Sistema de alimentação por injeção eletrônica GDI


gdi1Durante a evolução do sistema de alimentação dos motores automotivos percebe-se que o ponto de injeção do combustível estava sendo aproximado da câmara de combustão. De fato, no carburador e no sistema de injeção monoponto a injeção é feita no início do coletor de admissão, assim grande parte do combustível se perde nas paredes do coletor por condensação. Com a utilização da consolidada tecnologia PFI(port fuel injeção – injeção no coletor de admissão), o ponto de injeção de combustível, ou seja, a posição da válvula injetora se aproximou da câmara de combustão, ficando no final do coletor de admissão e logo atrás da válvula de admissão. Desta forma a perda de combustível foi reduzida, mas não totalmente. A utilização do sistema de injeção direta não só resolve esse problema, como possibilita maior desempenho do motor e menor consumo de combustível.

Crédito foto: http://www.car-engineer.com/

Crédito foto: http://www.car-engineer.com – Observe que ao longo dos anos o combustível cada vez mais se aproximava da câmara de combustão.

O sistema de alimentação por injeção GDI(gasoline direct injection) possui características particulares em relação aos sistemas anteriores:

Possui duas linhas de combustível:

  • baixa pressão;
  • alta pressão.

Possui duas variações quanto a sua operação:

  • contínuo;
  • demanda.

Possui dois modos de injeção de combustível:

  • homogêneo;
  • estratificado.

Os componentes do sistema de alimentação por injeção GDI são:

Crédito foto: http://www.autosavant.com/

Crédito foto: http://www.autosavant.com – Na foto: ECU, sensor de pressão do tubo distribuidor, válvula injetora de alta pressão, tubo distribuidor com válvulas injetoras instaladas e bomba de alta pressão de cilindro único. Sistema GDI por demanda.

  • Bomba elétrica de combustível;

  • Tubulação de alimentação;

  • Bomba de alta pressão;

  • Tubo distribuidor(Rail);

  • Sensor de alta pressão;

  • Válvula de controle de pressão;

  • Válvula limitadora de pressão;

  • Válvula injetora de alta pressão.

Mesmo sendo mais eficiente e complexo, o sistema de alimentação por injeção GDI ainda utiliza componentes em comum com o sistema de alimentação por injeção PFI, são eles:

  • Bomba elétrica de combustível;

  • Filtro de combustível;

  • Tubulação de alimentação(baixa pressão).

Componentes:

  1. Bomba elétrica de combustível: A bomba elétrica de combustível, neste sistema, funciona para pré-pressurizar o combustível do tanque, com uma pressão 3 a 4BAR, até a bomba mecânica. Esta precisa de uma pressão suficientemente alta para evitar problemas bolhas de vapor durante o funcionamento a quente e em partidas a quente. Problema este que caracterizou o sistema de injeção PFI com retorno na flauta. Entretanto, o funcionamento desta bomba de combustível é o mesmo para as bombas de combustível do sistema de injeção PFI, e você pode ler mais aqui.
  2. Bomba de alta pressão: Para que o combustível seja injetado na câmara de combustão, a pressão do sistema deve ser consideravelmente maior. Então é utilizada uma bomba de alta pressão, mais precisamente uma bomba mecânica no qual seu acionamento é feito pelo eixo do comando de válvulas. Além disso, assim como a elétrica, é lubrificada e refrigerada pelo combustível que por ela é comprimido.
    1. Bomba de três cilindros: Trata-se de uma bomba com pistões radiais dispostos em ângulo de 120°. Seu acionamento é realizado por um eixo, neste eixo está um came que aciona os três pistões ao girar. O eixo da bomba é acionado pelo eixo do comando de válvulas, portanto a bomba de alta pressão gira conforme a rotação do motor. O combustível flui pela linha de entrada bomba de alta pressão pré-pressurizado pela bomba elétrica do tanque. Quando um dos pistões radiais inicia seu movimento descendente, o combustível pré-pressurizado entra no pistão oco pela válvula de entrada. Ao fazer seu movimento ascendente o pistão comprime o combustível contido em seu canal. O combustível, ao atingir uma pressão que supere a pressão nominal da válvula de saída, flui em direção a conexão de alta pressão da bomba e assim direto para o tubo distribuidor de combustível. A quantidade excedente de combustível é aliviada para a linha de retorno, sendo esta direto para a linha de entrada da bomba de alta pressão. A bomba de três cilindros não possui regulador de vazão visto que é utilizada para o tipo de operação contínuo;
    2. Bomba de cilindro único:
      Crédito foto: http://www.nav200.delphi.com/

