Nesta matéria desvendaremos o mistério da “batida de pino” dos motores

A presente matéria tem por objetivo apresentar o fenômeno de detonação como um dos principais fatores do processo de combustão anormal em motores de ciclo Otto e ciclo Diesel.

Combustão Anormal em Motores de Ciclo Otto - Dois dos processos mais significativos de combustão anormal em motores de ciclo Otto, são:

• Detonação
• Ignição superficial.

Detonação

A teoria sobre o processo de detonação diz que o fenômeno está relacionado com a combustão muito rápida da mistura que se encontra além da frente de chama e que ainda não queimou.

Manifesta-se quando a faísca provoca a ignição da mistura, antes do pistão atingir o PMS (Ponto Morto Superior), no fim do ciclo de compressão.

Quando esta mistura entra em combustão de forma abrupta, a elevação da pressão desequilibrada provoca a ressonância da câmara de combustão e a sua estrutura vibra. 

Durante a detonação verificam-se pulsos de pressão de até 150 bar e frequências vibratórias de 6 a 12 kHz (kilociclos/segundo), o que pode ser causa de falha nas juntas, erosão do pistão, quebra de anéis, etc. 

Basicamente, a detonação é o resultado de altas taxas de compressão ou avanços do ponto de ignição além do limite e acontece, geralmente, com altas pressões absolutas de coletor de admissão (motor sob carga).

É uma forma de combustão descontrolada que provoca perda de eficiência, além do aumento das emissões.

Nota: Não confundir detonação com “auto-ignição” ou “efeito diesel” dos motores carburados, situação esta em que o motor continua a funcionar ainda depois de a ignição ter sido desligada. É o resultado da presença de pontos quentes na câmara de combustão e não pode ser controlada modificando o avanço. As causas, geralmente, residem no acúmulo de carvão na câmara de combustão (ponto quentes) ou velas inapropriadas (velas quentes).

Nos motores equipados com sensor de detonação o fenômeno é controlado pela UC, em malha fechada, modificando (atrasando) o ponto de ignição. 

Limite de Detonação 

O motor ciclo Otto apresenta, em função de condições de projeto e do combustível utilizado, um limite máximo de avanço (denominado Limite de Detonação Inferior ou LDI) que pode ser aplicado. Avanços superiores a este limite provocam o aparecimento do fenômeno de detonação.

A figura 1 apresenta as curvas de Potência x Avanço para duas taxas de compressão. Reparar no ganho de potência máxima (Gp) que a maior taxa de compressão oferece.

Na figura estão salientados os pontos do Limite de Detonação Inferior para ambas as curvas (1 e 2). 

Como salientado pelas distâncias L1 e L2, quanto maior a taxa de compressão, mais próximo fica o avanço do limite inferior de detonação, do avanço correspondente à máxima potência. Com isto, diminui a margem de proteção contra o aparecimento do fenômeno de detonação.

Nos sistemas com controle mecânico do avanço e em aqueles mapeados que não dispõem de detecção da detonação, a solução encontrada é diminuir o avanço aplicado nas condições de carga e rotação para as quais poderia aparecer o fenômeno, ou seja, a curva de avanço é corrigida no sentido de adotar uma margem de segurança para os avanços acima de um determinado valor.

A figura 2 apresenta um comparativo de eficiência em função da taxa de compressão. Reparar que o ciclo Otto pode atingir níveis de eficiência superiores àqueles correspondentes ao ciclo Diesel. No entanto, por não ter o fator limitante da detonação, o diesel consegue trabalhar com taxas de compressão maiores de onde resulta o ganho de eficiência Ge.

Ignição Superficial

Este processo de combustão anormal está relacionado com o início da combustão provocado por algum ponto quente na superfície da câmara. Esses pontos quentes podem ter origem em:

• Vela superaquecida
• Fragmento de carvão incandescente.

Quando acontece após o centelhamento da vela é denominado de pós-ignição e pode passar despercebido. Quando acontece antes, é denominado de pré-ignição. Neste caso, o fenômeno se apresenta com um avanço exagerado e pode resultar em detonação.

O importante a salientar é que o fenômeno de ignição superficial está fora do controle do sistema eletrônico de gerenciamento do motor.

Combustão Anormal em Motores de Ciclo Diesel - Um fator que caracteriza a combustão anormal no motor diesel, e que resulta no fenômeno de detonação, é o denominado Atraso de Ignição ou Retardo de Combustão. A figura 3 mostra uma curva típica de como evolui a pressão dentro da câmara de combustão, durante as quatro fases de um ciclo diesel. 

Dela surgem os seguintes fatores que caracterizam o processo de combustão nestes motores:

• Instante de começo da injeção do combustível (ponto 1) o qual é medido em graus de giro do virabrequim com relação ao PMS. É denominado “avanço da injeção” (A)
• Começo da combustão ou auto-ignição (ponto 2)Intervalo R (entre 1 e 2) denominado “retardo de ignição” ou “retardo de combustão ou de inflamação”. Constitui fator principal na diminuição do ruído característico do motor diesel e contribui decisivamente na estabilidade do processo de combustão.

Detonação

A quantidade de combustível que se acumula durante a fase de retardo da ignição, quando excessiva, dá origem a uma explosão violenta no início da combustão provocando o fenômeno de detonação.

O que se deseja é a rápida auto-ignição do combustível inicialmente injetado na câmara, para que o injetado posteriormente não se acumule e queime bruscamente.

1. Quanto maior é o atraso de ignição (maior a quantidade acumulada) maior será a potência da explosão e consequentemente, mais significativa a detonação.
2. A figura 4 ilustra o apresentado acima. (Referências para a figura 4. A: Início da injeção; B: Início da combustão; Q: Quantidade de combustível injetada durante o atraso)
3. Figura 4a: Atraso mínimo o que resulta numa quantidade acumulada de combustível que promove um aumento aceitável da pressão na fase de combustão. Reparar que a pressão máxima acontece logo após o PMS favorecendo a ação da força exercida sobre o pistão.
4. Figura 4b: O aumento do atraso provoca um aumento acentuado da pressão na fase de combustão rápida. Neste caso, o máximo da pressão, coincidindo com o PMS, é indicação de que o pistão encontrou uma força oposta significativa já no fim do ciclo de compressão, o que poderá resultar em perda de desempenho e aumento do ruído produzido pelo motor.
5. Figura 4c: Devido ao atraso maior, a quantidade de combustível acumulada, quando em combustão, provoca aumento exagerado da pressão na câmara, com aparecimento do fenômeno de detonação.

O procedimento utilizado no motor diesel para evitar a detonação, consiste na diminuição do atraso de ignição através de providências tais como: