Continuando :
A injeção
direta de combustível é atrativa porque possibilita uma ótima operação com carga estratificada, comparado com o que é possível num motor com injeção indireta, o que pode ser um pouco atrasado no tempo de compressão, e pelo projeto do injetor (na combustão com o fluxo de fluído dentro do cilindro) pode ser eficientemente isolada do combustível pulverizado.
A melhor operação com carga estratificada, permite ao motor uma maior economia de combustível. A constante busca por uma melhora na economia dos motores a combustão interna, possibilitou a recuperação do desenvolvimento de motores com esta configuração. Isso pode ser constatado observando que somente nos últimos onze anos, três grandes programas para desenvolvimento deste tipo de motor já foram iniciados pelas grandes montadoras. Dentre os principais projetos podemos destacar os motores 4 tempos do final da década de 70 até o início dos anos 80, os 2 tempo no final dos anos 80 até o começo dos 90 e atualmente a retomada do desenvolvimento do sistema para motores 4 tempos.
Apesar da grande vantagem na operação com carga estratificada, este sistema apresenta grande dificuldade com relação à emissão de poluentes. A menos que se utilize EGR, a operação desses motores com mistura muito pobre (carga parcial) compromete a eficiência do catalisador de 3 vias. Nenhum destes motores consegue alcançar a norma 50-State U.S. pollution requirements atual.
Os motores GDI têm um grande número de vantagens: não necessita de borboleta de aceleração (muito embora as maiorias dos motores atuais deste tipo ainda a utilizem), o que reduz as perdas de carga na admissão de ar do motor. Outra vantagem é que num motor sem borboleta de carga estratificada a mesma quantidade de energia é liberada numa massa maior de gás, produzindo um menor aquecimento e uma menor perda de calor. A injeção de combustível dentro do cilindro e sua evaporação, resultam num resfriamento da mistura, e consequentemente numa maior eficiência volumétrica. Além disso, também permite a opção pela utilização de combustível com menor octanagem ou taxas de compressão maiores para a mesma octanagem. (Este maior resfriamento é notado quando comparado com um motor de injeção indireta, onde a evaporação da mistura rouba calor das paredes do injetor e da válvula de admissão; nos motores carburados, a maioria da energia para a evaporação do combustível vem da estrutura do carburador e do coletor de admissão). Todas essas vantagens propiciam um aumento em mais de 30% na eficiência térmica deste tipo de motor.
Além do mais, com operação a pouca carga a mistura é preparada imediatamente antes da ignição, e dessa maneira o tempo disponível para a auto-ignição é muito curto. Como disse anteriormente, este fato permite a redução da octanagem do combustível ou aumento da taxa de compressão.
Em operação à pouca carga, o GDI opera injetando uma pequena quantidade de combustível atrasada (late in) no tempo de compressão, e pelo gerenciamento do fluxo no cilindro e pelo projeto do bico injetor (bocal pulverizador), o motor consegue manter a quantidade de combustível separada da maioria do ar dentro do cilindro. Isto às vezes envolve um projeto complexo da câmara de combustão, envolvendo uma zona de squish e bowl (bacia) no topo do pistão ou na cabeça do cilindro. Na medida em que a carga aumenta, o tempo da injeção é antecipado cada vez mais na fase de admissão, e o combustível é misturado cada vez mais com o ar no cilindro, até que toda a mistura torna-se homogênea. O fato é que da nuvem de combustível ocupar um volume e localização que variam de acordo com a variação da carga do motor e a localização da vela de ignição ser fixa, causam um problema. Para resolvê-lo a pulverização do combustível e o movimento do ar devem ser controlados para garantir a manutenção da mistura pulverizada próxima à vela, não importando a carga do motor. Em alguns projetos, a mudança da injeção de combustível com atraso para injeção adiantada não é gradual, e em outros como a dupla injeção, só apresentam eficácia para uma carga intermediária.
O controle mecânico existente na época em que este motor foi idealizado foi provavelmente a responsável pela aplicação limitada dos motores de Hesselman, tipicamente em situação de carga constante. Com o advento do controle computadorizado do tempo e do volume da injeção, o desenvolvimento dos motores Hesselman pode ser retomado.
Os motores GDI apresentam vantagens no regime de operação transiente, pois necessitam de uma menor velocidade de enriquecimento da mistura; partida mais rápida, com uma menor necessidade de enriquecimento a frio, reduzindo as emissões de hidrocarbonetos e CO2 na partida à frio. Entretanto em regime, as emissões de hidrocarbonetos são geralmente excessivas. O GDI tende a emitir partículas como nos motores a Diesel, ou seja, o combustível contém uma faixa grande de tamanho de gotículas. As gotinhas maiores não têm tempo de evaporar e, por essa razão, não são completamente queimadas, saindo partículas de carbono. Convencionalmente, a queima de uma mistura pobre e homogênea num motor PFI, produz menores níveis de NOx a medida que a mistura empobrece, o que ocorre devido a redução da temperatura na zona de reação. Entretanto num GDI de carga estratificada, a temperatura da zona de reação permanece alta, devido a algumas áreas onde a queima é estequiométrica ou ligeiramente rica, produzindo nelas, grande quantidade de NOx. Como resultado global, a produção de NOx num motor GDI sem EGR é similar aquela do PFI, mesmo que o GDI possa ter uma razão ar/combustível perto de
50 na geração a baixa carga. O fato do catalisador convencional de 3 vias não poder ser usado para um motor que opera muito pobre, como o GDI, forçou os engenheiros a buscas novas técnicas para a remoção do NOx que seria liberado a atmosfera. Desta maneira, desenvolveu-se a recirculação dos gases de escape, ou EGR.
Este produto é largamente utilizado para reduzir a produção de NOx dentro do cilindro. Ele opera como um diluente parecido com o ar, reduzindo a temperatura de combustão. Entretanto, isto degrada um pouco a eficiência térmica, devido à presença de moléculas de CO2 e H20, as quais têm um alto calor especifico e produzem um baixo índice politrópico. Num motor GDI, a combustão estável é possível com uma taxa muito maior de EGR do que no PFI. (Homogênea ou levemente homogênea), porque a mistura na vizinhança da vela é próxima à estequiométrica. O motor homogêneo PFI, é limitado a algo em torno de 15% de EGR, enquanto que um motor GDI de carga estratificada pode operar com EGR de em torno de 30%.
Além do cuidado no gerenciamento do fluxo dentro do cilindro, o motor GDI requer cuidado no projeto do injetor. O tamanho e a velocidade das gotículas determinarão à taxa de evaporação e a penetração da gotícula. Isto é, o quão longe as gotículas viajarão dentro do cilindro. No PFI, grande parte da carga de combustível é depositada nas paredes da entrada e na parte de trás da válvula de admissão, onde devem ser evaporadas. Para se alcançar todas as vantagens do GDI, o spray de combustível não deve atingir a parede do cilindro para não formar um filme de líquido no local. GDI geralmente utiliza um sistema de injeção common rail, ou seja, um canal de injeção de alta pressão que alimenta os injetores, os quais são eletronicamente controlados pelo ECU do motor. A pressão no coletor é de 5-7MPa, pois, alta pressão produz menores gotículas, mas com maior penetração. A pressão durante o ciclo de partida é muito menor, em torno de 500 kPa. O injetor típico produz uma injeção cônica de combustível rotacional. Este jato quebra-se em gotículas muito rapidamente alcançando o tamanho de 20 μm. As vantagens deste bocal rotacional é que isso produz uma faixa relativamente estreita de tamanho de gotículas (tamanho médio de 20 μm, e gotículas de no máximo 50 μm). Já um bocal convencional, produz uma faixa de variação do tamanho das partículas maior.
O gerenciamento do fluxo no cilindro, juntamente com o padrão de injeção apresentam um grande número de possibilidade para o desenvolvimento deste motor.
7.1.MOTORES ATUAIS – ABORDAGEM MAIS DETALHADA
7.1.1.GDI – Mitsubishi
Atualmente o líder no uso da tecnologia GDI (Gasoline Direct Injection) é a Mistubishi. Ela já aplicou esta tecnologia em diversos motores 4 cilindros com 1.5 litro até V8 de 4.5 litros. Agora, a maioria dos motores que a empresa produz, são dotados do sistema GDI.
O marketing principal da montadora era a redução no consumo de combustível de 20 a 35% apresentada pelos seus novos motores, além de redução nas emissões de CO2 em 20% e do aumento de potência de 10%.
Figura 7.1.1 – Esquema de funcionamento do motor GDI da Mitsubishi.
Ao contrário dos motores convencionais, GDI utilizam tem o canal de admissão de ar deslocado para cima e para direita, acompanhando a seção côncava da superfície do pistão, gerando um fluxo de ar (swirl) diferente durante o tempo de compressão. Quando o combustível injetado dentro da câmara de combustão, a maneira como o ar é injetado, ajuda a misturar o ar com o combustível.
O injetor de combustível é uma nova característica deste motor. Ele injeta combustível a alta pressão (150 até 200 bars em alguns modelos em teste) melhorando a pulverização e a uniformidade do jato.
A injeção de combustível acontece em duas fases. Durante a admissão, uma certa quantidade de combustível é pré-injetada dentro da câmara de combustão esfriando do ar e aumentando assim a eficiência volumétrica e garantindo uma mistura ar/combustível uniforme em toda câmara.
Figura 7.1.1.2 – Esquema da queima do combustível.
A injeção principal acontece quando o pistão aproxima-se do ponto morto superior, um pouco antes do início da ignição. Como visto na figura 8.1.2, a seção côncava do pistão concentra mais combustível ao redor da faísca da vela, permitindo uma ignição ideal, sem deixar mistura sem queimar, mesmo aquelas que estejam com a razão ar/combustível bem pobre. Isto explica porque o GDI pode operar com razão ar/combustível da ordem de 1:40 sobre uma carga pequena, o que é mais pobre do que os motores de queima pobre Lean Burn Engines. Como resultado, uma queima mais completa é conseguida.
