1
Agência Nacional
do Petróleo,
Gás Natural e Biocombustíveis
PROGRAMA DE RECURSOS HUMANOS DA ANP PARA O SETOR PETRÓLEO,
GÁS NATURAL E BIOCOMBUSTÍVEIS (PRH-ANP/MME/MCT)
UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ
PROGRAMA INTERDISCIPLINAR EM ENGENHARIA DO PETRÓLEO, GÁS
NATURAL E BIOCOMBUSTÍVEIS (PRH 24)
Coordenador: Prof. Dr. Haroldo de Araújo Ponte
TRABALHO DE GRADUAÇÃO
“Caraterização de injetores automotivos de alto desempenho”
Aluno: Luiz Henrique Centenaro Monteiro
Orientadora: Profa. Dra. Maria José J. de Santana Ponte
Curitiba
Março/2007
2
UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ
SETOR DE TECNOLOGIA
PROGRAMA INTERDISCIPLINAR DE ESPECIALIZAÇÃO EM PETRÓLEO E GÁS
NATURAL
CARACTERIZAÇÃO DE INJETORES AUTOMOTIVOS DE ALTO DESEMPENHO
Monografia de encerramento do Programa
Interdisciplinar de Especialização em Petróleo e
Gás Natural 24 da Agência Nacional do Petróleo (ANP)
Aluno Luiz Henrique Centenaro Monteiro
Prof.a Dra. Maria José Jerônimo de Santana Ponte.
CURITIBA, 12 FEVEREIRO DE 2007.
3
ÍNDICE
ÍNDICE ........................................................................................................................1
1.
INTRODUÇÃO .....................................................................................................5
2.
OBJETIVO ...........................................................................................................7
3.
ESTADO DA ARTE........................................................................................... 8
3.1.
EVOLUÇÃO DA INJEÇÃO DE COMBUSTÍVEL ...........................................8
3.1.1
Dos
primeiros
estudos
ate
os
primeiros
sistemas
eletrônico......................................................................................................................6
3.1.2
As
legislações
ambientais
e
o
desenvolvimento
dos
sistemas
eletrônicos....................................................................................................................8
3.2 A VÁLVULA INJETORA DE COMBUSTÍVEL......................................................12
3.2.1
Tipos
de
Injetores...........................................................................................14
3.2.2 Considerações de Projeto.............................................................................12
3.3. ESTRATÉGIAS DE INJEÇÃO DE COMBUSTIVEL EM MOTORES DE IGNIÇÃO
POR FAÍSCA.............................................................................................................15
3.3.1. Injeção multi-ponto contínua................................................... .................. 15
3.3.2. Injeção na câmara central (CPI-Central port injection)................................15
3.3.3
Injeção
multiponto
...............................................................Erro!
de
Indicador
combustível
não
definido.
3.3.4 Injeção direta de combustível............................................................................16
3.4 ESTADO DA ARTE NO ESTUDO DA ATOMIZAÇÃO PRODUZIDA POR
INJETORES AUTOMOTIVOS EM MOTORES DE IGNIÇÃO POR FAÍSCA........ Erro!
Indicador não definido.
3.5 ESTUDO DO DESENVOLVIMENTO DO SPRAY A PARTIR DO INJETOR.......20
3.6 ESTUDOS DA INFLUÊNCIA DA COMPOSIÇÃO DO COMBUSTÍVEL NAS
CARACTERÍSTICAS MACROSCÓPICAS DO SPRAY ............................................19
3.7 ESTUDOS DA INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA DO COMBUSTÍVEL NAS
PROPRIEDADES DO SPRAY ..................................................................................23
3.8 ESTUDOS SOBRE NÚCLEO CENTRAL DE AR NO ORIFÍCIO DO
INJETOR..Erro! Indicador não definido.
4.
MODELOS DE ATOMIZAÇÃO DE SPRAYS DE CONE OCOErro! Indicador não
definido.
4
4.1
ABORDAGEM
DA
ATOMIZAÇÃO
DA
LÂMINA
POR INSTABILIDADE
LINEARIZADA...........................................................................................................27
4.1.1. Formação do Filme..........................................................................................27
4.1.2.O
modelo
de
Chryssakis...................................................................................Erro! Indicador não
definido.
4.1.3.
Modelo
de
Reitz....................................................................................Erro!
Han
Indicador
e
não
definido.
