores cuja rotação é limitada afim de se obter menores perdas por atrito) e mais atualmente, a Injeção Direta de combustível (IDC). Ferramentas tecnológicas que, em conjunto, tem apresentado resultados positivos. [1,2,3]

Assim como, a utilização de biocombustíveis de alta octanagem e calor latente de vaporização como o Etanol Hidratado Combustível (EHC), que permite o funcionamento do motor com altas taxas de compressão e pressões de superalimentação  (maior eficiência térmica), com menores riscos de detonação. [1,3]

No entanto, toda essa tecnologia precisa ser devidamente gerenciada, para oferecer o resultado esperado (redução dos níveis de emissão e aumento de desempenho). Diversas estratégias de funcionamento são utilizadas como para a maximização da eficiência global do motor e redução da emissão de gases poluentes. [1,3]

Como exemplo, pode-se citar o Empobrecimento da Mistura Ar-Combustível, em motores aspirados (Combustion Direct Injected Mode – LCDIM), ou superalimentados (Lean Boosted Direct Injected – LBDI), que visam a redução do trabalho de bombeamento e consecutivamente aumento da eficiência de conversão do combustível do motor. [1]

Outra estratégia, bastante difundida é a Estratificação da Mistura Ar-Combustível Estequiométrica (Stratified Combustion Spark Ingnition Stoichiometric – SCSIS), assim como,  a sua variante com empobrecimento (Lean Stratified Combustion Spark Ingnition – LSCSI), que de modo geral, objetivam uma redução nas perdas por bombeamento, redução das perdas por transferência de calor e aumento na eficiência térmica do motor. [1]

Já a utilização da Mistura Homogênea, com ou sem a adição de gases de escape recirculados (Homogeneous Charge Spark Ignited with Exhaust Gas Recirculation – HCSI + EGR / HCSI) visa uma maior estabilidade de combustão, bem como o controle da emissão de óxidos de nitrogênio (NOx) através da redução da temperatura média dos gases na câmara de combustão. [1]

No que diz respeito especificamente as injeções diretas (IDC) , apesar da sua introdução nos motores mais populares, apenas mais recentemente, não se trata um conceito novo. Sua origem data dos anos de 1930 nos aeronáuticos motores a pistão. [1]

A primeira empresa a aplicar injeção direta em sistemas automotivos, desenvolvida pela Bosch, foi a Goliath e Gutbrod em 1952. Em seguida, a Mercedes – Benz (300SL). No entanto, a utilização de injeção direta naquela época visava o aumento de desempenho do motor através do calor latente de vaporização do combustível. [1]

Nos anos de 1970, o mais conhecido, foi o sistema ProCo (programmed combustion) desenvolvido pela Ford. Contudo o projeto foi cancelado devido aos altos custos e inflexibilidade do sistema. [1]

Contudo, as limitações técnicas foram superadas na década de 1990. O primeiro motor a gasolina equipado com injeção direta foi introduzido no mercado japonês em 1996 e no europeu em 1997 pela Mitsubishi. [1]

 

Estratégias:

Mistura Homogênea

Durante a operação com estratégia de mistura homogênea, o combustível é injetado no cilindro durante o tempo da admissão. O intervalo de tempo entre o final da injeção e o início da combustão é suficiente para a formação de uma mistura mais homogênea, com pequenas variações do fator lâmbda da mesma dentro da câmara de combustão. [1,3]

Mistura estratificada

Uma das estratégias mais conhecidas de estratificação é a divisão da injeção (Split-Injection), onde primeira parte da injeção durante o tempo de admissão a segunda parte durante o tempo de compressão. Como o tempo de formação da mistura é mais curto, o combustível não se mistura completamente ao ar admitido. Dessa forma, é gerada uma mistura heterógena ou estratificada, cujo fator lambda varia significativamente ao longo do volume da câmara de combustão. [1,3]

Nesse ponto é preciso citar que, tanto o fluxo da mistura, quanto o posicionamento do eletroinjetor, são projetados para gerar valores baixos de lambda, próximo a vela de ignição. O que aumenta a ignitabilidade da mistura, reduzindo a variação de início do processo de combustão e ampliando a faixa de funcionamento do motor com mistura pobre. [1,3]

Contudo os sistemas de injeção direta, de estratégia estratificada, também contam com um processo evolutivo no que diz respeito ao seu processo de preparação de mistura.