O motor GDI da Mistubishi opera com uma extraordinária taxa de compressão de 12,5:1, talvez a mais alta taxa de compressão de um motor a gasolina já produzido em série. Isto resulta em mais potência.
O segredo deste motor para evitar a detonação é o processo de pré-injeção. Durante a compressão, o ar quente é refrigerado pelo jato de combustível, e desta maneira a detonação fica mais difícil de ocorrer.
Uma das desvantagens dos motores GDI é o alto nível do NOx produzido. Entretanto uma nova tecnologia de catalisador esta conseguindo lidar confortavelmente com este problema. Infelizmente, EUA e outros muitos países desenvolvidos não podem se beneficiar dela porque apresentam gasolina com altos teores e enxofre, o que causa danos a este novo catalisador.
7.1.2.IDE – Renault (Injection Direct Essence)
A Renault foi à primeira montadora européia a lançar um motor à gasolina utilizando a injeção indireta. Ela evitou os problemas encontrados nos motores Mitsubishi mudando completamente o modo de utilização do conceito.
Ao invés de adotarem a mistura ar/combustível muito pobre, eles utilizam altos índices de EGR
(Exhaust Gas Recirculation). O EGR reduz o consumo de combustível pela redução das perdas no bombeamento, assim como a redução da capacidade efetiva do motor durante a operação com carga pequena ou média. Na operação com carga baixíssima, o motor IDE da Renault permite uma quantidade de 25% de EGR, muito maior que os 10-15% dos motores convencionais.
O motor IDE consegue trabalhar com 25% de EGR sem falhar na combustão, graças a injeção
direta de combustível, estando o injetor localizado no centro da cabeça do cilindro, no lugar tradicionalmente ocupado pela vela de ignição. Nesta configuração, a vela é colocada ao lado, muito próxima a saída do injetor de combustível. O injetor Siemmens injeta combustível a alta pressão (à 100 bar ou 1450psi) diretamente na câmara de combustão. Como a vela de ignição está inclinada e localizada no trajeto do combustível pulverizado, o sucesso da combustão está garantido mesmo utilizando-se 25% de gás de combustão na câmara.
Sem uma injeção
direta precisa, motores convencionais pulverizam o spray de combustível na porta de indução, assim entrando na câmara de combustão uniformemente. Com esse arranjo fica impossível concentrar maior quantidade de combustível ao redor da vela de ignição.
Dependendo da carga do motor, o IDE roda com uma das 3 pré-configurações de razão de EGR, sendo que para operação com carga total, não há EGR, já que o motor necessita da potência. Consequentemente, como no GDI, quando o motor opera a plena carga, não há economia de combustível. Entretanto a Renault afirma que o motor apresenta uma economia de combustível de 16%, de acordo com o método de teste europeu. O que é ótimo.
Outro ponto de destaque é o desempenho. O motor 1998 c.c. gera 140 hp e um torque de 148 lbft. Em comparação, a configuração convencional (não IDE), mas na versão com comando de válvulas variável, gera os mesmo 140 hp, porém tem um torque de 139 lbft. Nem mesmo o VVT é melhor o IDE.
O ganho de performance é conseguido através do aumento na taxa de compressão, para não usais 1,5:1 (no GDI ela é 12,5:1). Como a Mitsubishi, a pré-injeção ajuda o resfriamento na câmara de combustão, permitindo assim uma maior resistência a detonação e uma taxa de compressão mais alta.
A Toyota lançou no mercado um motor de carga estratificada com injeção
direta de gasolina.
Neste motor há 4 válvulas por cilindro, com sistema de regulação de gases de combustão (EGR) e a injeção de gasolina é feita a uma pressão de 12 Mpa. A estratificação da carga é proporcionada pela alta pressão de injeção, pelo formado na câmara de combustão e disposição das válvulas, especialmente projetadas com esta finalidade. O injetor é especialmente tratado para evitar acumulo de depósitos. Comparado com os motores convencionais, apresenta uma econômica de combustível da ordem de 30% e reduções nas emissões da ordem de 95%. Vale ressaltar que estes são dados divulgados pela Toyota em 1996, sendo que os testes práticos mostraram excesso de otimismo nestas considerações.
7.1.4.Sistema de combustão controlado TCCS da TEXACO e Sistema FM da MAN
Figura 7.1.4.1 – Motores de carga estratificada de produção comercial TCCS TEXACO e FM da MAN.
A câmara de combustão desses motores apresenta um formato côncavo, proporcionado um alto grau de redemoinhos ao ar aspirado, fundamental para uma combustão rápida da mistura.
O combustível é injetado tangencialmente e direcionado para a concavidade do pistão, durante os últimos estágios da compressão. Uma descarga elétrica de longa duração inflama o jato em desenvolvimento nas vizinhanças da vela de ignição. A partir daí, a frente de chama se expande consumindo a mistura ar/combustível até os estágios finais da combustão que são completados durantes o curso de expansão. Estes motores são usualmente denominados de motor de carga estratificada com injeção
direta.
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