AUTO ACADÊMICO

Nota Técnica por Fernando Landulfo*

A detonação (knocking) é um fenômeno de combustão anormal e indesejável, que pode ocorrer, tanto nos motores do ciclo Otto como Diesel. Os seus efeitos, quando prolongados, podem trazer consequências catastróficas aos motores. 

Mas, embora haja alguma similaridade no seu principal sintoma, popularmente conhecido como “batida de pino”, as origens e consequências, são distintas para cada um dos ciclos.

DETONAÇÃO EM MOTORES DE CICLO OTTO

No ciclo Otto, a detonação ocorre quando a porção final da mistura ar combustível, que ainda não foi atingida pela frente de chama normal, entra em combustão espontânea.

A centelha elétrica inicia o processo de combustão. Após passar pela fase de retardo (ignition delay, similar ao que ocorre no ciclo Diesel), a combustão normal avança, numa frente de chama, que se propaga de forma controlada (normal), comprimindo a mistura remanescente (ainda não queimada), que se encontra a sua frente, elevando a sua pressão e temperatura. [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12] 

Pois bem, se as condições termodinâmicas ultrapassarem o limite de autoignição do combustível, antes que a frente de chama atinja as paredes da câmara da câmara de combustão, ocorre uma queima instantânea (como uma “explosão”) em múltiplos pontos. [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12]

Nesse ponto é relevante mencionar que, nos motores de alta taxa de compressão, no final do tempo da compressão, antes do disparo da centelha, caso as acima citadas condições termodinâmicas também sejam favoráveis, poderá ocorrer a ultrapassagem do limite de autoignição do combustível. [2, 3] 

Essas pequenas “explosões” geram ondas choque (ondas de pressão de alta frequência), que se propagam pela câmara de combustão, são responsáveis, não só, pelo ruído metálico característico (“batida de pino”). 

Mas também pela:

• Destruição da camada térmica limite, que protege as superfícies metálicas, impedindo a transferência integral de calor, que pode levar ao derretimento da cabeça do pistão e destruir os anéis de segmento. 

O que é a camada térmica limite? É uma película de gases estagnados, ou de velocidade muito baixa, que fica adjacente à cabeça do pistão. A camada térmica limite funciona como uma resistência térmica, impedindo que o fluxo de convecção de calor, gerado pela combustão, atinja integralmente a cabeça do pistão. Não é uniforme, podendo ser dividida em 3 diferentes zonas de influência: 

Subcamada Viscosa: Região de baixíssima espessura, localizada junto à parede metálica onde a velocidade do fluido é zero: condição de não escorregamento. [10, 11, 12] 

Zona de Transição: Região onde o regime de movimentação dos gases passa de laminar para turbulento. [10, 11, 12] 

Região de Fluxo Pleno: Região um pouco mais distante das superfícies metálicas, onde as temperaturas e pressões inerentes ao ciclo Diesel ocorrem de fato. [10, 11, 12]

Sem a camada térmica limite, o gradiente de temperatura na superfície sobre a cabeça do pistão, seria praticamente infinito, resultando em falha catastrófica imediata do material. [10, 11, 12] Apesar da turbulência (swirl e tumble) ser necessária para otimizar a mistura ar-combustível, ela tende a reduzir a espessura da camada limite. Se a turbulência for excessiva perto das paredes, a camada diminui, aumentando a transferência de calor para os materiais. [10, 11, 12] 

• Erosão por cavitação as superfícies metálicas, que se encontram principalmente nas áreas de esmagamento, onde ocorre o “squish”. 

• Indução a ocorrência de pré-ignição [2, 3, 5, 6, 8 ,11, 12]

O QUE CAUSA A DETONAÇÃO NO CICLO OTTO?

A ocorrência da detonação no ciclo Otto está diretamente atrelada a fatores que envolvem a octanagem do combustível, taxa de compressão, avanço da ignição e o desenho da câmara de combustão.

