AUTO ACADÊMICO

Fizemos a consolidação de resultados de pesquisas já realizadas sobre o efeito da combustão de etanol hidratado combustível (EHC) e suas misturas com gasolina, na formação de depósitos no interior dos motores ciclo Otto e nos seus respectivos sistemas de injeção de combustível

NOTA TÉCNICA POR FERNANDO LANDULFO*

Pelo critério do processo de formação de mistura, os motores ciclo Otto alimentados por injeção direta (GDI) podem ser classificados em três grandes categorias: guiado por ar, guiado por parede e guiado por spray. [1] 

Nos motores de injeção direta com sistema “guiado por ar”, o combustível é levado para as proximidades da vela de ignição por um fluxo de ar turbulento, gerado por válvulas de admissão com formato especial, ou por uma válvula de controle de fluxo localizada no coletor de admissão. [1] 

Já no sistema “guiado por parede” (também conhecido como de primeira geração), o combustível é direcionado para as proximidades da vela de ignição por uma cavidade existente na cabeça do pistão, especialmente projetada para esse fim. [1] 

Nesse ponto é relevante citar que em ambos os sistemas citados acima, há grande distância entre o injetor de combustível – via de regra, posicionado próximo à válvula de admissão – e a vela de ignição. [1] 

Por sua vez, no sistema “guiado por spray” (ou sistema de segunda geração), o injetor – via de regra posicionado centralmente à câmara de combustão – está próximo da vela de ignição (conceito do espaçamento curto). [1] 

Também é importante destacar que os motores GDI funcionam não só com relação ar-combustível estequiométrica (o mais usual), mas também com modos de mais sofisticados de alimentação, como o estratificado, no qual injeta-se todo ou apenas uma fração do combustível no cilindro durante o tempo da compressão. Nesse modo estratificado, a mistura ar/combustível perto da vela de ignição é estequiométrica ou ligeiramente rica, enquanto no resto da câmara de combustão é ligeiramente pobre. [1]

Contudo, apesar da sua maior eficiência, a durabilidade dos GDI pode ser um desafio devido a depósitos na câmara de combustão e nos injetores (especialmente quando a qualidade do combustível está envolvida), detonação e pré-ignição. [1]. 

No que diz respeito especificamente aos motores alimentados com sistema flexível (“flex”), eles são equipados com sedes de válvula de escapamento endurecidas, injetores de combustível de maior vazão e resistentes à corrosão, além de um sistema de combustível resistente aos ataques corrosivos do etanol. [2] 

A formação de depósitos no interior dos motores, assim como nos injetores de combustível, tem sido observada há muito tempo. [1] Problema esse que pode ser agravado, nos motores de injeção direta (GDI), devido às condições mais severas de operação (temperatura e pressão) dos injetores. [1]

As reclamações feitas pelo chão de oficina em relação à ocorrência de “problemas” em: válvulas de admissão, “bicos” injetores, filtros de combustível e bombas de injeção de alta pressão, quando se utiliza etanol e suas misturas como combustível nos motores “flex”, NÃO são nenhuma novidade. 

Reclamações essas que, no que diz respeito especificamente aos injetores de combustível, convergem, na sua grande maioria, para os seguintes sintomas:

1. Redução da vazão [1]
2. Deformação do leque [1]
3. Perda da estanqueidade
4. Formação de depósitos [1]

De acordo com os “Guerreiros das Oficinas”, esses sintomas são mais intensos e frequentes nos GDI, quando o etanol (EHC) é utilizado como combustível. 

Contudo, apesar das intensas discussões e da publicação de alguns estudos acadêmicos, NÃO temos, ainda, um diagnóstico preciso, assim como, uma solução inquestionável para cada um desses sintomas. 

E a razão é muito simples. Uma investigação científica profunda e conclusiva exige, além de muitos recursos materiais (laboratórios, equipamentos, materiais especializados, componentes danificados e novos e bastante dinheiro), tempo. Muito tempo. 

E como a utilização de injeções diretas nos motores “flex” é relativamente recente no Brasil, não é de se estranhar que os estudos ainda estejam em andamento. 

Mas logo, logo, teremos novidades.

