Enquanto nos motores de injeção indireta a mistura é formada no coletor de admissão, nos motores dotados de injeção direta ela é formada dentro da câmara de combustão. A história da injeção direta de combustíveis em motores do ciclo Otto é tão antiga quanto o próprio motor de ignição por centelha. Dados históricos revelam que em 1884, um motor denominado “Spiele” funcionou com injeção direta. Com o desenvolvimento do carburador esse método de injeção foi abandonado, ressurgindo tempos depois com a principal finalidade de reduzir a ocorrência da detonação, BARBOSA (1997).
Os sistemas de injeção direta podem ser divididos em dois grupos: os de baixa pressão onde a injeção ocorre no tempo de admissão e os de alta pressão onde a injeção ocorre no tempo da compressão, momentos antes da ignição do combustível. O segundo grupo visa à formação de uma mistura estratificada, isto é, uma mistura cuja razão ar/combustível varia espacialmente dentro da câmara de combustão. Segundo OBERT (1971), podem existir no interior da câmara de combustão regiões com misturas levemente enriquecidas e outras contendo apenas ar. A Figura 2.8-a ilustra um motor operando com carga estratificada.
Nos motores de injeção indireta e de injeção direta à baixa pressão o intervalo entre o momento no qual o combustível é fornecido e o início da combustão é suficientemente longo de tal forma que ocorre uma mistura completa entre o combustível fornecido e o ar admitido no cilindro, formando desta forma uma mistura homogênea, uma mistura cujo fator Lambda
não varia espacialmente na câmara de combustão. A Figura 2.8-b mostra um motor operando com carga homogênea.
(a) (b)
Figura 2.8 - (a) MCI operando com carga estratificada e (b) com carga homogênea. BARBOSA (1997) ressalta que a injeção direta de combustíveis líquidos é capaz de promover a estratificação da carga, uma vez que não haverá tempo hábil para homogeneização da mistura antes do início da combustão. Ele destaca que os injetores de combustível devem ser capazes de resistir às altas temperaturas e pressões características da câmara de combustão. Segundo este autor, a injeção direta de combustíveis em motores de ignição por centelha foi amplamente utilizada em aviões e tanques de guerra durante a II Guerra Mundial em virtude dos elevados valores de pressão média efetiva e velocidade do motor que este método proporcionava. A injeção direta nos motores de ignição por centelha não tem como função iniciar o processo de combustão nem controlar o seu período, como é no caso dos motores de ignição por compressão.
Nos motores de carga estratificada, a combustão tem seu início em uma região onde a mistura é levemente rica, ocorrendo em seguida a propagação da frente de chama na direção de regiões onde a mistura é mais pobre. Este fato promove um aumento da resistência à detonação, uma vez que a última porção de mistura a ser queimada tem maior resistência à autoignição. Outro fator que coopera nesse sentido é a redução do intervalo entre o momento da injeção de combustível e o início da combustão. A diminuição deste intervalo reduz o tempo disponível para a ocorrência das pré-reações de combustão e o tempo disponível para
transferência de calor para a mistura dentro do cilindro, reduzindo assim sua temperatura e as chances da mistura exceder a temperatura e o tempo de autoignição. A região que contém mistura rica, localizada próxima à vela de ignição, fica rodeada por uma região de mistura mais pobre, ou apenas ar, que impede que a mistura ar/combustível mais rica entre em contato com as paredes do cilindro, que se encontram com elevadas temperaturas. Este fato além de contribuir para a não ocorrência da detonação, pela redução da temperatura da mistura, também proporciona uma redução dos índices de emissões de poluentes.
Os modernos sistemas de injeção direta são capazes de operar tanto com carga homogênea quanto com carga estratificada. Nestes sistemas a quantidade e o tempo de injeção são variados conforme a condição de carga imposta ao motor. O sistema de gerenciamento eletrônico do motor opera basicamente entre 3 modos: mistura pobre, mistura estequiométrica e mistura rica.
Nas situações de carga parcial, onde a demanda de torque é menor, o sistema trabalha com misturas pobres e o combustível é injetado no final do tempo de compressão visando à formação de uma mistura estratificada. Alguns destes motores são dotados de coletores variáveis, que oferecem duas opções de trajetória para o ar em processo de admissão. Em situações de carga parcial, a central eletrônica comanda o fechamento de uma válvula no coletor de admissão que forçará a passagem do ar admitido por um caminho de menor seção transversal, este direcionará o escoamento para uma cavidade toroidal contida na cabeça do pistão (piston guided). Esta estratégia proporciona a formação de uma mistura levemente rica em uma região próxima à vela de ignição que fica envolvida por uma região com excesso de ar, isto é, por mistura pobre. Esta técnica de estratificação da mistura permite a combustão eficiente de misturas pobres. A Figura 2.9-b mostra o direcionamento do escoamento à cavidade toroidal presente na face superior do pistão, através da atuação da válvula direcional (2) contida no coletor de admissão.
Em situações de carga moderada, o combustível é injetado no tempo de admissão e em quantidade adequada para formação de uma mistura estequiométrica. Sob estas condições a válvula direcional do coletor de admissão permanece aberta a fim de reduzir ao máximo as perdas de bombeamento e contribuir para a formação de uma mistura homogênea no interior do cilindro. Para situações de plena carga, a mesma estratégia é adotada, porém faz-se o uso
de misturas ricas visando obtenção do torque máximo. A Figura 2.9-a mostra o motor operando com a válvula direcional (1) do coletor de admissão aberta.
(a) (b)
Figura 2.9 - (a) válvula direcional do coletor de admissão aberta visando à formação de mistura homogênea, (b) válvula direcional do coletor de admissão fechada visando à
formação de mistura estratificada.
O aumento do torque, da potência e da resistência à ocorrência da detonação juntamente com a redução do consumo de combustível e dos níveis de emissões de poluentes são algumas das vantagens decorrentes da utilização da injeção direta, BARBOSA (1997).
2.2.4.2 Estratificação da mistura ar/combustível através de um sistema de ignição por