Batendo no motor - Engine knocking

Batidas (também detonação , detonação , detonação , ping ou rosqueamento ) em motores de combustão interna de ignição por centelha ocorre quando a combustão de parte da mistura ar / combustível no cilindro não resulta da propagação da frente da chama acesa pela vela de ignição , mas um ou mais bolsões de mistura de ar / combustível explodem fora do envelope da frente de combustão normal. A carga de ar-combustível deve ser acesa apenas pela vela de ignição e em um ponto preciso no curso do pistão. A batida ocorre quando o pico do processo de combustão não ocorre mais no momento ideal para o ciclo de quatro tempos . A onda de choque cria o som metálico característico de "ping" e a pressão do cilindro aumenta dramaticamente. Os efeitos da batida do motor variam de inconseqüentes a completamente destrutivos.

Bater não deve ser confundido com pré-ignição - são dois eventos separados. No entanto, a pré-ignição pode ser seguida por batidas.

O fenômeno da detonação foi descrito em novembro de 1914 em uma carta da Lodge Brothers (fabricantes de velas de ignição e filhos de Sir Oliver Lodge ) estabelecendo uma discussão sobre a causa de "Batidas" ou "Pinging" em motocicletas. Na carta, eles afirmam que uma ignição precoce pode dar origem à detonação do gás em vez da expansão usual, e o som que é produzido pela detonação é o mesmo como se as peças de metal tivessem sido batidas com um martelo. Foi investigado e descrito por Harry Ricardo durante experimentos realizados entre 1916 e 1919 para descobrir o motivo das falhas em motores de aeronaves .

Combustão normal

Em condições ideais, o motor de combustão interna comum queima a mistura combustível / ar no cilindro de maneira ordenada e controlada. A combustão é iniciada pela vela de ignição cerca de 10 a 40 graus do virabrequim antes do ponto morto superior (TDC), dependendo de muitos fatores, incluindo velocidade do motor e carga. Este avanço de ignição permite que o processo de combustão desenvolva pressão de pico no momento ideal para a recuperação máxima de trabalho dos gases em expansão.

A faísca através dos eletrodos da vela de ignição forma um pequeno núcleo de chama aproximadamente do tamanho da abertura da vela de ignição. À medida que cresce de tamanho, sua produção de calor aumenta, o que permite que cresça em uma taxa acelerada, expandindo-se rapidamente através da câmara de combustão. Este crescimento é devido à viagem da frente da chama através da própria mistura combustível-ar, e devido à instabilidade de Rayleigh-Taylor (resultante dos gases de combustão de baixa densidade quentes que se expandem na mistura combustível-ar relativamente fria e densa não queimada ) que rapidamente estende a zona de queima em um complexo de dedos de gás em chamas que têm uma área de superfície muito maior do que uma simples bola esférica de chama teria (este último processo é aprimorado e acelerado por qualquer turbulência pré-existente no combustível-ar mistura). Na combustão normal, essa frente de chama se move através da mistura combustível / ar a uma taxa característica para a mistura particular. A pressão sobe suavemente até um pico, quando quase todo o combustível disponível é consumido, então a pressão cai conforme o pistão desce. A pressão máxima do cilindro é alcançada alguns graus do virabrequim depois que o pistão passa pelo TDC, de modo que a força aplicada no pistão (do aumento da pressão aplicada à superfície superior do pistão) pode dar seu impulso mais forte precisamente quando a velocidade do pistão e a vantagem mecânica no virabrequim oferece a melhor recuperação da força dos gases em expansão, maximizando assim o torque transferido para o virabrequim.

Combustão anormal

Quando a mistura combustível / ar não queimada além do limite da frente da chama é submetida a uma combinação de calor e pressão por um determinado período (além do período de retardo do combustível usado), a detonação pode ocorrer. A detonação é caracterizada por uma ignição explosiva quase instantânea de pelo menos uma bolsa de mistura combustível / ar fora da frente da chama. Uma onda de choque local é criada ao redor de cada bolsão e a pressão do cilindro aumentará drasticamente - e possivelmente além de seus limites de projeto - causando danos. (A detonação é realmente mais eficiente do que a deflagração, mas geralmente é evitada devido aos seus efeitos prejudiciais nos componentes do motor.)

Se a detonação persistir sob condições extremas ou ao longo de muitos ciclos do motor, as peças do motor podem ser danificadas ou destruídas. Os efeitos deletérios mais simples são normalmente o desgaste das partículas causado por batidas moderadas, que podem ocorrer através do sistema de óleo do motor e causar desgaste em outras peças antes de serem presas pelo filtro de óleo. Esse desgaste dá a aparência de erosão, abrasão ou uma aparência de "jato de areia", semelhante ao dano causado pela cavitação hidráulica. Uma batida severa pode levar a uma falha catastrófica na forma de orifícios físicos derretidos e empurrados através do pistão ou cabeça do cilindro (ou seja, ruptura da câmara de combustão ), qualquer um dos quais despressuriza o cilindro afetado e introduz grandes fragmentos de metal, combustível e produtos de combustão no sistema de óleo. Sabe-se que os pistões hipereutéticos se quebram facilmente com essas ondas de choque.

A detonação pode ser evitada por qualquer uma ou todas as seguintes técnicas:

  • retardando o tempo de ignição
  • o uso de um combustível com alto índice de octanagem , o que aumenta a temperatura de combustão do combustível e reduz a propensão para detonar
  • enriquecendo a relação ar-combustível que altera as reações químicas durante a combustão, reduz a temperatura de combustão e aumenta a margem de detonação
  • reduzindo a pressão de pico do cilindro
  • diminuindo a pressão do coletor , reduzindo a abertura do acelerador ou pressão de reforço
  • reduzindo a carga do motor

Como a pressão e a temperatura estão fortemente ligadas, a detonação também pode ser atenuada controlando as temperaturas de pico da câmara de combustão por redução da taxa de compressão , recirculação dos gases de escape , calibração apropriada do cronograma de ignição do motor e design cuidadoso das câmaras de combustão do motor e sistema de arrefecimento também como controlar a temperatura de entrada de ar inicial.

A adição de certos materiais, como chumbo e tálio , suprime extremamente bem a detonação quando certos combustíveis são usados. A adição de chumbo tetraetila (TEL), um composto organoléder solúvel adicionado à gasolina, era comum até que foi descontinuado por motivos de poluição tóxica. O pó de chumbo adicionado à carga de admissão também reduzirá a detonação com vários combustíveis de hidrocarbonetos. Os compostos de manganês também são usados ​​para reduzir a detonação com gasolina.

Knock é menos comum em climas frios. Como uma solução pós-venda, um sistema de injeção de água pode ser empregado para reduzir as temperaturas de pico da câmara de combustão e, assim, suprimir a detonação. O vapor (vapor d'água) suprime a detonação, embora nenhum resfriamento adicional seja fornecido.

Certas mudanças químicas devem ocorrer primeiro para que a detonação aconteça; portanto, os combustíveis com certas estruturas tendem a bater com mais facilidade do que outros. As parafinas de cadeia ramificada tendem a resistir à batida, enquanto as parafinas de cadeia reta batem facilmente. Foi teorizado que o chumbo, o vapor e semelhantes interferem com algumas das várias mudanças oxidativas que ocorrem durante a combustão e, portanto, reduzem a detonação.

A turbulência, como afirmado, tem um efeito muito importante na batida. Motores com boa turbulência tendem a bater menos do que motores com baixa turbulência. A turbulência ocorre não apenas enquanto o motor está inspirando, mas também quando a mistura é comprimida e queimada. Muitos pistões são projetados para usar turbulência "esmagadora" para misturar violentamente o ar e o combustível enquanto são acesos e queimados, o que reduz bastante a detonação ao acelerar a queima e resfriar a mistura não queimada. Um exemplo disso são todas as válvulas laterais modernas ou motores de cabeça chata . Uma porção considerável do espaço da cabeça é feita para ficar próxima à coroa do pistão, causando muita turbulência perto do PMS. Nos primeiros dias das cabeças das válvulas laterais, isso não era feito e uma taxa de compressão muito menor tinha que ser usada para qualquer combustível. Além disso, esses motores eram sensíveis ao avanço da ignição e tinham menos potência.

