Injeção direta de gasolina - Gasoline direct injection

Motor GDI de um carro BMW (o injetor de combustível está localizado acima do triângulo vermelho)

A injeção direta de gasolina ( GDI ), também conhecida como injeção direta de gasolina ( PDI ), é um sistema de formação de mistura para motores de combustão interna movidos a gasolina (gasolina), onde o combustível é injetado na câmara de combustão . Isso é diferente dos sistemas de injeção de combustível do coletor , que injetam combustível no coletor de admissão.

O uso de GDI pode ajudar a aumentar a eficiência do motor e a potência específica, bem como reduzir as emissões de escapamento.

O primeiro motor GDI a atingir a produção foi introduzido em 1925 para um motor de caminhão de baixa compressão. Vários carros alemães usaram um sistema GDI mecânico da Bosch na década de 1950, porém o uso da tecnologia permaneceu raro até que um sistema GDI eletrônico foi introduzido em 1996 pela Mitsubishi para carros produzidos em massa. A GDI teve uma rápida adoção pela indústria automotiva nos últimos anos, aumentando nos Estados Unidos de 2,3% da produção de veículos do ano modelo de 2008 para aproximadamente 50% do ano modelo de 2016.

Princípio de operação

Modos de carga

O 'modo de carga' de um motor de injeção direta se refere a como o combustível é distribuído pela câmara de combustão:

  • O 'modo de carga homogêneo' tem o combustível misturado uniformemente com o ar em toda a câmara de combustão, de acordo com a injeção do coletor.
  • O modo de carga estratificada tem uma zona com maior densidade de combustível ao redor da vela de ignição e uma mistura mais pobre (menor densidade de combustível) mais longe da vela de ignição.

Modo de carga homogêneo

No modo de carga homogênea , o motor opera com uma mistura homogênea ar / combustível ( ), ou seja, há uma mistura (quase perfeita) de combustível e ar no cilindro. O combustível é injetado bem no início do curso de admissão para dar ao combustível injetado mais tempo para se misturar com o ar, de modo que uma mistura ar / combustível homogênea seja formada. Este modo permite o uso de um catalisador convencional de três vias para o tratamento dos gases de exaustão.

Em comparação com a injeção do coletor, a eficiência de combustível é apenas ligeiramente aumentada, mas a saída de potência específica é melhor, razão pela qual o modo homogêneo é útil para o chamado downsizing do motor . A maioria dos motores a gasolina de injeção direta de automóveis usa o modo de carga homogêneo.

Modo de carga estratificada

O modo de carga estratificada cria uma pequena zona de mistura de combustível / ar ao redor da vela de ignição, que é cercada por ar no resto do cilindro. Isso resulta em menos combustível sendo injetado no cilindro, levando a proporções gerais de ar-combustível muito altas , com proporções médias de ar-combustível de em carga média e em plena carga. Idealmente, a válvula de estrangulamento permanece aberta tanto quanto possível para evitar perdas de estrangulamento. O torque é então ajustado exclusivamente por meio de um controle de torque de qualidade, ou seja, apenas a quantidade de combustível injetado, mas não a quantidade de ar de admissão, é manipulada para ajustar o torque do motor. O modo de carga estratificada também mantém a chama afastada das paredes do cilindro, reduzindo as perdas térmicas.

Uma vez que misturas muito pobres não podem ser acesas com uma vela de ignição (devido à falta de combustível), a carga precisa ser estratificada (por exemplo, uma pequena zona de mistura de combustível / ar ao redor da vela de ignição precisa ser criada). Para atingir tal carga, um motor de carga estratificada injeta o combustível durante os últimos estágios do curso de compressão. Uma "cavidade em redemoinho" no topo do pistão é freqüentemente usada para direcionar o combustível para a zona ao redor da vela de ignição . Essa técnica permite o uso de misturas ultra-enxutas que seriam impossíveis com carburadores ou injeção convencional de combustível por manifold.

O modo de carga estratificada (também chamado de modo "ultra-lean-burn") é usado em cargas baixas, a fim de reduzir o consumo de combustível e as emissões de escapamento. No entanto, o modo de carga estratificada é desactivado para cargas mais elevadas, com o mecanismo de comutação para o modo homogéneo, com um rácio de ar-combustível estequiométrica de para cargas moderadas e uma relação ar-combustível mais rica em cargas mais elevadas.

Em teoria, um modo de carga estratificada pode melhorar ainda mais a eficiência do combustível e reduzir as emissões de escapamento, no entanto, na prática, o conceito de carga estratificada não provou ter vantagens de eficiência significativas sobre um conceito de carga homogênea convencional, mas devido à sua queima magra inerente, mais óxidos de nitrogênio são formados, o que às vezes requer um adsorvente de NOx no sistema de exaustão para atender aos regulamentos de emissões. O uso de adsorventes de NOx pode exigir combustíveis com baixo teor de enxofre, uma vez que o enxofre impede que os adsorventes de NOx funcionem adequadamente. Os motores GDI com injeção de combustível estratificada também podem produzir maiores quantidades de partículas do que os motores com injeção múltipla, às vezes exigindo filtros de partículas no escapamento (semelhante a um filtro de partículas diesel ) para atender aos regulamentos de emissões dos veículos. Portanto, vários fabricantes de automóveis europeus abandonaram o conceito de carga estratificada ou nunca o usaram em primeiro lugar, como o motor a gasolina IDE de Renault 2.0 2000 ( F5R ), que nunca veio com um modo de carga estratificada, ou o BMW N55 de 2009 e o Mercedes 2017 -Motores Benz M256 eliminando o modo de carga estratificada usado por seus predecessores. O Grupo Volkswagen usou injeção estratificada de combustível em motores naturalmente aspirados rotulados como FSI , no entanto, esses motores receberam uma atualização da unidade de controle do motor para desativar o modo de carga estratificada. Os motores turboalimentados da Volkswagen rotulados como TFSI e TSI sempre usaram o modo homogêneo. Como os últimos motores VW, os motores a gasolina de injeção direta mais recentes (a partir de 2017) geralmente também usam o modo de carga homogêneo mais convencional, em conjunto com o tempo de válvula variável, para obter boa eficiência. Conceitos de cobrança estratificados foram quase todos abandonados.

Modos de injeção

Técnicas comuns para criar a desejada distribuição de combustível ao longo da câmara de combustão ou são por pulverização guiada , ar-guiado , ou parede-guiado injecção. A tendência nos últimos anos é a injeção guiada por spray, já que atualmente resulta em maior eficiência de combustível.

Injeção direta guiada pela parede

Cavidade de remoinho no topo de um êmbolo no 2010-2017 Ford EcoBoost 3,5 L motor

Em motores com injeção guiada pela parede, a distância entre a vela de ignição e o bico injetor é relativamente alta. Para aproximar o combustível da vela de ignição, ele é borrifado contra uma cavidade de redemoinho no topo do pistão (como visto na foto do motor Ford EcoBoost à direita), que orienta o combustível em direção à vela. As portas especiais de entrada de ar em redemoinho ou tombo auxiliam nesse processo. O tempo de injeção depende da velocidade do pistão, portanto, em velocidades mais altas do pistão, o tempo de injeção e o tempo de ignição precisam ser avançados com muita precisão. Em baixas temperaturas do motor, algumas partes do combustível no pistão relativamente frio resfriam tanto que não podem entrar em combustão adequadamente. Ao mudar de carga baixa para motor média (e assim avançando o tempo de injeção), algumas partes do combustível podem acabar sendo injetadas atrás da cavidade de redemoinho, resultando também em combustão incompleta. Motores com injeção direta guiada pela parede podem, portanto, sofrer com altas emissões de hidrocarbonetos .

Injeção direta guiada por ar

Como nos motores com injeção guiada pela parede, nos motores com injeção guiada a ar, a distância entre a vela de ignição e o bico injetor é relativamente alta. No entanto, ao contrário dos motores de injeção guiados pela parede, o combustível não entra em contato com as peças do motor (relativamente) frias, como a parede do cilindro e o pistão. Em vez de borrifar o combustível contra uma cavidade de turbulência, em motores de injeção guiados por ar, o combustível é conduzido em direção à vela de ignição apenas pelo ar de admissão. O ar de admissão deve, portanto, ter um movimento especial de redemoinho ou tombamento para direcionar o combustível para a vela de ignição. Este movimento de redemoinho ou tombo deve ser retido por um período de tempo relativamente longo, de modo que todo o combustível seja empurrado para a vela de ignição. No entanto, isso reduz a eficiência de carregamento do motor e, portanto, a potência de saída. Na prática, é usada uma combinação de injeção guiada por ar e injeção guiada pela parede. Existe apenas um motor que depende apenas de injeção guiada por ar.