4.1.4. Modelo de Nagaoka e Kawamura....................................................................29
5. ANÁLISE DIMENSIONAL......................................................................................33
5.1 TEOREMA DOS Π DE BUCKINGHAM ...............................................................33
5.1.1. Aplicação do Teorema ao caso estudado .......................................................34
5.1.2.1 Primeiro parâmetro adimensional: Π1........................................................................................ 33
5.1.2.2 Segundo parâmetro adimensional: Π2 ...........................................................36
5.1.2.3 Terceiro parâmetro adimensional: Π3 ............................................................37
5.1.2.4 Quarto parâmetro adimensional: Π4 ..............................................................37
5.1.2.5 Quinto parâmetro adimensional: Π5...............................................................38
5.1.2.6 Sexto parâmetro adimensional: Π6 ................................................................38
5.1.2.7 Setimo parâmetro adimensional: Π7 ..............................................................37
5.1.2.8 Terceiro parâmetro adimensional: Π8 ............................................................37
5.1.3 Determinação da forma funcional da correlação
..............................................4038
6 METODOLOGIA EXPERIMENTAL........................................................................39
7 DISCUSSÕES DOS RESULTADOS OBTIDOS....................................................42
7.1 ANÁLISE DA CORRELAÇÃO..............................................................................42
7.1.1.
Número de Euler.........................................................................................44
7.1.2.
Número de Reynolds ..................................................................................44
7.1.3.
Número de Weber.......................................................................................45
7.2 RESULTADOS PRELIMINARES.........................................................................43
8 CONCLUSÕES PRELIMINARES...........................................................................45
9.BIBLIOGRAFIA .....................................................................................................48
5
1 INTRODUÇÃO
Nos últimos anos, os limites tolerados para emissões de poluentes
atmosféricos, tais como hidrocarbonetos não queimados (referenciados na literatura
como UBHC’s, do termo em inglês UnBurned HydroCarbons), monóxido de carbono
(CO) e óxidos de nitrogênio (NOx), gerados pela queima de combustíveis fósseis em
motores de automóveis têm sido gradualmente reduzidos. A tabela 1 mostra a
evolução dos padrões de emissões de poluentes gerados por veículos automotores
movidos à gasolina na União Européia (regulados pelas resoluções EURO, que
servem de base para os padrões brasileiros de emissões veiculares regulados pelas
resoluções do CONAMA). É evidente a progressiva redução nos valores tolerados.
Mais ainda, a liberação de dióxido de carbono (CO2) a partir de veículos automotores
constitui um problema ambiental importante, uma vez que as emissões atmosféricas
deste poluente pelo sistema de exaustão dos automóveis contribuem ativamente
para o aumento do efeito estufa.
Data
CO
HC
(g/km)
(g/km)
HC +
NOx
(g/km)
NOx
MP
(g/ km)
(g/km)
Euro I
07 / 1992
2,72
-
0,97
-
-
Euro II
01 / 1996
2,2
-
0,5
-
-
Euro III
01 / 2000
2,3
0,2
-
0,15
-
6
Euro IV
Euro V
01 / 2005
Meio de
2008
1,0
0,1
-
0,08
-
1,0
0,075
-
0,06
0,005a
a) aplicável apenas à veículos que utilizam sistemas de queima com mistura pobre.
Tabela 1 – Evolução dos padrões de emissões de poluentes a partir de motores à
gasolina na Europa (DieselNet, 2006)
Os motores em produção atualmente, em sua grande maioria, utilizam
tecnologias de injeção do combustível nos coletores de admissão dos cilindros
(referenciados na literatura pela sigla PFI, do termo em inglês Port Fuel Injection).
Esta tecnologia é economicamente muito atrativa, pois emprega válvulas injetoras e
bombas de combustível de baixa pressão e o controle da carga do motor é
facilmente obtido através da posição da válvula borboleta, montada no corpo do
acelerador. Contudo, devido às suas características construtivas, esses motores
apresentam limitações, dentre as quais a formação de filmes de combustível líquido
nas paredes dos coletores de admissão dos cilindros, que dificultam o atingimento
das novas metas de emissões. Durante a partida a frio, o filme de liquido,
remanescente do último ciclo de injeção de combustível no motor e mantido no
coletor pelo fechamento da(s) válvula(s) de admissão. Penetrando no interior do
cilindro pelo movimento de indução do ar devido à abertura da(s) válvula(s) de
admissão, juntamente com o combustível introduzido na câmara pelo injetor. O
excesso de combustível na câmara de combustão leva a altos níveis de emissões de
hidrocarbonetos não queimados nos primeiros ciclos do motor. Assim, a indústria
automotiva foi forçada a buscar soluções que contornassem este e outros problemas
e permitissem aos motores manter os níveis atuais de desempenho com menor
emissão de poluentes. Uma das tecnologias que têm demonstrado potencial para
atingir estes objetivos é a injeção direta de gasolina (GDI, Gasoline Direct Injection)
no interior dos cilindros. Diversos autores (tais como ZHAO et al., 1999, ROTONDI e
BELLA, 2006, DRAKE e HAWORTH, 2007) demonstraram os benefícios desta
tecnologia, que incluem reduções significativas no consumo de combustível (da
ordem de até 20%, como citado por DRAKE e HAWORTH (2007)), aumento no
torque gerado (cerca de 5%, segundo informações obtidas no site do fabricante de
sistemas de injeção eletrônica Bosch) e redução no nível de emissões de UBHC’s.