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      Embora também seja acionada por um eixo de comando, e este também acionado pelo comando de válvulas possui um tucho intermediando o acionamento do eixo de comando à bomba. Na bomba encontram-se duas e por vezes três canais de passagem de combustível, sendo eles a entrada com pré pressão, a saída do combustível comprimido para o tubo distribuidor e o retorno do combustível excedente. Além disso, nesta bomba existe uma válvula solenóide controlada pela ECU, sua função é controlar a vazão de combustível que entra na bomba, desviando para o canal ou liberando para compressão pelo pistão da bomba.
      O combustível entra na bomba com uma pré pressão de 3 a 4 BAR e atinge a válvula solenóide, esta quando não acionada permanece aberta, fazendo com que o combustível proveniente da bomba elétrica retorne para a tubulação de entrada sem pressão. Durante o funcionamento do motor, o came da bomba gira conforme a velocidade do motor, quando o ressalto do came deixa de acionar o tucho do pistão, este retorna ao ponto morto inferior e a válvula solenóide é acionada, sendo então fechada. Isto faz com que o combustível entre para o cilindro aonde o pistão corre, o combustível é comprimido, a alta pressão de combustível supera a pressão nominal da válvula de saída, que abre e deixa o combustível em alta pressão passar para o tubo distribuidor.

  3. Tubo distribuidor(Rail):
    Crédito foto: http://library.delphi.com/

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    Possui a mesma função do tubo distribuidor utilizado nos sistemas de injeção PFI, porém, para sistemas de injeção GDI o tubo distribuidor deve suportar pressões muitos superiores aos do sistema PFI, na ordem 40 a 200BAR, o que justifica sua construção mais robusta. Além disso o tubo distribuidor, também chamado de Rail, contém um sensor de alta pressão e uma válvula de controle de pressão(alimentação contínua) ou válvula limitadora de pressão(alimentação por demanda).

  4. Sensor de alta pressão:
    Crédito foto: www.bosch.com

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    Sensor de pressão utilizado para a ECU monitorar a pressão dentro do tubo distribuidor. A informação do sensor de alta pressão é utilizada em algumas estratégias adotadas pela ECU durante a partida e o funcionamento do motor. O sensor de alta pressão possui três pinos, positivo, sinal de referência(+) e aterramento(-), e deve suportar a alta pressão do sistema, além dos picos de pressão pelo que sua construção deve ser mais robusta.

  5. Válvula de controle de pressão e Válvula limitadora de pressão: Empregadas nos sistemas Contínuo e Por Demanda respectivamente, estas válvulas possuem a função de aliviar a pressão mecânica dentro do tubo distribuidor e retornar o combustível excedente para a tubulação de entrada da bomba de alta pressão. Ambas são controladas pela ECU através de controle de malha fechada e permitem apenas que a quantidade certa de combustível retorne a linha de entrada de combustível.
  6. Válvula injetora de alta pressão:
    Crédito foto: http://www.bosch.com/

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    Embora seu princípio de funcionamento seja o mesmo das válvulas injetoras do sistema PFI, as válvulas injetoras de alta pressão devem pulverizar o combustível direto na câmara de combustão, seja em modo de operação homogêneo ou estratificado. Outro diferencial em relação ao sistema PFI é a utilização de um sistema Peak and Hold para acionamento da válvula injetora, que utiliza de 42 a 90v para acionamento da válvula injetora de alta pressão. Além disso são extremamente rápidas, injetam combustível pulverizado em não mais do que 5μs(milisegundos).

Uma válvula injetora de alta pressão é composta por:gdi9

  • Carcaça;
  • Agulha com induzido magnético;
  • Bobina;
  • Mola;
  • Arruela guia;
  • Placa de turbilhonamento;
  • Arruela de assento;
  • Anel(O’ring).