• Octanagem do combustível: Quanto maior a octanagem do combustível, mais pressão e temperatura ele suporta sem entrar em autoignição. [2, 3, 4] 

• Taxa de Compressão: O aumento da taxa de compressão melhora o rendimento térmico. Porém o aumento de temperatura e pressão de fim de compressão, dependendo da resistência do combustível a pressão, aumenta a possibilidade de ocorrência de detonação. [2, 3, 4] 

• Avanço da Ignição: Uma centelha excessivamente adiantada desloca o pico de pressão para mais próximo do PMS, submetendo a mistura, não queimada pela frente de chama (end-gas), a condições críticas por mais tempo. O que facilita a ocorrência de detonação [2, 3, 4] 

• Desenho da câmara de combustão: O “squish” gerado, aumenta a área superficial da frente de chama, permitindo que ela consuma o end-gas, antes que a autoignição ocorra. [1, 5, 6, 10, 11] 

Squish: movimentação rápida e turbulenta da mistura ar-combustível, de uma área periférica da câmara de combustão (zona de esmagamento) em direção ao centro, que ocorre à medida que o pistão se aproxima do PMS. A velocidade do squish é proporcional à área da zona de esmagamento e à velocidade do pistão. [1, 5, 6, 10, 11] 

FORMAS DE SE EVITAR A DETONAÇÃO NO CICLO OTTO

No passado, a detonação era evitada com alterações na: taxa de compressão, relação ar combustível da mistura (calibração do carburador), grau térmico das velas de ignição, avanço do distribuidor e octanagem do combustível.

Atualmente, a engenharia de motores utiliza diversas soluções para operar o mais próximo possível da detonação, onde a eficiência do motor é maior).

Por exemplo: 

• Sensor de Detonação (knock sensor): Detecta as vibrações na frequência característica da detonação. Informa a unidade de de gerenciamento eletrônico do motor, que processa esse sinal e atrasa o ponto de ignição instantaneamente [4]. 

• Turbulência na câmara de combustão (Swirl e Tumble): O aumento da turbulência na câmara, acelera a velocidade da frente de chama, completando a combustão antes que a autoignição do “end-gas”. [1] 

• Arrefecimento do ar e/ou mistura admitida: O uso de resfriadores de ar, em motores de indução forçada (superalimentados), reduz a temperatura de admissão, aumentando a estabilidade química da mistura. [1, 2, 3, 4] 

DETONAÇÃO EM MOTORES DE CICLO DIESEL

No ciclo Diesel teórico, com o pistão no seu PMS, tem-se a injeção do combustível no ar comprimido. A partir daí, o combustível se inflama gerando uma combustão instantânea e adiabática. [1, 2, 3, 4, 5, 6] 

No entanto, no ciclo Diesel real, o processo não só troca calor com o exterior do sistema, como consome tempo. E por essa razão, o início da injeção deve ocorrer antes do PMS (avanço da injeção). [1, 2, 3, 4, 5, 6] 

A combustão no ciclo Diesel real se divide em 4 fases: 

a) Atraso da ignição (Ignition Delay)
Também conhecido como retardo total da ignição (também ocorre no ciclo Otto), é o intervalo entre o início da injeção do combustível e o efetivo início da combustão. [1, 2, 3, 5, 6, 8, 9, 13] Ou seja, é um fenômeno que precede a liberação de energia. 

O tempo consumido pelo retardo justifica a necessidade de se iniciar a injeção de combustível, antes que o pistão atinja o PMS no tempo da compressão. O conhecido: “avanço da injeção”. Pois é desejável que a máxima pressão, provocada pela combustão, ocorra quando o pistão se encontre no início do seu movimento descendente. [1, 2, 3, 4, 5, 6] 

O retardo total da combustão é dividido em duas componentes principais: o retardo físico e o retardo químico. [8, 9, 13] 

• Retardo Físico: Compreende os processos de natureza mecânica e termodinâmica, em que a mistura ar / combustível deve sofrer, antes que as reações químicas de oxidação possam iniciar: [8, 9, 13]

Atomização e Dispersão: O combustível precisa ser pulverizado (fragmentado em gotículas microscópicas) no ar, por um carburador ou injetor. [8, 9, 13] 

Vaporização: O combustível pulverizado deve mudar de fase (de líquido para vapor). A taxa de vaporização depende diretamente da temperatura do ar, da pressão interna da câmara de combustão, assim como, da volatilidade do combustível. [8, 9] 

Homogeneização: O combustível vaporizado precisa homogeneizar- se com o ar, formando uma mistura capaz de queimar (reagir quimicamente). [8, 9, 13] 

• Retardo Químico: Uma vez homogeneizada, a mistura passa por uma série de reações cinéticas complexas, formando radicais livres e espécies intermediárias, antes que a oxidação exotérmica rápida (a chama propriamente dita) seja estabelecida. A esse fenômeno dá-se o nome de retardo químico, também conhecido como período de indução. [8, 9, 13] Um processo que, por sinal, ocorre em várias etapas: 