No entanto, em outros países, já foram realizados alguns estudos. No entanto, dentro das suas respectivas realidades. 

Essa nota técnica tem por objetivo apresentar alguns dos resultados desses estudos que, efetivamente, mostram o que se sabe, sobre o assunto, até o momento.

Formação de depósitos

A formação de depósitos no interior dos motores ciclo Otto NÃO se dá apenas devido à queima da mistura. Mas, também, pela admissão de pequenas quantidades de óleo lubrificante, assim como, vapores provenientes do cárter  (VPC), gases gerados pela combustão e gases de escapamento oriundos da válvula de recirculação (EGR). Esses depósitos se assemelham a carvão (“coque”) e são tipicamente encontrados nas válvulas de admissão e nas pontas dos injetores de combustível. [2] 

Os modernos aditivos inibidores de depósito, indicados para gasolina e misturas com baixos teores de etanol (E10), não só evitam a formação de depósitos (criam uma película protetora na superfície do metal), como também são capazes de remover esses depósitos quando usado em dosagens mais altas (sic). [1, 2] 

Válvulas de admissão

A formação de depósitos no sistema de admissão de motores ciclo Otto tem sido amplamente investigada há bastante tempo. [2] 

Tais estudos revelaram que:

1. A queima de gasolina pura (gasolina pura (E0, não aditivada com etanol, 95 octanas RON) sem aditivos inibidores, provocou, no teste de funcionamento, o aparecimento de depósitos nas válvulas de admissão. [2, 4] 

2. A queima de misturas gasolina/etanol, contendo baixos níveis de etanol (E10, E25),  pode um provocar aumento da formação de depósitos nas válvulas de admissão em comparação à queima de gasolina pura (E0, não aditivada com etanol, 95 octanas RON). [2] 

3. Na queima de misturas com maior concentração de etanol (E85), no teste simulando condução urbana, houve formação de depósitos em quantidades menores do que na gasolina E0. No entanto, esses depósitos podem ser controlados utilizando-se aditivos inibidores* à base de polisobutenoamina e polieteramina. [2, 4] 

4. A utilização de quantidades insuficientes de aditivos inibidores*, em gasolina pura (E0) e/ou misturas gasolina/etanol (E5, E10, E85), pode gerar o denominado “efeito hump”:  além de não se criar um película protetora na superfície do metal, o aditivo se acumula nos depósitos, aumentando a sua quantidade. [2]

5. Aditivos inibidores de corrosão podem aumentar a quantidade de depósitos na queima de misturas gasolina/etanol E85. [4]

Injetores de combustível

O mecanismo de formação de depósitos nos  injetores dos motores GDI ainda NÃO foi completamente desvendado. O único mecanismo proposto disponível em literaturas diz respeito aos materiais precursores de depósito e a T90 (parâmetro do combustível e temperatura do bico injetor). No entanto, NÃO há consenso sobre os seus respectivos papeis. [1] 

O processo de formação de depósitos nos injetores se inicia com a oxidação, condensação e precipitação de hidrocarbonetos instáveis (olefinas e aromáticos) devido a sua baixa estabilidade térmica. [1]

No entanto, a formação efetiva ocorre por dois mecanismos distintos: [1]  

1. Auto-oxidação em baixa temperatura. [1]

2. Pirólise a alta temperatura (deposição de coque). [1]

Neste ponto é importante citar que auto-oxidação e pirólise são termos gerais, que descrevem as reações químicas bem mais complexas que ocorrem no combustível admitido quando submetido, respectivamente, a temperaturas baixas e altas. [1]

Contudo, ainda NÃO foi identificada uma temperatura que defina claramente a transição entre auto-oxidação e pirólise, uma vez que as duas reações se sobrepõem dentro de uma certa faixa de temperatura. [1]

Nas temperaturas superiores a 350 ºC, via de regra (existem exceções), a deposição de coque ocorre de duas diferentes formas: [1]

1. Decomposição dos hidrocarbonetos ao carbono elementar e ao hidrogênio (catálise metálica); [1] 

2. Polimerização/condensação de alguns tipos de hidrocarbonetos em policíclicos maiores e hidrocarbonetos aromáticos, que nucleiam e crescem e se tornam depósitos carbonáceos. [1] 