No momento em que uma corrente elétrica passa pela bobina, esta cria um campo magnético que atraí a agula com induzido magnético. Esta possui uma mola que a empurra junto a sua sede fechando a passagem de combustível para a câmara de combustão. Quando a agulha é atraída pelo campo magnético da bobina, a agulha vence a força da mola e levanta de sua sede. Devido a maior pressão da válvula injetora de alta pressão sobre a câmara de combustão, o combustível é injetado pulverizado na câmara. Durante o fluxo do combustível para a câmara, o combustível passa por um dispositivo que altera a direção do jato de combustível, dando a ele uma direção rotacional dentro da câmara de combustão, semelhante a um turbilhão, esse dispositivo é uma placa de turbilhonamento. O turbilhonamento do combustível é vantajoso para o motor devido a melhor atomização do combustível com o ar, visto que este processo ocorre em um período de tempo severamente pequeno. Após o cessamento da corrente pela turbina, a força da mola volta a empurrar a agulha com induzido contra sua sede fechando a passagem de combustível.

Entretanto, devido as novas condições na qual o combustível deverá ser injetado, na câmara de combustão e no tempo de compressão, a construção da válvula injetora bem como seu método de acionamento deverão ser ambos, mais robusto e complexo. Visto que a válvula irá trabalhar com pressões que variam de 40 a 200 BAR, a corrente e a tensão elétrica para acionar a válvula também serão maiores. A curva de corrente elétrica para acionamento da válvula é mais complexa quando comparada as sistemas PFI.

O acionamento da válvula injetora de alta pressão é feito pelo método Peak and Hold, e funciona da seguinte forma. Para que a válvula injetora abra rapidamente, um pico de tensão(geralmente 80-90v) é aplicado sobre a válvula, após a abertura máxima da válvula injetora, a tensão é reduzida a um valor suficiente para mante-la aberta, este valor é mantido constante por um breve intervalo de tempo. Nesse momento o fluxo de combustível passa a ser proporcional ao tempo de injeção. A regulagem desta tensão de controle da válvula injetora de alta pressão é feita por um capacitor dentro da ECU, isso possibilita que a ECU tenha total controle sobre o trabalho da válvula injetora de alta pressão.

Funcionamento do sistema de alimentação por GDI:

Crédito foto: www.hotrod.com

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De forma análoga ao sistema PFI, seu funcionamento começa a partir da pressurização do combustível contido no tanque pela bomba elétrica de combustível. O combustível é bombeado a uma pressão 3 a 4 BAR, embora valores de 6BAR também sejam obtidos em alguns sistemas, passa pelo regulador de pressão contido na própria bomba elétrica e pelo filtro do combustível disponível na linha para então chegar a bomba de alta pressão.
Nesse ponto o sistema de alimentação por injeção direta se divide em dois tipos, contínuo e por demanda. Ambos são iguais em seu princípio de funcionamento, mas diferem no tipo de bomba utilizado.

O sistema contínuo utiliza uma bomba mecânica de alta pressão de três cilindros, geralmente seu eixo de comando possui um came com 1, 2 ou até 3 ressaltos. O eixo de comando é acionado pelo comando de válvulas, que faz girar a bomba de acordo com a velocidade do motor. Quando o combustível pressurizado pela bomba elétrica chega a bomba de alta pressão, é comprimido pelo pistão da bomba de alta pressão e enviado pela válvula de saída para o tubo distribuidor. Sem ajuste de vazão, o sistema precisa controlar a pressão excessiva dentro do tubo distribuidor. Para isso é utilizada uma válvula reguladora de pressão controlada eletrônicamente, esta é aberta quando a ECU detecta pressão além do estipulado dentro do tubo distribuidor, e assim o combustível excedente retorna para a tubulação de entrada da bomba de alta pressão.

