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Foi Detonação ou Pré-Ignição?


Teoria básica em Motores: Detonação e Pré-Ignição.
Todos os motores com alta potência específica estão sujeitos a uma tendência destrutiva, resultado de excesso de pressão, erro na mistura, erro no mapeamento e mesmo erros em sistemas de refrigeração. Os entusiastas espremem os motores até o limite da potência máxima. Como eles frequentemente aprendem, o processo de combustão pode se descontrolar até acontecer a quebra. Esse artigo define dois tipos de quebras, pela detonação e pela pre-ignição, que são obscuros em sua natureza, fazendo com que os preparadores dificilmente os reconheçam e os classifiquem. Esse artigo apenas trata do básico sobre esses processos de combustão, pois um livro inteiro seria necessário para explicar detalhes sobre os mesmos.
Antes de tudo, vamos rever o que é o processo de combustão. É a queima de uma mistura de ar-combustível numa câmara fechada. Essa mistura deve queimar de forma homogênea, quase que sistemática através da câmara, com a frente de chama se originando na vela de ignição e progredindo através da câmara de forma tridimensional. Similar a uma gota caindo dentro de um copo cheio, com as ondas correndo para fora do ponto de impacto da gota, a frente de chama deve progredir da mesma maneira, até o momento que ela termina e cessa, nas paredes da câmara de combustão e na cabeça do pistão. A queima deve ser completa, sem resíduos de mistura. Note que a mistura não explode, e sim queima de forma suave.
Existe outro fator que engenheiros procuram para quantificar a qualidade da combustão. É o chamado "localização do pico de pressão" (LPP). Ele é medido através de um sensor de pressão posicionado estrategicamente na câmara de combustão. Idealmente, o pico de pressão deve ocorrer a cerca de 14 graus após o PMS. Dependendo do desenho da câmara e da velocidade da queima, se a faísca ocorrer no momento correto em, digamos 20 graus APMS, a frente de chama irá percorrer a câmara e a pressão irá subir, até atingir seu pico, que deverá ocorrer quando o pistão estiver em 14 graus DPMS. o LPP é um fator mecânico, assim como o motor também é um dispositivo mecânico. Se o LPP não estiver em 14 graus DPMS, o motor não terá rendimento máximo. O pistão pode subir e descer na velocidade que for, mas o LPP deve ser sempre em 14 graus DPMS para qualquer motor.
Falei do LPP para ilustrar a idéia de que existe um padrão para a forma como a pressão interna da câmara sobe (compressão e combustão) e desce (descida do pistão e abertura da válvula de escape) e pode ser considerada normal se ela for suave, controlada e o pico de pressão acontecer em 14 graus DPMS.


fig1:gráfico mostrando linhas de pressão durante o ciclo de explosão de um motor.

Nossa definição de um processo normal de combustão diz que ele começa na hora da centelha da vela, progride através da câmara até se completar e tem seu pico de pressão em 14 graus DPMS.
Confusão e um monte de dúvidas existem sobre DETONAÇÃO e PRÉ-IGNIÇÃO.
Pode-se ouvir algumas vezes um termo errado como Pré-Detonação. Detonação é um fenômeno de combustão descontrolada. Pré-Ignição é outro fenômeno de combustão descontrolada. Os dois, como falaremos adiante, são fenômenos distintos e também podem causar quebras de forma distinta.

Definições chave:

Detonação: Detonação é a combustão expontânea da mistura ainda não queimada na câmara. Ela sempre ocorre DEPOIS que a combustão normal se iniciou pela faísca da vela. A combustão é iniciada na vela e a frente de chama segue normalmente como uma combustão normal. Por alguma razão, como calor e pressão, o resto da mistura ainda não queimada entra em combustão expontânea. O fator chave é que a detonação ocorre sempre depois que a queima normal se iniciou pela faísca da vela.

Pré-ignição: Pré-ignição é definida como a ignição da mistura antes da vela soltar a faísca. Qualquer coisa que cause a combustão da mistura ANTES da faísca da vela é classificada como pré-ignição. Os dois são fenômenos completamente diferentes e anormais num motor funcionando corretamente.