Isto gerou um grande interesse no entendimento da natureza complexa do processo
de injeção de combustível nos sistemas GDI da nova geração. Ainda, os requisitos
da injeção de combustível no ambiente dos motores GDI são mais críticos do que os
7
da sua contraparte PFI, uma vez que o tempo disponível para a preparação da
mistura é consideravelmente menor. A capacidade dos sistemas GDI de operar em
uma faixa ampla de modos de operação, isto é, desde o modo homogêneo até o
modo de carga plenamente estratificada coloca requisitos restringentes nos sistemas
de injeção GDI.
As características dos sprays gerados pelos injetores automotivos tais como
tamanho médio de gota, penetração da ponta do spray, velocidades e ângulo de
cone do spray, exercem uma grande influência na taxa com que o ar e o combustível
se misturam, na distribuição de concentração da mistura ar/ combustível e no
molhamento das paredes dos cilindros e da cabeça dos pistões (LEE et al., 2001).
Desta forma, as características e a estrutura do spray tendem a exercer uma
influência cada vez maior no aprimoramento da performance e na redução das
emissões de poluentes dos motores em desenvolvimento. Assim, o entendimento da
estrutura e a caracterização quantitativa do spray são decisivos para a otimização do
controle de emissões de poluentes.
2 OBJETIVO
O objetivo deste trabalho é desenvolver uma correlação empírica a partir da
análise dimensional (teorema dos Π de Buckingham) capaz de predizer o tamanho e
velocidade das gotas no spray gerado por um injetor automotivo de alto
desempenho com pouco conhecimento das características construtivas do injetor,
dada a dificuldade de se obter tais dados dos fabricantes devido à questões de
segurança industrial. Para tanto, foram utilizadas técnicas de diagnóstico óptico
(LDV e PDPA) e de fotografia de alta velocidade para realização dos experimentos.
As razões para o emprego destas tecnologias serão abordadas no capítulo 5 deste
trabalho.
A seguir, far-se-á uma breve investigação da evolução da tecnologia de
injeção de combustível e das estratégias desenvolvidas pela indústria automotiva
para executar a mistura ar/ combustível nos motores de ignição por faísca. Tal
procedimento visa introduzir o leitor a alguns conceitos que serão posteriormente
utilizados no desenvolvimento neste trabalho.
8
3 ESTADO DA ARTE
3.1 EVOLUÇÃO DA INJEÇÃO DE COMBUSTÍVEL
3.1.1 Dos primeiros estudos ate os primeiros sistemas eletrônicos
Os primeiros experimentos com injeção de combustível que se tem notícia
foram conduzidos por Frederick William Lanchester, da Forward Gas Engine
Company de Birmingham, na Inglaterra em 1889.
A injeção de combustível tem sido utilizada comercialmente em motores de
ciclo Diesel desde meados da década de 1920. O conceito foi adaptado para
utilização em aeronaves impulsionadas por motores a gasolina durante a Segunda
Guerra Mundial, e a injeção direta foi empregada em alguns projetos notáveis tais
como o do motor Daimler-Benz DB 603 e versões posteriores do motor Wright R3350 utilizadas na aeronave norte-americana B-29 “Superfortress”.
Um dos primeiros sistemas comerciais de injeção de gasolina foi um sistema
mecânico desenvolvido pela empresa alemã Bosch e introduzido em 1955 no
Mercedes-Benz 300 SL.
Em 1957, a norte-americana Chevrolet introduziu uma opção de injeção
mecânica de combustível para seu motor 283 V-8. Este sistema direcionava o ar
induzido para o motor sobre um pistão em formato de “colher”, o qual se movia
proporcionalmente ao volume de ar. O pistão se conectava ao sistema de medição
de combustível, que mecanicamente alimentava combustível aos cilindros via tubos
distribuidores. Este motor produzia 283 hp (211 kW) a partir de 283 pol3 (4,6 l) de
deslocamento, tornando-se um dos primeiros motores de produção na história a
9
exceder 1 hp/ pol3 (45,5 kW/l). Utilizando outra abordagem, a Mercedes utilizou seis
pistões individuais para alimentar combustível para cada um dos seis cilindros.
Durantes os anos da década de 1960, outros sistemas de injeção mecânica,
tais como o Hilborn, foram utilizados ocasionalmente em motores V-8 americanos
modificados em várias aplicações em competições, tais como corridas de dragsters,
corridas em circuitos ovais e corridas de rua. Esses sistemas derivados das corridas
não eram apropriados para utilização diária nas ruas.
Um dos primeiros sistemas eletrônicos de injeção de combustível foi o
Electrojector, desenvolvido pela Bendix. Em 1957, o fabricante americano AMC iria
oferecer uma edição especial de seu modelo Rambler Rebel com um motor de 288
hp e 327 in³ (5.4 L) de deslocamento opcionalmente equipado com o sistema
Electrojector. Este teria sido o primeiro motor de injeção eletrônica de combustível
em produção, mas problemas com o sistema causaram a produção de poucas
unidades, que foram prontamente reequipadas com carburadores de corpo
quádruplo antes de serem vendidas.
