Injeção de água em motores a combustão por centelha

Jul 1 / Eng. Cristian Silva

Nos últimos anos, muitos fabricantes de motores de combustão interna se voltaram para o “downsizing” dos motores a gasolina sobrealimentados com pós resfriador de ar (intercooler), a fim de atender à economia de combustível e regulamentos de emissões cada vez mais rigorosos. 

Com um aumento no número de motores a gasolina turbo alimentados, são necessárias soluções para gerenciar a “detonação” sob uma variedade de condições operacionais e uma das formas mais aplicadas é operar com retardo de ignição.

Em 2016 a Bosch divulga através de um vídeo a injeção de água para motores de combustão interna e ao contrario que muitas pessoas imaginam a água não funciona como combustível e sim como um controle de temperatura da combustão. “A injeção de água pode dar um impulso extra em qualquer motor turbo alimentado”, diz Stefan Seiberth, presidente de uma das divisões da Bosch.
Os ângulos de ignição possíveis com a injeção de água permitem que o motor seja operado de forma ainda mais eficiente, mas como isso é possível?

Um motor não deve ser superaquecido, e para impedir que isso aconteça, combustível adicional é injetado em quase todos os motores a gasolina atualmente, esse combustível evapora, resfriando componentes críticos. Com a injeção de água, os engenheiros da Bosch exploraram esse princípio físico, antes de o combustível se inflamar, uma névoa fina de água é injetada no duto de admissão, com o alto calor de vaporização da água significa que ela fornece um resfriamento eficaz sem a necessidade de adicionar mais combustível.”

A injeção de água não é uma ideia nova, durante a 2ª Guerra Mundial, a injeção de água foi amplamente usada em aeronaves. Na década de 1980, Ferrari e Renault adotou injeção de água em seus motores F1 turbo e até alguns anos atrás (quando foi banido), a maioria dos carros do campeonato mundial de rali usava sistemas de injeção de água.

Um exemplo de aplicação da injeção de água é BMW M4 GTS, segundo o fabricante é possível aumentar a potência do motor em aproximadamente 8%, mas como? Ao mesmo tempo que um motor tem perdas de energia devido ao aumento da temperatura ambiente, podemos compensar com aumento da quantidade de água injetada resfriando o ar admitido pelo motor.
Outra questão relevante é que a saída (exaustão dos gases) de um motor de combustão interna é fisicamente limitada, pela temperatura de operação na câmara de combustão. Se uma determinada temperatura de operação for excedida, isso resultará em combustão descontrolada (detonação ou pré-ignição), levando a perdas de potência e, no pior dos casos, a graves danos ao motor. Isso é particularmente relevante no caso de motores turbo alimentados, onde o ar admitido é aquecido no compressor do turbo alimentador a até 160°C. Embora exista o resfriamento intermediário (intercooler) para resfriar o ar comprimido, a capacidade dos sistemas de resfriamento intermediário é fisicamente limitada.

Dependendo do projeto e do tamanho do sistema e da aerodinâmica do veículo, é possível resfriar o ar de admissão a uma temperatura entorno de 70°C antes de entrar na câmara plenum da admissão. Aumentar a potência do motor aumentando a pressão de turbo passa a não ser uma opção, pois significaria exceder o limite de temperatura da câmara de combustão.

É aqui que entra a solução da divisão BMW M, se a água for injetada em um spray fino na câmara de admissão do plenum, é possível reduzir a temperatura do ar de admissão em cerca de 25°C. Este resfriamento adicional do ar torna possível avançar a ignição para mais perto do valor ideal. Isso resulta em um processo de combustão mais eficiente, enquanto ao mesmo tempo reduz a temperatura final de combustão.
O ar resfriado pelo spray de água (visto na imagem) o torna mais denso, o que aumenta a proporção de oxigênio na mistura que vai entrar em combustão, isso resulta em uma pressão de combustão média mais alta, levando ao desenvolvimento de potência e torque otimizados. Por fim, este eficiente sistema de resfriamento do ar reflete na temperatura da câmara de combustão e também reduz o estresse térmico em peças do motor, incluindo: pistões, válvulas de exaustão e conversor catalítico, mas também, devido às temperaturas mais baixas dos gases de exaustão, o turbo compressor.

Usar a injeção de água para aumentar o limiar de detonação também ajuda muito a resolver um conflito fundamental no projeto de motores de alto desempenho, causado pelo fato de que a potência e o consumo de combustível dependem intimamente da taxa de compressão. Isso é particularmente verdadeiro no caso de motores turbo alimentados, como no caso do motor seis cilindros em linha M TwinPower Turbo, onde uma alta taxa de compressão fornece alta eficiência e baixo consumo de combustível em regimes de baixa e média carga. Na faixa de aceleração total ou alta carga, os efeitos da alta taxa de compressão são minimizados com o controle da temperatura da câmara de combustão através da injeção de água.