Sistema Wall-Guided

Equipa a maioria dos motores da primeira geração. Porém não alcançou o potencial para redução do consumo de combustível. Nesse sistema, a mistura é preparada e direcionada para a vela de ignição através de uma superfície na câmara de combustão. O pistão é projetado de forma que o combustível injetado é direcionado para a vela de ignição. O transporte da mistura é normalmente realizado por swirl ou tumble. [1,3] Sistema Air-Guided.

Tem como principal objetivo reduzir as emissões de hidrocarbonetos. Isso é feito evitando-se o contato do combustível com as paredes da câmara de combustão, utilizando-se o fluxo de gases dentro da câmara de combustão para misturar o combustível ao ar. Via de regra, utiliza-se a cabeça do pistão para auxiliar na formação do fluxo. O sucesso desse sistema depende da orientação do jato de combustível e da geração do fluxo. No entanto, o swirl e o tumble requeridos para o funcionamento desse sistema reduzem a eficiência volumétrica. [1,3]

Sistema Spray-Guided

É considerado a segunda geração dos sistemas de injeção direta. Uma importante característica desse sistema é a proximidade da vela de ignição ao injetor de combustível, garantida através do ótimo posicionamento da vela de ignição em relação ao spray gerado pelo injetor, facilitando a ignição da mistura em uma ampla faixa de condições de operação do motor. [1,3]

Nesse sistema, o injetor deve produzir um jato de combustível padrão que seja robusto e estável, mesmo quando submetido a mudanças na contrapressão ou fluxo dentro do cilindro. Para o bom funcionamento desse sistema, deve-se atentar a: “carbonização da vela de ignição e do injetor, as tolerâncias do padrão do jato de combustível, o choque térmico sofrido pela vela caso o combustível líquido entre em contato com ela, o efeito da velocidade de rotação do motor que afeta a condição do fluxo na vizinhança da vela de ignição e o curto espaço de tempo para preparação da mistura antes da centelha.” [1]

Quando comparado aos sistemas da primeira geração, a formação de filme fluido no pistão ou nas paredes da câmara de combustão é bastante reduzida, chegando mesmo a ser eliminada. O que reduz significativamente as emissões de hidrocarbonetos.[1,3]

Como não necessita de fluxo para transportar a mistura até a vela de ignição, a turbulência dentro do cilindro é projetada para auxiliar a propagação de chama, gerando uma combustão rápida em toda faixa de operação do motor. [1]

Por fim, em resumo, pode-se dizer que as principais vantagens da injeção direta de combustível, em termos de eficiência, são:

“Redução do trabalho de bombeamento durante o funcionamento do motor em carga parcial, quando operando com carga estratificada. Essa estratégia de operação demanda abertura total da borboleta e permite que a carga do motor seja modulada pela variação do fator lambda”; [1]

“A mistura extremamente pobre tem maior expoente politrópico e portanto maior eficiência térmica”; [1]

“Misturas pobres queimam a uma temperatura inferior que as misturas estequiométricas, reduzindo as perdas térmicas para o sistema de arrefecimento; [1]

“O resfriamento interno da câmara de combustão pelo calor latente de vaporização do combustível, reduzem a tendência a detonação. Essa redução pode ser utilizada para aumentar a razão volumétrica de compressão, que contribui para o aumento da eficiência térmica do motor”. [1]

 

Referências:

[1] SILVA, Thiago Rodrigo Vieira da. ESTUDO DE ESTRATÉGIAS DE CONTROLE DOS PROCESSOS INTERNOS DE UM MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA DE INJEÇÃO DIRETA DE ETANOL TURBO – ALIMENTADO PARA MAXIMIZAÇÃO DA EFICIÊNCIA GLOBAL. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica). p. 218. Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, 2017.

[2] GUZZO, Marcio Expedito. METODOLOGIAS PARA ANÁLISE E CARACTERIZAÇÃO DOS SPRAYS DE UM INJETOR DE INJEÇÃO DIRETA DE GASOLINA. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica). p. 168. Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, 2012.

[3] GOMES JUNIOR, Carlos Alberto. ANÁLISE DA INFLUÊNCIA DA PRESSÃO DE INJEÇÃO, CONTRAPRESSÃO AMBIENTE E TIPO DE COMBUSTÍVEL NOS PARÂMETROS DA ATOMIZAÇÃO DE UM INJETOR DE INJEÇÃO DIRETA DE COMBUSTÍVEL HIGH – PRESSURE SWIRL. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica). p. 218. Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, 2017.

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