A Chrysler ofereceu o sistema Electrojector no modelo DeSoto Adventurer em
1958. O primeiro carro com produção em série equipado com um sistema de injeção
eletrônica de combustível no corpo do acelerador, mas os primeiros componentes
eletrônicos não eram páreo para os rigores da operação do motor, e eram muito
lentos para acompanhar as demandas de controle on-line do motor. A maioria dos
veículos
originalmente
equipados com este sistema foram posteriormente
reequipados com carburadores de corpo quádruplo por seus proprietários. As
patentes do Eletrojector foram vendidas para a Bosch.
A Bosch desenvolveu um sistema de injeção eletrônica de combustível,
denominado D-Jetronic (onde D é a inicial de Druck, pressão em alemão), que foi
primeiramente utilizado no VW 1600 TL em 1967. Este era um sistema velocidade/
densidade, utilizando a velocidade do motor e a densidade de ar no coletor de
admissão para calcular o fluxo mássico de ar e desta forma a quantidade de ar
requerida. O sistema utilizava eletrônica analógica e discreta e um sensor de
pressão eletro-mecânico. O sensor se mostrou suscetível à vibrações e poeira. Este
sistema foi adotado pela VW, Mercedes-Benz, Porsche, Citroën, Saab e Volvo. A
empresa Lucas licenciou este sistema para produção com a empresa Jaguar.
A Bosch substituiu o sistema D-Jetronic pelos sistemas K-Jetronic e L-Jetronic
em 1974, ainda que alguns carros (tais como o Volvo 164) continuassem a utilizar o
10
sistema D-Jetronic por muitos anos ainda e a General Motors instalasse uma cópia
muito próxima do D-Jetronic em Cadillacs começando em 1977. O sistema LJetronic apareceu primeiro no Porsche 914 1974, e utilizava um medidor de vazão
de ar mecânico (L é a inicial de Luft, ar em alemão) que produzia um sinal
proporcional ao “volume de ar”. Esta abordagem requeria sensores adicionais para
medir a pressão atmosférica e a temperatura, para no fim calcular a “massa de ar”.
O sistema foi amplamente adotado nos carros europeus deste período e em alguns
poucos modelos japoneses pouco tempo depois.
3.1.2 As legislações ambientais e o desenvolvimento dos sistemas eletrônicos
Em 1975, uma nova legislação americana regulando a emissão de poluentes
atmosféricos em níveis bastante baixos para a época forçou as montadoras a
reduzirem dramaticamente as emissões de poluentes decorrentes da queima do
combustível nos motores. A única tecnologia viável disponível àquela época que
permitia que as montadoras atingissem os novos valores estabelecidos na legislação
era o conversor catalítico. A empresa General Motors tinha recém desenvolvido o
catalisador automotivo montado no cano de descarga e os fabricantes se
mobilizaram para colocar a nova tecnologia em produção. Um catalisador promove
uma reação sem ser consumido na reação. Neste caso, um catalisador oxidante foi
incorporado ao sistema de exaustão dos veículos para promover reações dos
produtos da combustão em presença de calor. Quando os produtos quentes da
combustão, tais como UBHC’s e CO são expostos ao material que compõe o recheio
do conversor catalítico (platina e/ ou paládio) os compostos são quase totalmente
oxidados em água e CO2.
Uma legislação mais restritiva para limitar a emissão de óxidos de nitrogênio
surgiu em 1980. Para atingir este objetivo era necessário um catalisador redutor
(ródio) para reduzir os vários óxidos de nitrogênio em nitrogênio livre e oxigênio. A
adição de um catalisador redutor, juntamente com o catalisador oxidante, constituiu
uma abordagem denominada catalisador de três vias. O termo três vem da
habilidade de reduzir dramaticamente todas as três famílias de compostos
regulamentados, citados no “”Clean Air Act” da EPA (Environment Protection
Agency).
11
O catalisador redutor é localizado à montante do catalisador oxidante,
usualmente na mesma carcaça. O processo redutor libera oxigênio dos compostos
NOx, e este oxigênio é então utilizado no catalisador à jusante para oxidar os
hidrocarbonetos não queimados e o monóxido de carbono.
Para tirar o máximo proveito do catalisador de três vias, um excelente controle
da relação ar/ combustível é essencial. Os sistemas de injeção eletrônica de
combustível melhoraram o controle do combustível em dois grandes estágios:
-sistemas de injeção eletrônica de combustível de circuito aberto aprimoraram
a distribuição de combustível cilindro a cilindro, mas geralmente apresentam um
controle da relação ar/ combustível pior do que um carburador, devido a problemas
com tolerâncias durante a fabricação;
-sistemas de injeção eletrônica de combustível de circuito fechado
aprimoraram o controle da relação ar/ combustível com um sensor de oxigênio nos
gases da descarga (sensor EGO). O sensor EGO é montado no sistema de
descarga à montante do catalisador. Sua função é detectar excesso de oxigênio na
corrente de descarga. O oxigênio, ou a falta deste, indicam se a mistura ar
combustível está pobre, próxima da razão estequiométrica ou rica. O sensor EGO é
também conhecido como sonda lambda ou sensor de O2.
