Composição do combustível e o fenômeno de detonação - Embarcados
Essa série de artigos apresenta o desenvolvimento de uma estratégia de controle do avanço de ignição em função da ocorrência da detonação (combustão anormal), com o intuito de aumentar o torque de saída do motor. O trabalho completo sobre o Desenvolvimento de uma estratégia de controle de detonação pode ser visualizado e utilizado como aqui.
Nessa série de artigos você irá entender os motivos da ocorrência da detonação e a relação do torque de saída do motor com as diferentes composições de combustíveis utilizados.
Neste primeiro artigo, a composição do combustível utilizado nos veículos e o processo de detonação (combustão anormal) serão detalhados.
Composição do combustível
Atualmente, o etanol é utilizado misturado ou substituindo a gasolina, principalmente no Brasil. Também é utilizado como aditivo em países como EUA, Canadá e Índia e como alternativa futura em países como a China. No Brasil dois tipos de etanol são produzidos, o etanol anidro, que é misturado à gasolina (Tipo A) para produção da gasolina E27 (Tipo C) e o etanol hidratado.
Esses álcoois apresentam características interessantes, como alta octanagem e alto calor de vaporização, o que aumenta a resistência do combustível à detonação, possibilitando que o motor trabalhe com taxas de compressão maiores do que quando se utiliza gasolina, e diminuindo o pico de temperatura na câmara de combustão, levando à maior resistência contra detonação, redução da emissão de óxidos de nitrogênio (NOx), acréscimo da potência de saída do motor, menor intervalo entre a ignição e o início da combustão e maior velocidade de propagação da chama.
A adição de etanol à gasolina propicia uma melhoria nas características do combustível, como: consumo e redução da emissão de monóxido de carbono (CO) e hidrocarbonetos (HC) entre 10-90% e 20-80%, respectivamente, dependendo da condição de funcionamento do motor. A adição de etanol à gasolina altera a relação estequiométrica do combustível com o ar, uma vez que o etanol possui oxigênio em sua estrutura molecular, reduzindo o número de moléculas necessárias para a combustão ideal do combustível, sendo a relação estequiométrica do álcool de 8.98:1 e da gasolina 14.58:1. Sendo assim, as diferentes características do etanol, gasolina e de suas misturas requerem que o gerenciamento de parâmetros do motor, como o tempo de injeção de combustível e o avanço do ponto de ignição, sejam realizados em função da composição do combustível utilizado, de modo a se maximizar o torque de saída do motor, reduzir a emissão de poluentes e evitar a ocorrência de detonação.
Fenômeno de detonação (combustão anormal)
A detonação ocorre durante a fase de compressão do motor e é um fenômeno decorrente da autoignição espontânea da mistura de ar e combustível que ainda não foi queimada. Esta fração da mistura é comprimida e aquecida pela frente de chama do processo de combustão, levando essa parte da mistura a entrar em autoignição, originando uma segunda frente de chama. Quando a frente de chama iniciada pela centelha da vela de ignição se choca com a frente de chama da autoignição, aparecem picos na pressão que excitam reverberações acústicas. A detonação provoca uma súbita elevação da pressão dentro do cilindro que reduz a eficiência do motor, produz ruídos e pode quando não suprimido causar danos ao motor.
A figura 1 ilustra o sinal de pressão na câmara de combustão com e sem detonação.
Figura 1 – (a) sinal de pressão na ocorrência de detonação, (b) sinal filtrado com um filtro passa faixa de (a), (c) sinal de pressão sem ocorrência de detonação e (d) o sinal filtrado com um filtro passa faixa de (c).
Devido à aleatoriedade das causas do fenômeno como variação da massa residual da combustão e pontos quentes, a predição do fenômeno é praticamente impossível para sistemas em tempo real. A prevenção da detonação é, então, realizada pelo gerenciamento do motor através da alteração do ponto de avanço de ignição, que altera a eficiência do ciclo e as chances de ocorrer detonação.
O momento em que a centelha ocorre no interior do cilindro influencia diretamente o processo de combustão no decorrer da compressão. Se a centelha ocorre quando o pistão está muito próximo do PMS, acontece uma ignição atrasada e isso prejudica o processo de combustão, diminuindo consideravelmente a pressão de combustão. Por outro lado, uma ignição muito adiantada pode provocar o fenômeno da detonação, que é um tipo de combustão anormal.
A figura 2 ilustra a pressão no interior do cilindro em função da posição angular da árvore de manivelas para três pontos de liberação da centelha.
Figura 2 – Pressão interna do cilindro em função do avanço de ignição. (a) ignição no momento ideal (Za), (b) ignição muito adiantada (Zc) e (c) ignição muito atrasada (Zb).
A recorrência de detonação causa danos aos componentes do motor, aumento no consumo de combustível e da emissão de gases poluentes e limitação da resposta do motor à aceleração.
Por esses motivos, é necessário realizar o controle do momento em que a ignição ocorre, e essa estratégia é denominada controle do avanço de ignição. Ele tem como função corrigir o ponto de ignição em função da rotação do motor e da sua carga, de modo a se maximizar a pressão de combustão e evitar a ocorrência da detonação.
Caso a detonação ocorra, é necessário que o gerenciamento do motor reconheça esse fenômeno e atue no sistema de forma a evitar a diminuição do torque do motor. No próximo artigo, serão apresentados alguns métodos de detecção do fenômeno de detonação.