Imagine um motor a diesel que, em vez de simplesmente queimar combustível, o prepara com a precisão de um laboratório, misturando ar e combustível antes mesmo da ignição. Não se trata de ficção científica, mas de uma inovação real que está sendo testada em bancadas no Brasil. Se trata da injeção de combustível por dutos, intitulada Ducted Fuel Injection (DFI), uma tecnologia que promete atacar a fuligem na sua origem, reduzindo drasticamente as emissões sem exigir uma revolução na arquitetura dos motores.
A ideia, concebida originalmente no laboratório nacional Sandia, nos Estados Unidos, ganhou novos contornos em uma pesquisa conduzida no Brasil, com participação do Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA), do Insper e da fabricante de motores Cummins. O estudo, publicado no International Journal of Engine Research, conseguiu adaptar o conceito a um motor real de aplicação leve, algo ainda pouco explorado no mundo. E os resultados são promissores, considerando que em condições ideais, a tecnologia alcançou uma redução de até 70% na emissão de fuligem em comparação com a injeção convencional.
“Atualmente, para atender às rigorosas legislações de emissões, as tecnologias de combustão e os sistemas de pós-tratamento de gases comprometem a eficiência dos motores e o correspondente consumo de combustível mais baixo que poderia ser conseguido”, afirma Celso Argachoy, professor do curso de Engenharia Mecânica do Insper e um dos autores do estudo. “O artigo procura mostrar que a tecnologia DFI reduz a emissão de fuligem e melhora a eficiência dos motores de ignição por compressão”, complementa.
Para entender o DFI, Argachoy recorre a uma analogia clássica da química: o bico de Bunsen. “Ao longo dos dutos ocorre uma pré-mistura do combustível com o ar arrastado no espaço entre o orifício de injeção e a entrada do duto. Essa pré-mistura torna a combustão subsequente mais eficiente e reduz a emissão de fuligem”, explica.
Na prática, a tecnologia introduz pequenos dutos metálicos logo à frente de cada orifício do injetor de combustível. Em vez de o diesel ser pulverizado diretamente na câmara de combustão, o jato atravessa esses canais, onde o ar é aspirado e se mistura ao combustível antes da queima. Essa mistura mais homogênea e completa é o que permite uma combustão mais limpa, reduzindo a formação de fuligem, que é um dos principais poluentes dos motores diesel, que se forma justamente em regiões com pouco oxigênio e altas temperaturas.
Engenharia de precisão
O grande mérito da pesquisa brasileira, no entanto, foi levar essa ideia do laboratório para uma condição muito mais próxima da realidade de um motor de produção. “Na nossa pesquisa, criamos um dispositivo para avaliar esta tecnologia em um motor monocilíndrico de pesquisa, com dutos ao redor dos oito orifícios de injeção de combustível, cada um com 0,122 mm de diâmetro. Estas condições são praticamente as mesmas de um projeto real de motor de combustão interna de aplicação veicular light-duty”, detalha Argachoy.
O desafio não era trivial. Em motores reais, o espaço é escasso. Válvulas de admissão e escapamento, pistão e cabeçote impõem restrições geométricas severas que não existem em câmaras de volume constante, os ambientes mais controlados onde o DFI costuma ser testado. A solução encontrada pela equipe foi desenvolver uma luva que se acopla diretamente ao injetor, sem a necessidade de modificar o cabeçote do motor ou o pistão. “A ideia é que você promove uma alteração (na extremidade do injetor) e, quanto maior o motor, mais espaço se tem para fazer aquela adaptação”, explica Argachoy na entrevista.
Foram testadas três configurações, variando a distância entre a saída do injetor e a entrada do duto (stand-off): 2,5 mm, 3,0 mm e 3,5 mm. Nesse tipo de adaptação, há um compromisso inevitável, o de aumentar essa distância para melhorar a mistura ar-combustível significa, necessariamente, encurtar o duto, o que pode limitar o tempo de pré-mistura.
Os testes em um motor monocilíndrico de 511 cm³, operando com injeção piloto e principal a 1.200 rpm e pressões de injeção variando de 800 a 1.300 bar, revelaram um comportamento complexo.
A configuração com stand-off de 3,5 mm foi a grande vencedora. Além da redução de fuligem de até 70%, o sistema também proporcionou uma ligeira queda nas emissões de óxidos de nitrogênio (NOx). Esse resultado é particularmente relevante porque, em motores convencionais, existe um conhecido compromisso (trade-off) entre a redução de fuligem e de NOx. O DFI, ao que parece, consegue quebrar essa barreira.
No entanto, a tecnologia não é isenta de desafios. “Os principais desafios foram as dimensões relativamente pequenas da câmara de combustão do motor monocilíndrico de pesquisa disponível no Brasil para os testes”, admite Argachoy. Para garantir a distância de 3,5 mm, foi necessário encurtar o duto para evitar interferência com as válvulas. “Isso impediu que fossem apurados resultados potencialmente ainda melhores de ganho de eficiência e redução de fuligem com a adoção da tecnologia DFI”, observa.
Em algumas configurações, especialmente com stand-off de 2,5 mm, o sistema apresentou atraso no início da ignição e um aumento nas emissões de hidrocarbonetos não queimados. Argachoy explica que, nesse caso, a área de entrada de ar na luva pode ter se tornado o fator limitante, restringindo a quantidade de oxigênio disponível para a pré-mistura. “Abrir o leque de possibilidades para que você prolongue ainda por muitos e muitos anos a vida dos motores de combustão interna”, pondera o professor, reforçando que o objetivo não é substituir o motor, mas sim aperfeiçoá-lo.
Motores maiores e combustíveis renováveis
O próximo passo da pesquisa é ambicioso. Para explorar todo o potencial do DFI, a equipe precisa testar a tecnologia em motores maiores, com câmaras de combustão mais espaçosas. “Seria muito interessante desenvolver dispositivos e realizar testes para avaliar a aplicação desta tecnologia em motores diesel de veículos comerciais, como ônibus e caminhões”, afirma Argachoy.
O potencial, porém, vai além do diesel fóssil. Acredita-se que o DFI possa ser a chave para viabilizar o uso de combustíveis renováveis de baixo poder calorífico, como o etanol e o metanol, em motores de ignição por compressão — um mercado que, até hoje, é dominado pelo diesel. “Alguns estudos indicam ainda que esta tecnologia poderia ser muito importante para viabilizar plenamente o uso do etanol em motores de ignição por compressão”, revela Argachoy.
Em um mundo que busca descarbonizar o transporte, mas que ainda depende da densidade energética e da autonomia dos combustíveis líquidos, a injeção por dutos surge não como uma solução mágica, mas como uma peça fundamental de um quebra-cabeça complexo. Uma pequena modificação no caminho do combustível que pode ter um impacto gigantesco no ar que respiramos.