Combinando-se a melhor distribuição de combustível cilindro a cilindro com o
controle da relação ar/ combustível em circuito fechado e com o conversor catalítico
de três vias, os níveis atuais de emissões de poluentes são menores que 0,1% dos
níveis pré-regulamentação.
Em 1982, a Bosch introduziu um sensor que media diretamente o fluxo
mássico de ar para o motor em seu sistema L-Jetronic. Este sistema foi denominado
LH-Jetronic (L para Luftmasse, ou massa de ar, e H para Hitzdraht, ou fio quente). O
sensor de massa de ar utilizava um fio aquecido de platina colocada no fluxo de ar.
A taxa de resfriamento do fio é proporcional ao fluxo mássico de ar através do fio.
Uma vez que o sensor de fio quente mede diretamente a massa de ar, a
necessidade de sensores adicionais de temperatura e pressão foi eliminada.
O sistema LH-Jetronic foi também o primeiro sistema de injeção eletrônica de
combustível totalmente digital, o que atualmente é o padrão. O advento do
microprocessador digital permitiu a integração de todos os subsistemas do trem de
força em um único módulo de controle. A exploração total da revolução digital tem
aprimorado mais ainda o controle da relação ar/ combustível em sistemas de injeção
12
eletrônica de combustível, bem como outros sistemas de controle automotivos nãorelacionados ao motor. Tipos de injetores
3.2 A VÁLVULA INJETORA DE COMBUSTÍVEL
3.2.1 Tipos de injetores
O tipo mais comum de injetor automotivo encontrado no mercado atualmente
é o de obturador (pintle). Este tipo de injetor consiste basicamente em um solenóide
em espira, montada na seção traseira do corpo do injetor, e uma válvula agulha,
guiada no corpo do bico, formando a parte frontal do injetor. Ambas as seções da
válvula são encapsuladas e presas entre si pelo corpo da válvula. Quando a corrente
enviada pela central eletrônica do motor (ECU, Engine Control Unit) energiza o
solenóide, o campo magnético gerado levanta a armadura e a válvula agulha contra
a resistência de uma mola helicoidal de retorno, para uma posição onde o batente
de parada da agulha toca a carcaça do injetor – este movimento é limitado em
aproximadamente 1 mm. A ponta da válvula agulha está em repouso e, quando
abre, forma com o corpo do injetor um orifício anular calibrado resultando em uma
descarga de combustível em formato de cone. O injetor de obturador é relativamente
simples e barato, mas a qualidade da atomização é inferior aos dos demais tipos
investigados. No caso dos sistemas PFI, que trabalham com pressões pequenas e
cujo desenho permite uma pré-vaporização do combustível ainda no coletor de
admissão dos cilindros, isto não é um problema; contudo, nos sistemas GDI este tipo
de injetor não consegue gerar sprays com tamanhos de gota adequados para
ocorrência da vaporização antes da faísca de ignição.
Com o desenvolvimento da tecnologia GDI e a necessidade advinda de se
obter sprays melhor atomizados, os injetores mecânico-centrífugos vêm ganhando
espaço no mercado em relação aos injetores de obturador. A principal diferença
entre este tipo de injetor e o injetor de obturador é a presença de uma câmara de
centrifugação (swirler) antes do(s) orifício(s) de saída do injetor, cuja função é
imprimir um momento tangencial ao fluido. A figura 1 mostra o desenho
esquematizado de um injetor mecânico-centrífugo. A figura 2 mostra o mecanismo
de formação do spray em injetores mecânico-centrífugos e os tipos mais comuns de
swirlers encontrados em injetores deste tipo.
13
Figura 1 – Desenho esquematizado de um injetor mecânico-centrífugo automotivo de
único fluido e abertura do obturador para dentro do injetor (ZHAO et al., 1999).
Injetores a duplo-fluido, que utilizam uma corrente de ar em alta velocidade
para realizar a atomização do líquido, ao invés de forçar uma queda de pressão no
líquido a ser atomizado, como no caso dos injetores mecânicos, também foram
testados para aplicações com motores GDI, como citado por ZHAO et al. (1999) e os
resultados mostraram que este tipo de injetor consegue uma atomização mais fina
que os injetores mecânicos, mas a sua utilização em veículos de produção esbarra
nos altos níveis de ruído e no custo do sistema utilizado para injetar o ar de
atomização.
(a)
(b)
14
Figura 2 – (a) Esquema do mecanismo de formação do spray em injetores
mecânico-centrífugos. (b) Três configurações típicas de câmaras de centrifugação
(swirlers) (ZHAO et al., 1999).