Injeção direta guiada por spray

Em motores com injeção direta guiada por spray, a distância entre a vela de ignição e o bico injetor é relativamente baixa. Tanto o bico injetor quanto a vela de ignição estão localizados entre as válvulas do cilindro. O combustível é injetado durante os últimos estágios do curso de compressão, causando uma formação de mistura muito rápida (e não homogênea). Isso resulta em grandes gradientes de estratificação de combustível, o que significa que há uma nuvem de combustível com uma proporção de ar muito baixa em seu centro e uma proporção de ar muito alta em suas bordas. O combustível só pode ser aceso entre essas duas "zonas". A ignição ocorre quase imediatamente após a injeção para aumentar a eficiência do motor. A vela deve ser colocada de forma que fique exatamente na zona de ignição da mistura. Isso significa que as tolerâncias de produção precisam ser muito baixas, porque apenas um pequeno desalinhamento pode resultar em declínio drástico da combustão. Além disso, o combustível resfria a vela de ignição, imediatamente antes de ser exposto ao calor da combustão. Portanto, a vela de ignição deve ser capaz de suportar muito bem os choques térmicos. Em baixas velocidades do pistão (e do motor), a velocidade relativa do ar / combustível é baixa, o que pode fazer com que o combustível não vaporize adequadamente, resultando em uma mistura muito rica. Misturas ricas não entram em combustão adequadamente e causam acúmulo de carbono. Em altas velocidades do pistão, o combustível se espalha mais dentro do cilindro, o que pode forçar as partes inflamáveis ​​da mistura para longe da vela de ignição, a ponto de não poder mais inflamar a mistura ar / combustível.

Tecnologias complementares

Outros dispositivos que são usados para complementar a GDI na criação de uma carga estratificada incluem temporização variável da válvula , elevador de válvula variável , e colector de admissão de comprimento variável . Além disso, a recirculação dos gases de escape pode ser usada para reduzir as altas emissões de óxido de nitrogênio (NOx) que podem resultar da combustão ultrafina.

Desvantagens

A injeção direta de gasolina não tem a ação de limpeza da válvula fornecida quando o combustível é introduzido no motor a montante do cilindro. Em motores não GDI, a gasolina que passa pela porta de entrada atua como um agente de limpeza para contaminação, como óleo atomizado. A falta de uma ação de limpeza pode causar aumento dos depósitos de carbono nos motores GDI. Fabricantes terceirizados vendem tanques de coleta de óleo que supostamente evitam ou reduzem esses depósitos de carbono.

A capacidade de produzir pico de potência em altas rotações do motor (RPM) é mais limitada para o GDI, pois há um menor período de tempo disponível para injetar a quantidade necessária de combustível. Na injeção do coletor (bem como nos carburadores e na injeção de combustível no corpo do acelerador), o combustível pode ser adicionado à mistura de ar de admissão a qualquer momento. No entanto, um motor GDI está limitado a injetar combustível durante as fases de admissão e compressão. Isso se torna uma restrição em altas rotações do motor (RPM), quando a duração de cada ciclo de combustão é mais curta. Para superar essa limitação, alguns motores GDI (como os motores Toyota 2GR-FSE V6 e Volkswagen EA888 I4 ) também possuem um conjunto de injetores de combustível para fornecer combustível adicional em altas RPM. Esses injetores de combustível do manifold também auxiliam na limpeza de depósitos de carbono do sistema de admissão.

A gasolina não fornece o mesmo nível de lubrificação para os componentes do injetor que o diesel, o que às vezes se torna um fator limitante nas pressões de injeção usadas pelos motores GDI. A pressão de injeção de um motor GDI é normalmente limitada a aproximadamente 20 MPa (2,9 ksi), para evitar o desgaste excessivo dos injetores.

Clima adverso e impactos na saúde

Embora essa tecnologia tenha o crédito de aumentar a eficiência do combustível e reduzir as emissões de CO 2 , os motores GDI produzem mais aerossóis de carbono negro do que os motores tradicionais de injeção de combustível. Um forte absorvedor de radiação solar, o carbono negro possui propriedades importantes para o aquecimento do clima.

Em um estudo publicado em janeiro de 2020 na revista Environmental Science and Technology , uma equipe de pesquisadores da Universidade da Geórgia (EUA) previu que o aumento nas emissões de carbono negro de veículos movidos a GDI aumentará o aquecimento climático em áreas urbanas dos EUA por uma quantidade que excede significativamente o resfriamento associado a uma redução de CO 2 . Os pesquisadores também acreditam que a mudança dos motores tradicionais de injeção de combustível (PFI) para o uso da tecnologia GDI quase dobrará a taxa de mortalidade prematura associada às emissões dos veículos, de 855 mortes anualmente nos Estados Unidos para 1.599. Eles estimam o custo social anual dessas mortes prematuras em US $ 5,95 bilhões.