DETONAÇÃO
A mistura ainda não queimada, sob pressão crescente e calor (proveniente do processo normal de combustão e das paredes quentes da câmara), entra em queima expontaneamente, com ignição proveniente apenas do intenso calor e pressão. A mistura remanescente simplesmente não tem octanagem suficiente para permanecer estável sob essa combinação de calor e pressão.
Detonação causa um pico muito abrupto de elevação de pressão na câmara mas ela é de duração muito curta. Se você observar a curva de um gráfico de pressão da câmara observará que a queima normal eleva a pressão normalmente, então, do nada aparece uma pico muito acentuado, quando ocorre a detonação. Esse pico sempre ocorre depois da vela ter soltado a faísca. Esse pico de pressão na câmara causa uma "martelada" na câmara de combustão. Isso faz com que a estrutura do motor vibre, ou ressone, como se fosse atingida mesmo por um martelo. A ressonância que é caracteristica da detonação ocorre a cerca de 6400Hz. Então o grilar que você ouve nada mais é que a reação da estrutura do motor contra os picos de pressão. Esse ruído é chamado normalmente de batida de pino. Esse ruído muda muito pouco entre os motores com bloco de alumínio e os de ferro fundido. É exatamente esse ruído que o sensor de detonação captura. Os sensores de detonação são sintonizados para 6400Hz para justamente distinguir esse ruído característico de batida de pino. Outra coisa erradamente difundida é que o ruído da batida de pino é proveniente das duas frentes de chama se encontrando. Embora isso também cause uma elevação de pressão na câmara, o ruído que você ouve é na verdade a estrutura do motor vibrando devido aos picos de pressão.
Uma coisa que deve ser entendida é que detonação não é necessariamente destrutiva. Muitos motores convivem com detonação leve ou até mesmo moderada. Alguns motores conseguem sustentar períodos longos de detonação sem apresentar danos. Se você dirige um carro com muito avanço na ignição em estrada, você poderá ouví-lo grilar. Ele pode rodar dessa maneira por centenas de quilômetros. Detonação não é necessariamente destrutiva. Não é uma ótima situação, mas também não é garantia de quebra imediata.
Quanto maior a potência específica do motor, maior a sensibilidade à detonação. Um motor com 40Hp/L consegue conviver com moderados indices de detonação dem dano algum. Mas um motor de 120Hp/L, se detonar, provavelmente será danificado muito rápido, questão de minutos mesmo.

Detonação causa 3 tipos de quebra:
· Dano mecânico - quebra de canaletas.
· Erosão - cabeça do pistão "jateada".
· Sobreaquecimento - travamento da saia do pistão no cilindro e riscos na camisa, causados pelo sobreaquecimento e dilatação do pistão.

Os impactos dos picos de pressão na câmara causam fraturas. Eles podem quebrar os eletrodos das velas, e os cacos de porcelana soltos causam quebras de canaletas e até mesmo quebras de válvulas e sedes. As canaletas do pistão, tanto a do primeiro como a do segundo anel são muito susceptíveis a quebras por causa da detonação. Um pistão com a canaleta do segundo anel quebrada é quase certeza de dano causado por detonação.
Outra coisa que detonação causa é aparencia de jateamento na cabeça do pistão. O pistão terá essa aparência próxima as extremidades se foi sujeito à detonação. Num microscópio essa parte do pistão terá a aparência de um queijo suíço. A detonação, mecanicamente falando, consegue causar erosão, cavocando a superfície do pistão. É esperado você ver essa aparência jateada no cabeçote, nas partes da câmara mais distantes da vela. Se pensarmos a respeito, é natural que isso ocorra, pois assim que a frente de chama começa na vela, ela atravessa a extensão da câmara até chegar nas partes mais quentes, onde ocorre a combustão expontânea da mistura ainda não queimada. São nas partes mais quentes da câmara que encontramos os sinais de detonação, como em alguns motores, próximas as válvulas de escape. Nesses casos, a mistura não queimada é aquecida até detonar por causa do calor residual das válvulas de escape.