Iniciação: As moléculas de combustível começam a se quebrar em radicais livres (por exemplo: OH, H, O e CHO). [8, 9, 13] 

Propagação: Os radicais livres reagem com o oxigênio para formar espécies intermediárias como peróxidos e aldeídos. A etapa de ramificação é a mais importante, pois multiplica o número de radicais livres exponencialmente. [8, 9, 13] 

Reações de Cadeia: O processo evolui através de reações em cadeia. O retardo químico termina quando a concentração de radicais livres atinge um nível crítico, onde a liberação de energia torna-se autossustentável. [8, 9, 13]

Nesse ponto é preciso pontuar que retardos excessivos podem provocar acúmulo excessivo de combustível na câmara de combustão, o que pode levar à detonação. [1, 2, 3, 4, 5, 6] 

b) Combustão pré-misturada
Durante o atraso da ignição, o combustível continua sendo injetado. Quando a ignição finalmente ocorre, todo aquele combustível, que já foi atomizado e misturado ao ar, entra em combustão quase que simultaneamente. Como consequência, tem-se um aumento abrupto da pressão no interior da câmara de combustão. Contudo, se esse aumento for excessivo, pode ocorrer detonação. Em tempo, é preciso mencionar que, durante o aumento de pressão, a temperatura da câmara atinge níveis próximos do seu máximo. [1, 2, 3, 4, 5, 6] 

c) Combustão Difusiva
O restante do combustível dosado e injetado queima, à medida que sai do bico injetor, encontrando oxigênio disponível. Nesta fase, a combustão é controlada pela relação ar / combustível. [1, 2, 3, 4, 5, 6] 

d) Pós-combustão
Queima (oxidação) dos resíduos restantes de combustível. [4] Diferentemente dos motores ciclo Otto, onde a detonação é uma autoignição prematura da mistura ar-combustível, a detonação no ciclo Diesel ocorre quando o atraso de ignição é muito longo, e uma quantidade excessiva de combustível se acumula na câmara de combustão. [1, 2, 3, 4, 5, 6] 

No momento em que ignição ocorre, esse grande volume de mistura, pré-preparada, queima de forma quase que instantânea (parecido com uma explosão). O que gera um enorme e repentino aumento de pressão, que produz uma frente de choque, que se propaga a velocidade do som, e colide com as paredes do cilindro e a cabeça do pistão, fazendo-as vibrar (ressonância), produzindo o ruído metálico característico. Além de vibrações de alta frequência. [1, 2, 3, 4, 5, 6] 

O QUE CAUSA A DETONAÇÃO EM MOTORES DE CICLO DIESEL?

A ocorrência da detonação está relacionada a diversos fatores. [1, 2, 3, 4, 5, 6]. Por exemplo: 

• Número de cetano do combustível: combustíveis com baixo número de cetano, aumentam o atraso da ignição, facilitando a ocorrência de detonação. [1, 2, 3, 4, 5, 6] 

Número de cetano: indica a qualidade de ignição de um óleo diesel. É considerado análogo a octanagem no ciclo Otto. Contudo, enquanto a octanagem mede a resistência à autoignição, o cetano mede a facilidade com que o combustível entra em autoignição. [1, 4] 

• Temperatura de compressão: Quanto menor, maior o atraso da combustão. Logo, maior a probabilidade de ocorrência de detonação. [1, 2, 3, 4, 5, 6, 14] 

• Pressão de injeção: Quanto mais alta, melhor é a atomização. Logo menor é o retardo da ignição e possibilidade de ocorrência de detonação. Contudo, se sair do controle, pode aumentar a massa de combustível pré-misturado. [1, 2, 3, 4, 5, 6, 14]

• Ponto de injeção: Quanto mais adiantado, mais frio se encontra o ar na câmara de combustão. [1, 2, 3, 4, 5, 6, 14]

• Recirculação de gases de escape (EGR): A utilização de EGR tende a aumentar o atraso de ignição. Como a concentração de oxigênio é menor e a temperatura no final da compressão pode ser reduzida (EGR resfriado: Gases de recirculação passam por resfriamento antes de serem inseridos na câmara de combustão. [1, 7] ), as reações químicas de pré-combustão demoram mais para se iniciar. Contudo, a menor disponibilidade de oxigênio reduz a velocidade de reação, resultando em uma combustão mais “suave”, com menores picos de pressão e temperatura. O que tende a inibir a detonação. [1, 4, 15]

QUAIS SÃO AS CONSEQUÊNCIAS DA DETONAÇÃO EM MOTORES DE CICLO DIESEL?

No que diz respeito às consequências mecânicas da detonação no ciclo Diesel, pode-se dizer que as principais são: 

• Fadiga e danos no material da cabeça dos pistões: Muito embora seja exposta a gases de combustão extremamente quentes, que podem momentaneamente ultrapassar os 2000°C, não há derretimento da cabeça do pistão. E a razão é muito simples: ela não fica em contato direto com o “núcleo da chama”. Quem suporta a maior parte da carga térmica é denominada: camada limite térmica (já exposta e explicada no ciclo Otto). [10, 11, 12]

Assim como ocorre nos motores ciclo Otto, sem a camada limite, o gradiente de temperatura na superfície sobre a cabeça do pistão, seria praticamente infinito, resultando em falha catastrófica e quase que imediata do material. [10, 11, 12] 

A espessura e a eficácia da camada limite, nos motores Diesel, vias de regra, são influenciadas por: 

Pressão de Cilindro: Pressões mais altas (comuns em motores Diesel modernos) aumentam a densidade do gás, alterando as propriedades térmicas da camada. [10, 11, 12] 

Depósitos de Carbono: Benson aponta que finas camadas de fuligem podem, paradoxalmente, auxiliar no isolamento térmico, embora prejudiquem a eficiência volumétrica a longo prazo. [10, 11, 12] 

Geometria da Cuba do Pistão: O desenho da cabeça do pistão é feito para guiar a chama para longe das bordas, preservando a camada limite nas zonas mais críticas. [10, 11, 12]

Nesse ponto é importante destacar que, assim como ocorre no ciclo Otto, a turbulência (swirl e tumble) excessiva, perto das paredes, diminui a camada limite térmica, aumentando a transferência de calor para os materiais. [10, 11, 12] As ondas de choque, geradas pela detonação, rompem a camada limite térmica causando: erosão, microfissuras e até mesmo, derretimento do componente. [1, 7, 10, 11, 12]

Isso sem falar de outras consequências de cunho mecânico: 

• Danos aos Anéis de Segmento: A pressão excessiva pode travar os anéis em suas canaletas ou quebrá-los. [1, 7, 10, 11] 

• Sobrecarga em Bronzinas e Virabrequim: O pico de pressão abrupto atua como um “martelo” sobre os mancais, podendo romper o filme de óleo lubrificante. [1, 7, 10, 11] 

Já as principais consequências de cunho térmico são: 

• Fusão Localizada: Em casos severos, a temperatura local excede o ponto de fusão das ligas de alumínio do pistão, causando o derretimento da borda da câmara de combustão (especialmente em motores de injeção direta). [1, 4, 7, 10, 11] 

• Superaquecimento das Válvulas: As válvulas de escape sofrem estresse térmico adicional, o que pode levar ao empenamento ou falha de vedação. [1, 4, 7, 10, 11]

COMO CONTROLAR A DETONAÇÃO NO CICLO DIESEL?

Com o advento do controle eletrônico de injeção, várias soluções foram criadas e aplicadas, para a detecção e controle de detonação. Entre elas: 

• Injeção Piloto (Pilot Injection) [4]
Uma pequena quantidade de combustível é pulverizada na câmara de combustão, um pouco antes da injeção principal. Tem-se então um início de combustão e elevação da temperatura e pressão na câmara. Assim, a injeção principal ocorre sem retardo de ignição. O que, praticamente elimina a detonação. [4, 7] 

• Sensor de detonação (Knock Sensor)
A unidade de gerenciamento eletrônico do motor, utiliza o sinal de sensores de detonação (piezoelétricos) ou sensores de pressão instalados na câmara de combustão, para detectar as frequências de vibração específicas da detonação. Quando a detonação é detectada: ou é promovido um atraso no ponto de injeção, ou um ajuste na pressão de injeção (rail pressure). [4, 7] 

• Aumento da pressão de injeção
Pressões de injeção superiores a 2000 bar ajudam a reduzir o tamanho das gotas, facilitando a redução do atraso da ignição, quando o motor se encontra em regimes de carga alta. [4, 7, 14]

*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”