Em um sistema regulado por demanda a bomba de alta pressão possui vazão ajustável, ou seja, o controle do combustível excedente não é feito apenas pela válvula reguladora de pressão. Existe na própria bomba de alta pressão uma válvula solenóide, controlada pela ECU, que faz circular de volta à entrada o combustível excedente que entra na bomba de combustível, isso faz com que a bomba de alta pressão envie apenas o combustível necessário para as válvulas injetoras, ou pelo menos, sem grande excessos. Então, ao ser acionado pelo comando de válvulas, o eixo de comando da bomba de alta pressão aciona o pistão da mesma através de um tucho, o combustível que chega de linha de baixa pressão é comprimido e enviado para o tubo distribuidor. Mesmo sendo um sistema com controle de vazão, ainda é utilizado uma válvula reguladora de pressão no tubo distribuidor, também para redução da pressão mecânica dentro do mesmo.
Após comprimido pela bomba de alta pressão, o combustível segue para o tubo distribuídor, no tubo distribuidor estão montadas as válvulas injetoras de alta pressão. Quando acionadas pela ECU, as válvulas pulverizam o combustível direto na câmara de combustão para posterior queima do mesmo. O tipo de injeção das válvulas varia de acordo com a carga do motor, geralmente em baixa carga predomina a utilização da injeção homogênea, e enquanto que em média e alta carga o injetor trabalha utilizando a injeção estratificada.

Diferenças entre sistema de alimentação por injeção GDI e PFI:

Crédito foto: www.ft86club.com

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Com a evolução dos motores e seus sistemas de gerenciamento eletrônico, o ponto de onde o combustível é injetado finalmente chega a câmara de combustão. E essa é sua principal diferença em relação ao sistema PFI, mas além disso o sistema GDI trabalha com duas linhas de pressão, sendo uma de baixa e outra de alta pressão, e por isso tem uma pressão de trabalho severamente diferente. No sistema PFI a pressão de sistema é em torno 3 – 4 BAR, podendo chegar a 6 BAR em alguns sistemas, este sistema também sofre com problemas de condensação do combustível sobre a válvula de admissão, essa condensação gera alterações no sinal da sonda lambda e prejudica as emissões. Nesse ponto o sistema GDI mostra sua vantagem, a injeção direta na câmara de combustão elimina os problemas condensação e alterações no lambda, mas dá ao sistema GDI uma curtíssima janela de 180° de rotação do virabrequim para injeção do combustível, enquanto que no sistema PFI o combustível pode ser injetado a qualquer momento durantes 720° de rotação do virabrequim e ficar em espera no coletor de admissão enquanto o determinado cilindro não chega ao tempo de compressão. Para o sistema GDI, esse curto espaço de tempo para injeção exige uma construção muito mais complexa dos componentes do sistema e da programação da ECU. Para isso o sistema GDI é capaz de injetar combustível em apenas 5µs, mais rápido do qualquer sistema PFI. A tensão de acionamento também é maior em sistemas GDI, por ser um sistema que opera muito rápido, seu acionamento precisa ser feito por um controle Peak and Hold que leva cerca de 0,4µs para enviar um pico de tensão, estabilizar e reduzir essa tensão para abrir, manter e em seguida fechar a válvula injetora.
Todo essa complexidade se reflete na redução de emissões, no aumento da durabilidade e desempenho dos motores equipados com sistema GDI. No entanto o custo do sistema GDI é elevado para justificar seu uso em veículos populares, e embora atualmente este sistema esteja em uso, o sistema GDI foi desenvolvido para uso com gasolina, o que dificulta sua utilização em países no qual o combustível é aditivado com etanol ou é o próprio.
Contudo, a crescente aplicação da técnica downsizing, que visa reduzir o tamanho dos motores e aumentar seu desempenho através da utilização de turbocompressores, requer um sistema no qual o gerenciamento da ECU seja ainda mais efetivo, e como nos sistemas GDI a ECU tem maior controle sobre a injeção de combustível fica mais fácil controlar o enchimento dos turbocompressores por meio da pós injeção no tempo de escapamento.

Nota: Informações sobre injeção homogênea e estratificada serão detalhadas em breve em uma matéria dedicada apenas a esse tema, pois a formação da mistura ar/combustível nos motores GDI é muito mais complexa e cheia de detalhes. Nesta matéria você aprendeu os pormenores da linha de alimentação.


Auto entusiasta, piloto virtual, técnico em Manutenção e Mecânica Automotiva, estudante de Engenharia Mecânica. Automobilista nato!

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