fig2: vela com cerâmica fraturada pela detonação

Em um motor de 4 válvulas por cilindro com desenho da câmara tipo "pent-roof" com a vela no centro da câmara, a distância entre a vela e as paredes da câmara é bem uniforme em qualquer direção, porém poderemos ver sinais de detonação na junção entre as duas válvulas de escape, justamente por ser a área mais quente da câmara. Se ocorrer o dano, ele será visível na área onde a mistura ainda não queimada estiver mais quente.
Por causa desse pico de pressão ser muito severo e curto ele pode até mesmo destruir ou perfurar a camada de gás protetora que recobre o pistão. A temperatura da combustão excede 1200ºC. Se você expor um pistão de alumínio diretamente a essa temperatura, ele simplesmente derrete. A razão pelo qual isso não ocorre num motor é por causa da inércia térmica e de uma camada isolante do próprio gás da combustão de alguns mícrons de espessura que fica sobre a cabeça do pistão. Essa camada isola a chama do metal do pistão e faz com que a frente de chama termine, ao encontrar essa parte relativamente fria do pistão. Essa combinação de fenômenos protege a câmara de absorver calor em excesso. Porém sob condições extremas da onda de choque da detonação, essa camada protetora é destruída, permitindo que temperatura em excesso atinja essas superfícies metálicas desprotegidas.
Motores em detonação tendem a sobreaquecer, por causa da camada isolante protetora ter sido destruída e isso faz com que o calor chegue as paredes do cabeçote, por consequencia ao líquido de arrefecimento. Com isso, ele sobreaquece. Sobreaquecendo, as partes metálicas ficam mais quentes e transferem esse calor à mistura não queimada, que entra em detonação novamente e isso vira uma bola de neve. É por isso que um motor quente demais tem facilidade para detonar e um motor detonando acaba fervendo.



fig3: vela erodida pela detonaçãp leve durante longo tempo

Você já pode ter visto um pistão que travou e tem as marcas dos "4 lados" (um pistão é redondo e teoricamente não tem 4 lados né?). Se você observar o pistão por baixo, verá o alojamento do pino. Se observar os alojamentos, verá que lá ele é sólido e sem flexibilidade. Ele expande até encostar nas paredes do cilindro. Por outro lado, a saia é fina e relativamente flexivel. Se ela esquenta, ela pode fletir. A cabeça do pistão é menor que a saia justamente para não encostar nas paredes do cilindro. Então se um pistão aquece demais por causa da detonação, ele expande até travar no cilindro, causando 4 marcas bem onde estão os cantos do alojamento do pino do pistão. Muitas vezes, o dano é só esse, o que nos faz diagnosticar erradamente uma folga de cilindro demasiada apertada, quando a causa é detonação.
Da mesma forma, um motor rodando em WOT pode estar perfeito, graças a uma mistura mais gorda nessa condição. Ao tirar um pouco o pé, mas não muito, a injeção sai de WOT e entra em closed loop rodando em lambda 1. A mistura emagrece e nessa hora pode ocorrer a detonação. O pistão dilata e trava. O motor quebra e o laudo da quebra não leva em consideração a detonação simplesmente pq a quebra não ocorreu em WOT.
É necessário fixar a idéia que os picos de pressão causados pela detonação ocorrem depois da vela ter iniciado a combustão normalmente. Ela pode ocorrer até mesmo depois do PMS, com o pistão já descendo. Você tem alta pressão na câmara de qualquer jeito com a queima, mesmo normal. A pressão empurra o pistão pra baixo como normalmente se espera e mesmo assim, pode ter um pico de pressão que faz com que o motor grile.


Fig.4: Cabeçote com indício de detonação. Note a erosão na borda superior. Longe da vela que fica no centro da câmara