História

1911-1912

Um dos primeiros inventores que experimentou a injeção direta de gasolina foi o Dr. Archibald Low, que deu ao seu motor o título enganoso de Motor de Indução Forçada, ao passo que apenas a admissão do combustível era forçada. Ele revelou detalhes de seu protótipo de motor no início de 1912, e o design foi desenvolvido pelo construtor de motores de grande escala FE Baker Ltd durante 1912 e os resultados exibidos em seu estande no Olympia Motor Cycle show em novembro de 1912. O motor era alto motor de motocicleta de compressão de quatro tempos, com o combustível a gasolina separadamente pressurizado a 1000 psi e admitido no cilindro "no momento de maior compressão" por uma pequena válvula rotativa, com ignição simultânea por uma vela de ignição e bobina trêmula permitindo que as faíscas continuem durante todo o fase de combustão. O combustível a ser injetado foi descrito como estando em fase de vapor, tendo sido aquecido pelo cilindro do motor. A pressão do combustível era regulada na bomba de combustível, e a quantidade de combustível admitida era controlada por meios mecânicos na válvula rotativa de admissão. Parece que este design radical não foi levado adiante por FE Baker.

1916-1938

Embora a injeção direta só tenha se tornado comumente usada em motores a gasolina desde 2000, os motores a diesel têm usado combustível injetado diretamente na câmara de combustão (ou uma câmara de pré-combustão) desde o primeiro protótipo bem-sucedido em 1894.

Um dos primeiros protótipos de um motor GDI foi construído na Alemanha em 1916 para o avião Junkers . O motor foi inicialmente projetado como um motor a diesel, no entanto, ele passou a ser projetado para gasolina quando o Ministério da Guerra alemão decretou que os motores de aeronaves deveriam funcionar com gasolina ou benzeno. Sendo um projeto de dois tempos de compressão do cárter , uma falha de ignição poderia destruir o motor, portanto, a Junkers desenvolveu um sistema GDI para evitar esse problema. Uma demonstração desse motor protótipo para oficiais da aviação foi realizada pouco antes do término do desenvolvimento devido ao fim da Primeira Guerra Mundial

O primeiro motor de injeção direta a usar gasolina (entre outros combustíveis) para chegar à produção foi o motor Hesselman 1925-1947 , que foi construído na Suécia para caminhões e ônibus. Como um híbrido entre um ciclo Otto e um motor de ciclo Diesel , ele poderia funcionar com uma variedade de combustíveis, incluindo gasolina e óleos combustíveis. Os motores Hesselman usaram o princípio de queima ultra-pobre e injetaram o combustível no final do curso de compressão e, em seguida, acenderam-no com uma vela de ignição. Devido à sua baixa taxa de compressão, o motor Hesselman podia funcionar com óleos combustíveis pesados ​​mais baratos, no entanto, a combustão incompleta resultava em grandes quantidades de fumaça.

1939-1995

Durante a Segunda Guerra Mundial, a maioria dos motores de aeronaves alemães usava GDI, como o motor radial BMW 801 , os motores V12 invertidos Daimler-Benz DB 601 , DB 603 e DB 605 da Alemanha e os Junkers Jumo 210G , Jumo 211 de layout semelhante e motores V12 invertidos Jumo 213 . Os motores de aeronaves aliados que usaram sistemas de injeção de combustível GDI foram o motor radial Shvetsov ASh-82FNV da União Soviética e o motor radial de 18 cilindros Wright R-3350 Duplex Cyclone americano de 54,9 litros .

A empresa alemã Bosch vinha desenvolvendo um sistema GDI mecânico para carros desde 1930 e em 1952 foi introduzido nos motores de dois tempos no Goliath GP700 e no Gutbrod Superior . Este sistema era basicamente uma bomba de injeção direta de diesel de alta pressão com uma válvula reguladora de admissão configurada. Esses motores apresentaram bom desempenho e consumiram até 30% menos combustível em relação à versão com carburador, principalmente sob cargas baixas do motor. Um benefício adicional do sistema era ter um tanque separado para o óleo do motor, que era adicionado automaticamente à mistura de combustível, eliminando a necessidade dos proprietários de misturar sua própria mistura de combustível para dois tempos. O 1955 Mercedes-Benz 300SL também usava um sistema GDI mecânico da Bosch, tornando-se, portanto, o primeiro motor de quatro tempos a usar GDI. Até meados da década de 2010, a maioria dos carros com injeção de combustível usava injeção múltipla, tornando bastante incomum que esses primeiros carros usassem um sistema GDI indiscutivelmente mais avançado.

Durante a década de 1970, os fabricantes americanos American Motors Corporation e Ford desenvolveram protótipos de sistemas mecânicos GDI chamados Straticharge e Programmed Combustion (PROCO), respectivamente. Nenhum desses sistemas atingiu a produção.

Presente de 1996

O Mitsubishi Galant de 1996 para o mercado japonês foi o primeiro carro produzido em massa a usar um motor GDI, quando uma versão GDI do motor Mitsubishi 4G93 em linha de quatro foi introduzida. Posteriormente, foi trazido para a Europa em 1997 no Carisma . Também desenvolveu o primeiro motor GDI de seis cilindros, o motor Mitsubishi 6G74 V6, em 1997. A Mitsubishi aplicou essa tecnologia amplamente, produzindo mais de um milhão de motores GDI em quatro famílias em 2001. Embora em uso por muitos anos, em 11 de setembro de 2001 MMC reivindicou uma marca comercial para a sigla 'GDI'. Vários outros fabricantes japoneses e europeus introduziram os motores GDI nos anos seguintes. A tecnologia Mitsubishi GDI também foi licenciada pela Peugeot, Citroën, Hyundai, Volvo e Volkswagen.

O motor 2005 Toyota 2GR-FSE V6 foi o primeiro a combinar injeção direta e indireta. O sistema (denominado "D4-S") usa dois injetores de combustível por cilindro: um injetor de combustível tradicional (baixa pressão) e um injetor direto de combustível (alta pressão) e é usado na maioria dos motores Toyota.

Nas corridas de Fórmula 1, a injeção direta foi tornada obrigatória para a temporada de 2014 , com o regulamento 5.10.2 afirmando: "Só pode haver um injetor direto por cilindro e nenhum injetor é permitido a montante das válvulas de admissão ou a jusante das válvulas de escape."

Em motores de dois tempos

Existem benefícios adicionais do GDI para motores de dois tempos , relacionados à eliminação dos gases de escape e à lubrificação do cárter.

O aspecto de eliminação é que a maioria dos motores de dois tempos tem as válvulas de admissão e escapamento abertas durante o curso de escapamento, a fim de melhorar a liberação dos gases de escapamento do cilindro. Isso faz com que parte da mistura de ar / combustível entre no cilindro e, em seguida, saia do cilindro, não queimada, pela porta de escape. Com a injeção direta, apenas o ar (e geralmente um pouco de óleo) vem do cárter e o combustível não é injetado até que o pistão suba e todas as portas sejam fechadas.

A lubrificação do cárter é obtida em motores GDI de dois tempos injetando óleo no cárter, resultando em um menor consumo de óleo do que o método mais antigo de injeção de óleo misturado com combustível no cárter.

Dois tipos de GDI são usados ​​em dois tempos: assistido por ar de baixa pressão e de alta pressão. Os sistemas de baixa pressão - como os usados ​​na scooter Aprilia SR50 de 1992 - usam um compressor de ar acionado por virabrequim para injetar ar no cabeçote do cilindro. Um injetor de baixa pressão então pulveriza o combustível na câmara de combustão, onde vaporiza ao se misturar com o ar comprimido. Um sistema GDI de alta pressão foi desenvolvido pela empresa alemã Ficht GmbH na década de 1990 e introduzido para motores marítimos pela Outboard Marine Corporation (OMC) em 1997, a fim de atender às regulamentações de emissões mais rígidas. No entanto, os motores apresentavam problemas de confiabilidade e a OMC declarou falência em dezembro de 2000. O Evinrude E-Tec é uma versão aprimorada do sistema Ficht, que foi lançado em 2003 e ganhou o prêmio EPA Clean Air Excellence em 2004.

Em 2018, a KTM 300 EXC TPI , a KTM 250 EXC TPI, a Husqvarna TE250i e a Husqvarna 300i tornaram-se as primeiras motocicletas de dois tempos a usar GDI.

A Envirofit International , uma organização americana sem fins lucrativos, desenvolveu kits de retrofit de injeção direta para motocicletas de dois tempos (usando tecnologia desenvolvida pela Orbital Corporation Limited ) em um projeto para reduzir a poluição do ar no Sudeste Asiático. Os 100 milhões de táxis e motocicletas de dois tempos no Sudeste Asiático são uma das principais causas de poluição na região.

Veja também

Referências