Metade da frota de novos carros e caminhões dos EUA está agora equipada com injeção direta de gasolina (também conhecida como GDI) – o que significa que o combustível é pulverizado diretamente para a câmara de combustão. Isto levanta a questão: Qual é a próxima inovação do motor prestes a sair do laboratório?
A resposta é trazer o combustível para o fogo por dois caminhos separados, e alguns fabricantes já estão equipando os seus motores com porta e injecção directa. A Toyota introduziu esta tecnologia, que chama de injeção D-4S, em um V-6 há mais de uma década e agora usa a injeção direta e a porta em seus 2,0 litros flat-four (que é construído pela Subaru), 3,5 litros V-6, e 5,0 litros V-8. A Audi tem isso em seus motores V-6 de 3,0 litros e V-10 de 5,2 litros.
Ford é actualmente o jogador dominante com o que chama de dual-fuel, injecção directa de alta pressão (DI) e injecção de porta de baixa pressão (PI). As aplicações incluem motores a gasolina V-6 e V-8 com turboalimentação e aspiração natural – quatro em todas as faixas de tamanho de 2,7 a 5,0 litros. O Raptor F-150 de 2017 e o supercarro GT são ambos alimentados pelo novo EcoBoost V-6 de 3,5 litros assim equipado. Os F-150s de solo também dependem muito desta tecnologia com uma base dupla de 3,3 litros V-6 e V-6 EcoBoost de 2,7 e 3,5 litros opcional. A mais recente aplicação da Ford anunciada até agora é o novo V-8 de 5,0 litros que irá alimentar o Mustang GT.
Base
Antes de se debruçar sobre os pontos finos da equipa PI com DI, está em ordem uma pequena pré-camada. Ao contrário das representações de Hollywood dos carros que despencam dos penhascos, não existe a ignição espontânea. Como a gasolina líquida não queima, preparar o combustível retirado do tanque para entrar em combustão dentro do motor é um processo de dois passos.
O primeiro passo é atomizar o líquido a gotículas finas, conseguido forçando a gasolina pressurizada por uma bomba através de minúsculos orifícios de injeção. Um estudo dos engenheiros da Hitachi revelou que o combustível pressurizado a 1000 psi e injetado através de orifícios que variam de 0,006 a 0,011 polegadas de diâmetro rendeu uma névoa de 135-mph de gotas de apenas 0,000003 polegadas de diâmetro. Isso é bom.
A vaporização segue a atomização. Aqui, as gotículas finas de combustível passam por uma mudança de fase líquido-gás, tornando-se um vapor que pode ser misturado com ar e inflamado pela vela de ignição.
Porque o calor é absorvido durante esta mudança de fase, há um efeito de resfriamento, que pode ser usado para melhorar a eficiência operacional do motor. Com PI, o ar que flui através do colector de admissão é arrefecido antes de chegar à câmara de combustão. Com DI, o benefício de arrefecimento ocorre dentro da própria câmara.
Cada estratégia tem vantagens e desvantagens. O PI é útil para motores de aspiração natural porque o arrefecimento do ar de entrada aumenta a sua densidade e potencial de produção de potência. É significativamente mais fácil localizar os injectores nos orifícios de admissão, bem longe das válvulas e velas de ignição. Esta localização a montante proporciona tempo suficiente para que a vaporização total ocorra. Uma desvantagem é que as gotículas de combustível às vezes são depositadas nas paredes das portas de admissão, perturbando a relação combustível-ar prevista.
Com DI, a chance de detonação – ignição prematura da mistura de combustível e ar – é diminuída porque o efeito de resfriamento de troca de fase ocorre durante o curso de compressão imediatamente antes da ignição. A redução da temperatura superficial da câmara de combustão permite uma maior taxa de compressão e uma maior eficiência, quer o motor seja naturalmente aspirado ou impulsionado. A Ford elevou o torque de pico em 30 lb-ft em seu novo V-6 de 3,5 litros, combinando a nova estratégia de dupla injeção com maior pressão de impulso.
Existem desvantagens no DI. Um sistema DI é mais caro porque a pressão necessária para esguichar combustível na câmara de combustão é 50 a 100 vezes maior do que com PI, e a bomba de pressão mais alta impõe perdas parasitárias. Os injetores diretos tendem a ser ruidosos. Os depósitos de carbono – tanto na parte de trás das válvulas de admissão como nas tubulações de escape – são problemas de serviço para alguns usuários de DI. Como há menos tempo para ocorrer a vaporização, algum combustível escapa da câmara de combustão e do conversor catalítico como matéria particulada ou fuligem. Estas partículas de carbono são semelhantes, mas de menor tamanho do que as cuspidas pelos motores diesel.
A Combinação
A estratégia final é combinar ambos os benefícios PI e DI, usando cada um para diminuir os negativos do outro. A Toyota, por exemplo, dispara ambos os injectores durante as condições de carga baixa a média e rpm – por outras palavras, durante a condução normal. Isto aumenta a densidade da carga de entrada sem aumentar e descarrega os depósitos de carbono das válvulas de admissão. Durante circunstâncias de carga alta e rpm, quando o resfriamento máximo da câmara de combustão é necessário porque a detonação é mais provável, a DI manipula todo o fornecimento de combustível.
Peter Dowding, engenheiro-chefe de sistemas de gasolina do trem de força da Ford, revelou uma estratégia diferente. A Ford utiliza apenas o PI ao ralenti e a baixas rotações para um funcionamento suave, silencioso e eficiente do motor. À medida que as rpm e a carga aumentam, a entrega de combustível torna-se uma mistura programada de PI e DI. Em contraste com a metodologia da Toyota, a PI da Ford está sempre em operação, responsável por pelo menos 5% a 10% da entrega de combustível.
Dowding e seu colega de engenharia da Ford, Stephen Russ, salientam que os depósitos de carbono nos tubos de escape e válvulas de admissão nunca foram um problema em seus motores DI. Dowding acrescenta: “Agora que os motores eléctricos estão a ser atribuídos cada vez mais funções de propulsão, a nossa tarefa é melhorar a eficiência do motor sempre que podemos. A tecnologia de duplo combustível da Ford já provou ser uma estratégia valiosa e econômica nesse esforço”
Desenhar e desenvolver motores modernos é um ato de malabarismo que tenta equilibrar potência, emissões, quilometragem, durabilidade, dirigibilidade e outras preocupações. A estratégia de duplo combustível dá aos engenheiros uma chave adicional para virar enquanto se esforçam para desbloquear mais energia de cada gota de gás. Conforme as lições são aprendidas e os custos dos componentes caem, espera-se que mais fabricantes adotem essa abordagem para ventilar seus incêndios.