Causas da detonação
A detonação é influenciada pelo desenho da câmara (formato, tamanho, geometria, posição da vela), taxa de compressão, ponto de ignição, temperatura da mistura, temperatura da câmara e octanagem do combustível. Muito avanço inicia a combustão cedo demais e isso aumenta tanto a pressão da câmara que o resto da mistura entra em combustão expontaneamente. Reduzindo o avanço irá parar a detonação. A octanagem do combustível na realidade não é mágica. A octanagem é a capacidade de resistência à detonação. Ela é determinada empiricamente num motor especial de aferição e testes onde você o alimenta com o combustível, determina a taxa de compressão em que ele começa a detonar e compara o resultado com um combustível padrão de 100 octanas. Esse é o valor de octanagem do combustível testado. Um combustível pode ter aditivos que elevam seu índice de octanagem, ou ter um alto índice naturalmente. O álcool, por exemplo, tem um excelente índice de octanagem principalmente porque ele esfria a mistura ao ser vaporizado graças ao seu elevado calor latente. Se o seu combustível tem octanagem inferior ao que seu motor exige devido a taxa ou ao avanço de ignição, a detonação ocorre, causando os efeitos descritos anteriormente.
Motores seriados são otimizados para o combustível que o mercado oferece. Engenheiros usam o termo chamado (MBT - Minimum spark for Best Torque) para eficiência e máxima potência. É desejável que o motor trabalhe no MBT na maioria do tempo. Por exemplo, numa condição específica (digamos WOT, 4000RPM, MAP em 890mBar), o motor sendo mapeado no dinamômetro e com combustível livre de detonação, é variado o ponto de ignição. Haverá um valor avanço em que o torque será máximo naquela condição. Com menos avanço o torque cai, com mais avanço o torque não sobe.
Agora nosso motor feito originalmente para gasolina de alta octanagem foi calibrado para 20 graus de avanço naquela condição. Colocamos gasolina comum e ele detona com somente 20 graus de avanço. Voltamos o avanço para 10 graus e a detonacão para. Ele não detona mais, mas com 10 graus, o motor não está mais com eficiência máxima. O motor tem seu torque reduzido em 5-6%. Isso é uma situação inaceitável. Para otimizar o motor para gasolina comum os engenheiros devem baixar a taxa de compressão para um incremento do avanço de ignição e voltar ao MBT. O resultado, normalmente é uma perca de somente 1-2% no torque pela queda na taxa. Nesse caso é um efeito colateral pequeno, aceitável. Apenas extensos ensaios do motor num dinamômetro pode determinar o quanto de compressão um motor pode ter e com qual avanço de ignição trabalhar.
Enfatizando, a escolha da taxa de compressõa é feita tendo em vista a máxima eficiência/potência utilizando o combustível disponível. Muitas vezes, em preparação ocorre o contrário. A taxa é elevada e o preparador tenta encontrar o combustível compatível, ou retarda o avanço para conviver com a situação. Ou pior ainda, sofre com as quebras devido à detonação.
Outra coisa que pode ser feita é aumentar a velocidade de queima da câmara de combustão. É por isso que ouvimos falar em câmaras de queima rápida nos motores mais modernos. O fato é que quanto mais rápida a queima da mistura na câmara, mais tolerante a detonação o motor é. É um fenômeno simples: quanto mais rápido a mistura queima, menos tempo ela tem em contato com as partes quentes para detonar. Se ela não tem tempo para aquecer em contato com as partes quentes da câmara, ela não entra em combustão expontânea.
Se, por outro lado, você tem um cabeçote com queima muito lenta, como motores projetados nos anos 60, você precisa de avanços de quase 40 graus na ignição. Por causa do ponto de pressão máxima de 14 graus DPMS não mudar, você precisa soltar a faísca bem cedo e esse tempo em excesso faz com que a mistura não queimada aqueça bastante, podendo facilmente entrar em combustão expontânea, já que ela está sofrendo os efeitos do calor e pressão enquanto a frente de chama não chega. Já se temos uma câmara de queima rápida, e nosso avanço ótimo é em 15 graus APMS, nós reduzimos consideravelmente a janela para a detonação ocorrer. É um fen6omeno mecânico. Essa é uma das vantagens de uma câmara de queima rápida, ela é resistente a detonação.
Existem outras vantagens também, pois quanto mais rápido a velocidade de queima, menos avanço se usa, e por isso mesmo, o pistão tem menos tempo trabalhando contra a elevação da presssão da câmara e desperdiça menos potência. As perdas de bombeamento são menores. Em outras palavras, se soltamos a faísca em 38 graus APMS, o pistão ainda movendo-se para cima tem que trabalhar contra a pressão por 38 graus. Se você solta a faísca em 20 graus, ele somente encontra resistência por 20 graus, até a pressão da câmara empurrar ele para baixo novamente, no ciclo descendente. Isso torna o motor mecanicamente mais eficiente.
E existem ainda muitas outras razões pela qual se investem em projetos de câmara de queima rápida.