3. No teste de 60 horas de funcionamento (motores não GDI), simulando condução urbana, queimando-se gasolina pura (E0), sem aditivos inibidores* e sistema EGR conectado ou não, NÃO foram encontrados depósitos significantes nos injetores. [2] 

No que diz respeito especificamente à utilização do etanol, seja como aditivo da gasolina (anidro) (E10, E20, E85 etc.), seja como combustível (E100), ele reduz a temperatura das pontas dos injetores GDI. [1]

Várias publicações tratam do efeito benéfico do etanol sobre a formação de depósitos nos injetores GDI e não GDI. 

Exemplos:  

1. Taniguchi et al testaram vários combustíveis misturados  com etanol. O etanol, seja na forma pura ou misturado à gasolina, foi capaz de suprimir a formação de depósito, durante o denominado “teste de sujeira”. [1] [Taniguchi S, Yoshida K, Tsukasaki Y. Feasibility study of ethanol applications to a direct injection gasoline engine journal. 2007. SAE Technical Paper, No. 2007-01-2037]

2. Ashida et al compararam a perda de vazão do injetor entre um combustível sem mistura e um misturado com 10% em volume de etanol. Foi observado que na mistura houve menor perda de vazão. [1] [Ashida T, Takei Y, Hosi H. Effects of fuel properties on SIDI fuel injector deposit. 2001. SAE Technical Paper, No. 2001-01-3694]

Por outro lado: no teste de 60 horas de funcionamento (motor não GDI), simulando condução urbana, queimando-se mistura E85 (sem aditivos inibidores de formação de depósitos) e sistema EGR conectado, foram encontrados depósitos nos injetores. [2] 

No entanto: a desconexão do sistema EGR reduziu significativamente os depósitos. 

Logo, na formação dos depósitos encontrados, há indícios de uma interação entre os gases de escape oriundos do sistema EGR e a mistura E85 admitida. [2]

Além disso, tendo em vista que: 

1. A análise desses depósitos, por fluorescência de raios X, revelou a presença de enxofre, cálcio, zinco, fósforo (materiais comumente utilizados nos aditivos de lubrificante para motores) e ferro (oriundo do desgaste do motor); [1, 2]

2. A análise desses mesmos depósitos por raios infravermelhos revelou uma estreita semelhança com o espectro do isobutileno, que é um aditivo de óleo para motor; [2] 

Tudo leva a crer que os depósitos do injetor encontrados também tem forte conexão com os aditivos do lubrificante do motor, uma vez que o combustível queimado NÃO contém aditivos inibidores de formação de depósitos. [1, 2]

Depósitos esses que podem ser controlados com a utilização de aditivos inibidores de depósitos apropriados (base: Amina Poli-isobutileno e amina poli éter) [1, 2, 4]. Contudo, aditivos inibidores de corrosão podem aumentar a formação de depósitos. [4]

A composição do etanol utilizado também precisa ser levada em consideração, pois [1, 4]:

• A queima de mistura E85, preparada com etanol que continha 4 ppm de sulfatos, revelou a presença de depósitos de sulfato na esfera/sede do injetor. [4]

• Melhoramentos nos projetos dos injetores GDI (piezoelétrico de abertura externa), incluindo um bom acabamento superficial e escareamento, podem ajudar na prevenção de formação de depósitos. [1]

• Os revestimentos antidepósito apenas retardam o início da formação de depósitos no injetor. No entanto, não funcionam bem após a formação da primeira camada de depósito. [1] 

• Estratégias de projeto como isolar e resfriar a ponta do injetor GDI mostraram-se eficazes na redução da formação de depósitos em certas condições operacionais. [1]

*Fernando Landulfo é professor universitário com mais de 35 anos de expertise em mecânica automobilística. Sua formação inclui graduação em Engenharia Mecânica e mestrado em Projeto Mecânico. Ele também é autor de diversos artigos científicos relacionados ao setor automotivo, e publicou o livro “Manual Completo do Automóvel. Motores – Volume 1”

Referências: