Sábado, 27 de Março de 2010

Como funcionam os motores de injecção directa?

Introdução aos Motores de Injeção Direta

Que tipo de motor propelirá seu próximo carro ou picape? Se você está contemplando a ideia de comprar um diesel por sua economia de combustível (o Volkswagen Jetta TDI faz mais de 21 km por litro), bem, talvez não seja necessário desistir ainda do confiável e conhecido motor a gasolina.

Em um motor a gasolina dotado de injeção convencional de combustível, a gasolina toma um caminho menos direto do que nos motores de injeção direta. Essa abordagem indireta causa toda espécie de ineficiência na queima de combustível e pode resultar no desperdício de muita energia utilizável.

 

Motor de injeção direta
© 2009 General Motors
A maioria dos fabricantes de automóveis produz ou planeja em breve produzir carros a gasolina com motores de injeção direta, como o Ecotec, da GM


Em um motor de injeção direta, porém, o combustível pula o período de espera que teria de sofrer em um motor convencional, e em lugar disso vai diretamente à câmara de combustão. Isso permite que ele seja queimado de maneira mais regular e completa. Para o motorista, o fato pode significar menor consumo e maior potência nas rodas.

No passado, a injeção direta envolvia obstáculos técnicos demais para que seu uso valesse a pena em automóveis a gasolina produzidos para o mercado de massa. Mas com os avanços da tecnologia e a pressão reforçada pela produção de carros capazes de operar com menos poluição e consumo mais baixo, ao que parece a injeção direta de gasolina – ou GDI (sigla de Gasoline Direct Injection), como é conhecida no jargão do setor no mundo todo, inclusive no Brasil- chegou para ficar. De fato, a maioria dos fabricantes de automóveis produz ou pretende introduzir em breve carros a gasolina que aproveitam esse sistema capaz de propiciar economia de combustível e melhora de desempenho.

Continue lendo para saber tudo sobre a injeção direta.

O esquema básico da injeção direta

Para o leigo, o labirinto de mangueiras, comandos por cabo, coletores e tubos por sob o capô de um automóvel pode intimidar. Mas quando o assunto é um motor a gasolina, basta saber o seguinte: ele precisa de combustível, ar (mais exatamente, oxigênio) e de centelha para funcionar.

As duas diferenças mais importantes entre um motor de injeção direta e um motor a gasolina convencional estão na forma pela qual o combustível é entregue e na forma pela qual ele se mistura com o ar. Essas premissas básicas fazem grande diferença para a eficiência geral de um motor.

 

Motor de injeção direta
© 2009 HowStuffWorks
Com os motores de injeção direta, o combustível é injetado diretamente na câmara de combustão, em lugar de no coletor de admissão


Antes de entendermos como funciona um motor de injeção direta, vamos observar rapidamente a vida de um motor a gasolina comum (para um panorama mais completo do motor a gasolina, veja Como funcionam os motores de carros). Primeiro, o combustível viaja via bomba, vindo do tanque de gasolina e passando pelos tubos de combustível, até chegar a injetores de combustível montados no motor. Os injetores espirram gasolina no coletor de admissão, onde combustível e ar se misturam em forma de uma névoa fina. A intervalos precisos, as válvulas de admissão se abrem, para cada diferente cilindro do motor. Quando a válvula de admissão de um cilindro se abre, o pistão daquele cilindro desce, sugando a névoa de ar e combustível do coletor de admissão, em cima, para o interior do cilindro. Quando o pistão volta a subir, ele comprime a mistura de ar e combustível até que ela se torne em média 10 vezes mais densa do que em seu estado inicial. Em seguida, a vela daquele cilindro solta uma centelha que provoca a ignição na câmara, com uma explosão de alta pressão e energia. Isso faz que o pistão volte a descer com imensa força, empurrando a biela, o que movimenta o virabrequim, fazendo que a potência chegue às rodas.

Entendeu? Bem complicado, não é? O processo funciona, mas, do ponto de vista da engenharia, deixa muito a desejar, e envolve muito desperdício.
Com um motor de injeção direta, porém, o combustível salta um estágio e amplia a eficiência. Em lugar de ficar no coletor de admissão, ele é injetado diretamente na câmara de combustão. Com ajuda dos modernos computadores de gestão de motores, o combustível é queimado no exato local em que é necessário, e no momento exato [fonte: Fueleconomy.gov -  em inglês].

Para descobrir mais sobre o que torna os motores de injeção direta mais eficientes, leia a próxima página

A eficiência do motor de injeção direta

 

 

Motor de injeção direta
© 2009 General Motors
A galeria de combustível de um Ecotec 2010 de 2,4 l. A peça distribui combustível aos injetores.

Os motores de injeção direta propiciam mais força por unidade de combustível usada, por dois principais motivos. Primeiro, utilizam uma mistura de ar e combustível mais “pobre”. Segundo, a maneira pela qual o combustível se dispersa no interior da câmara permite que ele seja queimado de forma mais eficiente. Vamos considerar as duas coisas.

A relação entre o ar e o combustível durante a queima em um motor exerce efeitos determinados e previsíveis sobre o desempenho do propulsor, as emissões de poluentes e o consumo de combustível. Quando a quantidade de ar na mistura é alta, comparada à quantidade de combustível, temos uma mistura dita “pobre”. Quando encontramos o caso oposto, temos uma mistura “rica”.

Os motores de injeção direta usam uma mistura de 40 ou mais partes de ar para cada parte de combustível, expressa como “40:1”. Em um motor a gasolina convencional, a relação é de 14,7:1. Uma mistura mais pobre permite que o combustível seja queimado de maneira muito mais econômica.

Uma segunda vantagem em termos de eficiência, para os motores de injeção direta, é que eles podem queimar seu combustível de forma mais completa. O combustível pode ser injetado diretamente na parte mais quente da câmara de combustão – em um motor a gasolina, isso significa o mais próximo possível da vela. Em um motor a gasolina convencional, a mistura de combustível e ar se dispersa amplamente pela câmara, o que deixa quantidade substancial de gasolina não queimada, resultando em ineficiência.

Mas e quanto ao restante do motor? Será que os motores a injeção direta representam uma mudança radical com relação aos princípios conhecidos e aceitos dos motores de combustão interna?

A resposta é “não”. É certo que os motores de injeção direta usam alguns componentes especiais e artimanhas técnicas:

•    uma bela peça de equipamento chamada galeria de combustível conduz o combustível aos injetores;
•    programação especial no computador de gerenciamento de motor para lidar com os cálculos de fluxo de combustível, dimensão da gotícula de gasolina, controles de emissões e outras coisas sobre as quais nenhum motorista quer pensar ao dirigir;
•    catalisadores especiais para lidar com os níveis notoriamente elevados de emissões de óxidos de nitrogênio (NOx).

Apesar da questão do NOx, os motores a gasolina a injeção direta são especialmente elogiados por suas emissões mais baixas. É por isso que numerosos fabricantes de motores vêm se esforçando para construir versões de dois tempos do motor de gasolina com injeção direta. Embora motores de quatro tempos sejam usados na maioria dos automóveis e motocicletas comerciais, os motores de dois tempos dominam as motocicletas fora-de-estrada, os barcos de pequeno porte e jet skis e muitas das motos usadas para transporte nos países em desenvolvimento.

Na seção seguinte, examinaremos por que injetar o combustível diretamente na câmara de combustão, sob alta pressão, não causa danos ao motor.

Segurança e confiabilidade do motor de injeção direta

Em 1893, Rudolf Diesel estava determinado a provar sua teoria de que combustível podia ser queimado sem fonte de ignição ao ser submetido a elevada pressão. Além disso, como ele demonstrou, a energia resultante podia ser transferida a uma máquina com o objetivo de executar trabalho. Diesel quase morreu tentando aperfeiçoar seu método, conhecido como ignição por compressão. O sistema terminou por fazer dele um milionário [fonte: Energy Information Administration - em inglês].

O motor a Diesel evoluiu nos anos 20 de maneira a incorporar a injeção direta como peça central de projeto. Os Diesel são robustamente construídos, para suportar as fortes tensões internas geradas por sua operação.