A batida é mais ou menos inevitável em motores a diesel , onde o combustível é injetado em ar altamente comprimido no final do curso de compressão. Há um pequeno intervalo entre o combustível sendo injetado e o início da combustão. A esta altura, já existe uma quantidade de combustível na câmara de combustão que irá inflamar primeiro em áreas de maior densidade de oxigênio antes da combustão da carga completa. Este aumento repentino na pressão e na temperatura causa a distinta 'batida' ou 'ruído' do diesel, alguns dos quais devem ser permitidos no projeto do motor.

O projeto cuidadoso da bomba injetora, do injetor de combustível, da câmara de combustão, da coroa do pistão e da cabeça do cilindro pode reduzir bastante a detonação, e os motores modernos que usam injeção eletrônica common rail têm níveis muito baixos de detonação. Os motores que usam injeção indireta geralmente têm níveis mais baixos de detonação do que os motores de injeção direta , devido à maior dispersão de oxigênio na câmara de combustão e às pressões de injeção mais baixas, proporcionando uma mistura mais completa de combustível e ar. Na verdade, os motores diesel não sofrem exatamente a mesma "detonação" dos motores a gasolina, uma vez que a causa é conhecida por ser apenas a taxa muito rápida de aumento de pressão, e não a combustão instável. Os combustíveis diesel são muito propensos a detonar em motores a gasolina, mas no motor a diesel não há tempo para que ocorra detonação porque o combustível só é oxidado durante o ciclo de expansão. No motor a gasolina, o combustível está se oxidando lentamente o tempo todo, enquanto é comprimido antes da faísca. Isso permite que mudanças ocorram na estrutura / composição das moléculas antes do período muito crítico de alta temperatura / pressão.

Detecção de batida

Devido à grande variação na qualidade do combustível, pressão atmosférica e temperatura ambiente, bem como a possibilidade de um mau funcionamento, todo motor de combustão moderno contém mecanismos para detectar e prevenir batidas.

Uma malha de controle monitora permanentemente o sinal de um ou mais sensores de detonação (comumente sensores piezoelétricos que são capazes de traduzir vibrações em um sinal elétrico). Se o pico de pressão característico de uma combustão de batida for detectado, o tempo de ignição é retardado em etapas de alguns graus. Se o sinal normalizar, indicando uma combustão controlada, o ponto de ignição é avançado novamente da mesma maneira, mantendo o motor no seu melhor ponto de operação possível, o chamado ″ limite de detonação ″. Os modernos sistemas de loop de controle de detonação são capazes de ajustar os tempos de ignição para cada cilindro individualmente. Dependendo do motor específico, a pressão de alimentação é regulada simultaneamente. Desta forma, o desempenho é mantido em seu nível ideal, eliminando principalmente o risco de danos ao motor causados ​​por detonação, por exemplo, ao operar com combustível de baixa octanagem.

Um exemplo inicial disso são os motores Saab H turboalimentados , onde um sistema denominado Controle Automático de Desempenho foi usado para reduzir a pressão de alimentação caso fizesse o motor bater.

Previsão de golpe

Uma vez que evitar a combustão de detonação é tão importante para os engenheiros de desenvolvimento, uma variedade de tecnologias de simulação foi desenvolvida para identificar o projeto do motor ou as condições de operação nas quais a detonação pode ocorrer. Isso então permite que os engenheiros projetem maneiras de mitigar a combustão de detonação, mantendo uma alta eficiência térmica.

Uma vez que o início da detonação é sensível à pressão no cilindro, temperatura e química de autoignição associadas às composições de mistura local dentro da câmara de combustão, as simulações que levam em conta todos esses aspectos têm se mostrado mais eficazes na determinação dos limites operacionais de detonação e capacitação dos engenheiros para determinar a estratégia operacional mais adequada.

Controle de batida

O objetivo das estratégias de controle de detonação é tentar otimizar a compensação entre proteger o motor de eventos de detonação prejudiciais e maximizar o torque de saída do motor. Os eventos Knock são um processo aleatório independente. É impossível projetar controladores de knock em uma plataforma determinística. Uma simulação de histórico único ou experimento de métodos de controle de detonação não é capaz de fornecer uma medição repetível do desempenho do controlador devido à natureza aleatória dos eventos de detonação que chegam. Portanto, o trade-off desejado deve ser feito em uma estrutura estocástica que poderia fornecer um ambiente adequado para projetar e avaliar diferentes desempenhos de estratégias de controle de detonação com propriedades estatísticas rigorosas.

Referências

Leitura adicional

links externos