3.2.2 Considerações de projeto
Um injetor automotivo deve ser projetado para entregar uma quantidade
precisamente medida de combustível com uma geometria do spray simétrica e com
grande repetibilidade. Ele também deve ser capaz de gerar um spray de combustível
finamente atomizado, dado a necessidade do combustível vaporizar rapidamente na
câmara de combustão. Os parâmetros utilizados para caracterizar sprays são o
tamanho médio de gota (geralmente avaliado através do diâmetro médio de Sauter –
SMD, por vezes denominado formalmente na literatura por D3,2, a distribuição de
tamanhos de gota (avaliada pelos parâmetros estatísticos DV,10 e DV,90,
respectivamente os diâmetros de gota correspondentes aos pontos cumulativos de
10% e 90% do volume de líquido contido no spray),o ângulo do cone formado pelo
spray e a penetração do spray.
Uma pesquisa na literatura mostra que o diâmetro médio de Sauter (SMD)
ideal varia de acordo com a aplicação, sendo geralmente menor que 25 µm no caso
de injetores GDI e que uma distribuição estreita de tamanhos de gota é sempre
benéfica. Por exemplo, o parâmetro DV,90 para injetores GDI não deve exceder 45
µm, a fim de se evitar problemas de emissão de UBHC’s. O parâmetro estatístico
DV,90 é uma medida estatística quantitativa das gotículas maiores em uma
distribuição de tamanhos de gota. Valores menores que os apresentados acima são
ainda mais benéficos, conquanto se mantenha uma penetração suficiente do spray
para se manter uma boa utilização do ar. A pressão do combustível requerida em
sistemas GDI é de pelo menos 4,0 MPa para injetores de único fluido, com pressões
entre 5,0 e 7,0 MPa mais desejáveis se o modo estratificado com injeção tardia for
utilizado. Em sistemas PFI utilizados em automóveis de passeio, a pressão de
injeção raramente ultrapassa 0,3 MPa.
15
3.3 ESTRATÉGIAS DE INJEÇÃO DE COMBUSTIVEL EM MOTORES DE IGNIÇÃO
POR FAÍSCA
Denominada TBI pela empresa General Motors e CFI pela empresa Ford, foi
introduzida em meados dos anos de 1980 como uma tecnologia de transição entre o
carburador e a injeção individual nas câmaras de admissão de cada cilindro. O
sistema TBI injeta combustível no corpo do acelerador (no mesmo local em que o
carburador o fazia). A mistura induzida passa através de dutos de admissão como
no sistema com carburador. A justificativa para a introdução da tecnologia TBI/ CFI
foi seu baixo custo. Muitos componentes do sistema a carburador puderam ser
reutilizados, tais como o filtro de ar, o coletor de admissão e a linha de combustível.
Isto postergou os custos com o redesenho e projeto de novo ferramental para
produção destes componentes. Muitos destes componentes foram posteriormente
redesenhados para a próxima fase na evolução da injeção de combustível, que é a
injeção individual diretamente nos coletores de admissão de cada cilindro,
comumente conhecida como PFI ou MPFI. A tecnologia TBI teve vida curta,
equipando veículos de passageiros durante meados da década de 1980 nos
Estados Unidos e Europa e durante o inicio da década de 1990 no Brasil.
Figura 3 - Unidade de injeção no corpo do acelerador
3.3.1 Injeção multi-ponto contínua
O sistema K-Jetronic (K é a inicial de Kontinuierlich, ou contínuo) foi
introduzido em 1974 pela empresa BOSCH. Neste sistema, o combustível é
pulverizado constantemente pelos injetores, ao invés de ser pulverizado em pulsos
sincronizados com os tempos de admissão dos cilindros. O combustível é bombeado
do tanque até uma grande válvula de controle denominada distribuidor, que separa o
combustível suprido por um único tubo em tubos menores, um para cada injetor. O
16
distribuidor de combustível é montado acima de uma pá de controle através da qual
todo o ar admitido deve passar. O
sistema funciona variando-se o volume de
combustível fornecido aos injetores baseado no ângulo da pá, que por sua vez é
determinado pela vazão volumétrica de ar que passa pela pá. Os injetores neste
sistema são simples check valves carregadas por mola com bocais; assim que a
pressão na linha de combustível se torna grande o suficiente para suplantar a força
contrária da mola o injetor começa a pulverizar o combustível. O sistema KE-Jetronic
foi utilizado por vários anos entre 1974 e meados dos anos 1990 pela Lamborghini,
Ferrari, Mercedes-Benz, Volkswagen, Ford, Porsche, Audi, Saab e Volvo. Existiu
uma variante deste sistema denominada KE-Jetronic com corte eletrônico, capaz de
utilizar um conversor catalítico.
3.3.2 Injeção na câmara central (CPI-Central port injection)
A empresa General Motores desenvolveu uma técnica intermediária
denominada “Central Port Injection” (CPI) ou “Central Port Fuel Injection” (CPFI). Ela
utiliza tubos a partir de um injetor central para pulverizar combustível em cada
coletor de admissão ao invés de no corpo do acelerador. Contudo, o combustível é
injetado continuamente para todos os coletores simultaneamente, o que está longe
de ser o ideal.
3.3.3 Injeção multiponto de combustível
A injeção multiponto de combustível injeta o combustível nas câmaras de
admissão ligeiramente a montante da(s) válvula(s) de admissão, ao invés de no
interior de um manifold de admissão. Os sistemas MPFI podem ser seqüenciais, nos
quais a injeção é programada para coincidir com o tempo de admissão de cada
cilindro, em bloco, nos quais o combustível é injetado nos cilindros em grupos, sem
que haja sincronização precisa com o tempo de admissão de qualquer cilindro em
particular, ou simultâneos, nos quais o combustível é injetado ao mesmo tempo para
todos os cilindros.
3.3.4 Injeção direta de combustível
17
A injeção direta de combustível já está há muito tempo presente em muitos
motores de ciclo Diesel. O injetor é instalado diretamente no interior da câmara de
combustão e o pistão incorpora uma depressão (freqüentemente de formato toroidal)
onde se inicia a combustão. Motores de ciclo Diesel de injeção direta de combustível
são geralmente mais eficientes e menos poluidores que motores Diesel que
empregam a injeção indireta.
Figura 4 – Esquema do sistema de injeção direta de gasolina DI-Motronic
desenvolvido pela Bosch. (1) Bomba de combustível de alta pressão; (2) Distribuidor
de combustível; (3) Injetores (BOSCH, 2007).
Alguns motores à gasolina recentes utilizam a injeção direta de combustível
também. É o caso dos motores desenvolvidos pela Volkswagen e Audi (FSI),
Mitsubishi (GDI), Mazda (DISI), Ford (DISI), BMW, Saab, Saturn e GM. A figura 4
mostra um esquema ilustrativo da tecnologia DI-Motronic, desenvolvida pela Bosch
para trabalhar com estes motores. Este é o próximo passo na evolução dos sistemas
de injeção de combustível a partir da injeção indireta multiponto e oferece uma nova
magnitude de controle de emissões ao eliminar grande parte do problema de
molhamento das paredes e formação de filmes de líquido durante o processo de
injeção. Na figura 5 um esquema do motor de injeção direta utilizado nos carros da
empresa Audi.
18
Figura 5 – Motor de injeção direta de gasolina (FSI) desenvolvido pela VW / Audi
(fonte: Volkswagen).
3.4 ESTUDO DA ATOMIZAÇÃO PRODUZIDA POR INJETORES AUTOMOTIVOS
EM MOTORES DE IGNIÇÃO POR FAÍSCA
Uma pesquisa do estado da arte no estudo da atomização realizada sobre os
injetores automotivos em motores de ignição por faísca (SI, Spark Ignited) mostra
que a grande maioria dos artigos publicados a partir de 1999 aborda, de diferentes
maneiras, injetores mecânico-centrífugos de alta pressão utilizados em motores GDI.
Os estudos considerando sistemas PFI parecem estar diminuindo de forma drástica,
uma vez que há um número cada vez maior de fabricantes automotivos interessados
em desenvolver propulsores de fabricação seriada que utilizem injeção direta de
gasolina no interior dos cilindros, devido às questões ambientais levantadas na
introdução deste trabalho. Os sistemas PFI só estão sendo estudados em casos
específicos que envolvem motores de altíssima rotação destinados às competições
automotivas. Nestes casos, as altas velocidades fazem com que o tempo disponível
para a ocorrência da mistura ar/ combustível inviabilizem a utilização de sistemas
GDI. c
Nos propulsores em desenvolvimento, a qualidade da atomização do combustível
para o bom funcionamento dos motores em desenvolvimento, medida pelo tamanho
19
médio de gota do spray de combustível, é significativamente maior que a necessária
para o funcionamento dos motores PFI. ZHAO et al. (1999) cita que enquanto o
tamanho médio de gota normalmente encontrado em sistemas PFI é de cerca de
120µm SMD, o tamanho médio das gotas de combustíveis geradas por um injetor
GDI geralmente é de 16µm SMD ou menor. Isto se deve ao menor tempo disponível
para que haja a vaporização do combustível e a mistura deste com o ar antes da
ocorrência da faísca. Nos motores PFI, o coletor de admissão atua como uma
câmara de pré-vaporização, onde parte do combustível, já vaporizado, se mistura
com o ar antes de chegar na parte de trás da(s) válvula(s) de admissão. Assim,
apenas parte do combustível deve vaporizar e se misturar com o ar na câmara de
combustão, facilitando a formação de uma mistura aproximadamente homogênea no
momento da faísca. Nos motores GDI, todo o combustível deve ser vaporizado e
misturado com o ar no interior do cilindro antes da ocorrência da faísca. A fim de se
obter altas taxas de vaporização do combustível, para compensar o menor tempo
disponível, é necessário que as gotículas geradas no spray sejam pequenas o
bastante para vaporizar rapidamente. Isto significa o emprego de maiores pressões
de injeção, que podem chegar em alguns casos, como no injetor GDI-D4 da Toyota,
a até 13 MPa.
A figura 6 mostra a diferença entre as estratégias PFI e GDI de injeção do
combustível.
Figura 6– Comparação entre os sistemas de injeção indireta no coletor de
admissão (PFI) e injeção direta no interior do cilindro (GDI) de preparação da mistura
carburada (ZHAO et al., 1999).
20
3.5 ESTUDO DO DESENVOLVIMENTO DO SPRAY A PARTIR DO INJETOR
De acordo com a literatura, o estudo do desenvolvimento do spray a partir de
um injetor é dividido em estágios discretos. O primeiro estágio consiste no processo
de atomização inicial que ocorre nas proximidades da saída do injetor. Este
processo
é
descrito
na
literatura
como
atomização
primária
e
depende
principalmente dos fatores de projeto do injetor, tais como geometria do bocal de
descarga, características de abertura e pressão do combustível. Este processo foi
tratado por vários autores, tais como NONNENMACHER e PIESCH (2000), que
apresentaram modelos para obter o tamanho médio de gota de sprays gerados por
injetores mecânicos-centrífugos de acordo com a geometria interna do injetor,
DATTA e SOM (2000) e HALDER et al. (2002), cujos trabalhos estudaram a
formação do núcleo de ar na câmara de centrifugação e no orifício de injetores
mecânicos-centrífugos, que influencia fortemente no coeficiente de descarga do
injetor.
O segundo estágio do desenvolvimento do spray é a atomização que ocorre
durante o processo de penetração. Este processo é descrito como atomização
secundária e é dominado pela interação das gotículas de combustível geradas pelo
processo de atomização primária com o campo de escoamento do ar em redor das
gotículas. Vários autores estudaram este processo, tais como LEE et al. (2001) e
ROTONDI e BELLA (2006)
O desenvolvimento do spray durante o regime transiente pode ser classificado
em três regimes de acordo com tempo. Durante o primeiro estágio de formação do
spray, as gotículas formam um cone oco. No segundo estágio, a estrutura do spray
muda ao mesmo tempo em que as gotículas injetadas posteriormente movem-se em
direção às gotas injetadas previamente, desaceleradas devido ao arrasto. Um vórtice
toroidal é formado ao redor da parte inferior do cone e aparece como dois vórtices
contra-rotacionais na seção em corte vertical do spray. No terceiro e ultimo estágio,
a estrutura do spray atinge uma condição permanente e todo o spray cresce e se
distancia da ponta do injetor. A interação entre as gotículas e o escoamento de ar
varia com a estrutura do spray e é mais pronunciada para gotículas menores. Para
sprays com diferentes distribuições de tamanho de gota, mas os mesmos fluxos de
combustível, as estruturas dos sprays são completamente diferentes.
21
A existência dos vórtices na superfície externa do spray, causados pela
interação entre a velocidade de injeção do spray e o ar ao redor, foi confirmada por
LEE et al.(2001), a partir da visualização de sprays e experimentos com PDPA.
Segundo os autores, estes vórtices promovem a atomização secundária das
gotículas de combustível e contribuem para uma distribuição uniforme de gotículas
de combustível ao trazer gotículas de combustível da periferia para o centro do cone
do spray.
O ângulo de cone do spray é um parâmetro importante, determinado
nominalmente pelo projeto do injetor; contudo, durante a operação do injetor o
ângulo de cone do spray varia com a densidade do ar no interior do cilindro e, em
menor grau, com a pressão de injeção do combustível. Em um injetor mecânicocentrífugo, o ângulo de cone do spray geralmente diminui com o aumento da
densidade do ar no interior do cilindro até que um valor mínimo seja atingido. A
densidade do ar no interior do cilindro também exerce uma grande influência no
nível mínimo de atomização produzido por injetores mecânicos-centrífugos.
Medições foram reportadas por BEHNIA e MILTON (2001) verificando que a pressão
no interior do cilindro exerce um efeito maior no ângulo de cone do spray do que a
pressão de injeção do combustível (ZHAO et al., 1999).
3.6 ESTUDOS DA INFLUÊNCIA DA COMPOSIÇÃO DO COMBUSTÍVEL NAS
CARACTERÍSTICAS MACROSCÓPICAS DO SPRAY
As propriedades macroscópicas dos sprays (penetração e ângulo de cone)
gerados por diferentes misturas gasolina/ etanol, desde gasolina pura até etanol
puro (E100) foram estudadas por JIANG et al. (2006). Seus estudos apontaram que
quando se adotam misturas combustíveis com diferentes frações gasolina/ etanol em
sprays gerados por injetores do tipo centrífugo, são observados padrões
semelhantes de desenvolvimento para os casos onde se utiliza gasolina pura e
misturas de gasolina/ etanol. Nos casos em que a pressão do ambiente é baixa, a
penetração da ponta do spray cai e o ângulo de cone do spray aumenta com o
aumento da fração de etanol no combustível, especialmente após 3,5 ms após o
início da injeção, o que indica uma melhor vaporização (figuras 7 e 8).
22
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