Já a gasolina oferece múltiplos desafios a quem quer que tente queimá-la por meio de injeção direta. Para começar, os próprios injetores precisam ser capazes de resistir ao calor extremo da câmara de combustão. E devido às características de queima diferenciadas da gasolina, a detonação era um problema (“detonação” é só mais um termo para a colisão de múltiplas frentes de chama na câmara de combustão, o que pode causar sérios danos a um motor; é popularmente conhecida por "batida de pino".) Outro problema que atrapalhava os engenheiros de GDI era o "cozimento", depósitos de resíduos de combustão que podiam entupir os injetores [fonte: Noyes, Wells - em inglês].

Consequentemente, um dos grandes atrasos na criação de carros equipados com DGI foi a pesquisa e desenvolvimento dos detalhes necessários a torná-los tão confiáveis quanto seus pares tradicionais. Fornecedores de componentes automobilísticos como Bosch, Delphi, Denso e Siemens desenvolveram soluções: injetores de alta pressão e alta resistência e sistemas eletrônicos sofisticados que permitem que operem em motores de IDG.

Na próxima seção, estudaremos os componentes de um sistema de combustível de injeção direta

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Componentes de um sistema de combustível de injeção direta

Você encontrará duas coisas em todos os motores de injeção direta: injetores de combustível (ao menos um por cilindro) e uma câmara de combustão – o espaço entre o pistão e o cabeçote que forma a parte superior de cada cilindro.

Além disso, a depender de que sistema de injeção direta está em uso, o motor pode ou não incluir diversos outros componentes afiliados aos seguintes sistemas:

•    Galeria única – Um longo cilindro metálico conhecido como galeria única conduz combustível aos injetores sob altíssima pressão.

•    Sistema Distribuidor com Bomba em Linha – Um distribuidor rotativo ou uma bomba são usados para conduzir combustível pressurizado aos injetores.

•    Sistema de Unidade Direta – Essa estrutura traz injetor e bomba exclusiva para ele integrados em uma unidade, posicionada sobre cada cilindro [fonte: Bosch - em alemão].

Outra distinção entre os motores de injeção direta e os convencionais: com um motor de injeção direta, a parte do computador responsável pela gestão do combustível precisa pensar muito mais rápido. Isso acontece porque o sistema de gestão de combustível precisa injetar combustível nos cilindros a intervalos muito mais curtos. E, em termos gerais, o fornecimento preciso de combustível e manipulação de mistura é mais importante no motor de injeção direta a fim de otimizar o desempenho, as emissões e o consumo [fonte: Sawyer - em inglês].

Leia a página seguinte para descobrir algumas das possíveis vantagens de um carro equipado com motor de injeção direta – bem como alguns dos motivos para que eles tenham demorado tanto a conquistar espaço.

Prós e contras dos motores de injeção direta

Como os estilos de moda, a ideia de colher benefícios da injeção direta de gasolina costuma surgir e desaparecer. O conceito atrai os engenheiros automobilísticos por dois motivos: a economia que a maior eficiência de combustível permitiria e a possibilidade de melhora de desempenho, especialmente se o sistema for usado com um turbocompressor. Por exemplo, a Bosch – uma fornecedora alemã de componentes automobilísticos de alta tecnologia - diz que seu sistema de injeção direta de gasolina pode reduzir o consumo em 15% e gerar até 50% mais torque em baixa rotação do que um sistema comparável de injeção indireta [fonte: Bosch - em alemao].

Mas qual é a desvantagem? Bem, os motores de GDI tendem a melhorar as emissões em termos gerais, mas produzem muitos óxidos de nitrogênio, ou NOx. Como os motores diesel, eles despejam particulados invisíveis e  insalubres na atmosfera – esse é o termo dos ambientalistas para “fuligem” [fonte: Sawyer - em inglês]. E, pelo menos por enquanto, seu custo de produção é superior ao de motores convencionais. O diretor de desenvolvimento da Audi, Axel Eiser, estima que os motores de injeção direta que estão sendo instalados nos seus carros custem 5% a mais que motores convencionais. Outras estimativas indicam que um motor de injeção direta pode custar centenas de dólares a mais do que um convencional, devido ao seu controle de emissões mais complicado [fonte: Csere].

Mas como em geral acontece com novas tecnologias, os engenheiros vêm resolvendo os problemas de maneira gradual. A questão do NOx quase desapareceu com o uso de uma técnica conhecida como recirculação de gases de escapamento (EGR -em inglês). Catalisadores criados especificamente para a GDI reduzem ainda mais as emissões de poluentes [fonte: Visnic -em inglês].

Dada a preocupação dos consumidores com o meio ambiente e a gasolina, que está atingindo massa crítica, as fábricas estão acelerando a produção de motores de GDI e preparando novos modelos. Na página seguinte, você verá o que os fabricantes têm em mente para o futuro dessa tecnologia.

Fabricantes de veículos com motores de injeção direta

Como indicado anteriormente, carros que utilizam óleo diesel sempre usam injeção direta. Por muitas razões, porém, o diesel não capturou o dinheiro ou os corações do público americano. Na Europa, o sistema faz mais sucesso, já que lá a economia de combustível é mais importante que outras considerações, tais como ruído e aceleração (os modelos a diesel costumavam ser mais barulhentos, mais lentos e mais poluentes que os carros a gasolina).

Não deveria surpreender, portanto que as marcas europeias liderem no desenvolvimento da tecnologia de injeção direta de gasolina. Mas a fabricante japonesa Mitsubishi foi a primeira a introduzir um motor GDI em um modelo vendido no mercado de massa. A empresa passou a oferecer essa opção de motor em seu modelo Galant, no mercado japonês, a partir de 1996 [fonte: Just-auto.com - em inglês]. A Toyota logo seguiu seu exemplo, bem como as fábricas europeias. Inicialmente, porém, os motores não conseguiram cumprir sua promessa de propiciar maior economia.

Os fabricantes americanos já estavam então cientes da GDI, mas não promoveram essa tecnologia de forma agressiva nos primeiros anos. Isso pode se dever ao fato de que, no final dos anos 90 e começo dos 2000, o petróleo e a gasolina produzida estavam custando relativamente pouco, o que tornava menos urgente a necessidade de oferecer motores que propiciassem economia de combustível, como os GDI.

Mas isso mudou drasticamente, e Ford e GM agora alardeiam as inovações tecnológicas encontradas em seus projetos de GDI. O Ecotec, da GM, é um sistema de injeção direta que terá parte cada vez maior em sua linha de carros e utilitários esportivos, com mais de uma dúzia de modelos destinados a receber esses motores no ano-modelo 2010 [fonte: Green Car Congress - em inglês].

Além disso, a Ford anunciou que mais de 2,5 milhões de veículos receberão seu motor de injeção direta “EcoBoost” entre 2009 e 2013. A empresa planeja oferecê-lo em seu MKS, no crossover Ford Flex e no Taurus, e alega que os motoristas poderão melhorar em 20% seu consumo de combustível [fonte: Ford]. Outros fabricantes que já oferecem ou planejam motores com GDI são Audi, BMW, Hyundai, Kia, Mazda, Mercedes-Benz, Nissan, Lexus, Saab, Subaru e Volkswagen.

A grande incógnita é determinar se a injeção direta de gasolina será superada por tecnologias mais avançadas antes de ganhar terreno. Os motores híbridos a gasolina e eletricidade conquistaram a imaginação do público. Carros elétricos recarregáveis em tomadas caseiras também podem ganhar espaço. E os veículos acionados por células a combustível de hidrogênio talvez surjam antes do que as pessoas imaginavam, como prova o Honda FCX.

O mais provável, porém, dizem os analistas automobilísticos, é que a injeção direta sirva como ponte evolutiva rumo a essas soluções mais exóticas. Assim, se você não quer esperar pelo “carro do futuro”, mais limpo e silencioso, mas ainda assim deseja economizar um pouco com a gasolina, um carro com motor de injeção direta é o caminho. Para mais informações sobre tecnologia de motores, siga os links da próxima página.

Akweli Parker.  "HowStuffWorks - Como funcionam os motores de injeção direta".  Publicado em 06 de janeiro de 2010  (atualizado em 07 de janeiro de 2010) http://carros.hsw.uol.com.br/motores-de-injecao-direta.htm  (27 de março de 2010)

publicado por adm às 16:21
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