O desenho da câmara e sua influência na detonação
Nos EUA, berço dos carros de rua preparados, um dos motores que os preparadores são familiares é o Chrisler Hemi. O motor tem uma câmara de combustão que parece uma meia-laranja grande de tão redonda. Hemisférica no desenho e na nomenclatura. As duas válvulas ficam nas laterais da câmara e a vela bem no topo central. A mistura queima "descendo" através da câmara. Esse desenho funcionou muito bem em carros de série, mas as versões de corrida dos Hemi tiveram problemas. Por causa da câmara ser tão grande e o diâmetro dos pistões idem, o volume da câmara também era enorme. Era difícil conseguir taxas elevadas. Preparadores colocavam pistões cabeçudos para aumentar a taxa. Se era necessário ir a extremos, e usar taxas de 13 ou 14:1, os pistões tinham que praticamente espelhar o formato da câmara com o motor em PMS. O volume que sobrava era simplesmente a casca da meia laranja. Quando a vela soltava a faísca, a mistura queimava muito lentamente, percorrendo a câmara enorme como se fossem aqueles exploradores de cavernas que se arrastam pelos vãos que mal cabem uma pessoal deitada. Esses motores, por causa do desenho da câmara precisavam de ponto de ignição extremamente adiantado, coisa de 40-45 graus. Com esse avanço todo, a possibilidade de detonação era iminente, o que forçava o uso de combustível de alta octanagem. Os Hemi eram sensíveis na hora do acerto das curvas de avanço. Como eram motores com alta potência específica e girando sempre em altas RPM, qualquer descuido e coisas ruins poderiam acontecer sem aviso.
Motores Hemi de corrida eram acostumados a quebrar canaletas, e por causa disso, ter os pistões aqueciam demais por causa do blow-by (gases quentes descendo pelas laterais do pistão), travavam no cilindro e finalmente quebravam em pedaços. Ninguém entendia o porquê. Hoje sabemos que o desenho das câmaras do Hemi estão no extremo ruim dos projetos de câmara de combustão. Uma câmara pequena e compacta é o melhor desenho. É por isso que as câmaras de 4 válvulas "pent-roof" são tão populares. Quanto mais achatada a câmara, menor o volume dela com o pistão em PMS, menor o tamanho do domo requerido para aumentar a taxa. É possível conseguir altas taxas mesmo com pistões retos sem domo, conseguindo um caminho curto para a frente de chama e excelente movimento da mistura pela câmara num desenho bem estudado.
Vejam o desenho dos pistões da maioria do motores de 4 válvulas por cilindro modernos: todos com pistão de cabeça plana e sem domo, resultado de uma câmara de combustão bem desenhada e isso não impede que eles tenham mais de 10:1 de taxa.


fig.5: Câmaras de combustão “pent-roof”. Note a simetria da câmara. A vela fica no centro enquantoas bordas da câmara agem como área de squish.

Indicadores de detonação:
O melhor indicador de que a detonação está ocorrendo é o som característico do grilado, principalmente nos modelos mais antigos rodando com baixa rotação e alta carga. É difícil ouvir o grilar em carros mais luxuosos com o isolamento acústico de hoje em dia. Num carro com escape esportivo também é difícil ouvir o ruído da detonação. O ponto é que se é difícil ouvir o barulho do grilar, é difícil saber se o motor está detonando. Em alguns casos, o motor pode fumar, mas não é regra. Canaletas quebradas são os indicadores típicos de detonação, mas nem sempre são detectados com o motor em funcionamento. Se o motor apresenta sinais visuais de detonação, como eletrodos de vela derretidos ou porcelana quebrada, é sinal que a detonação já ocorreu num nível exagerado e a desmontagem do motor se faz necessária para averiguação dos pistões, antes que uma quebra mais séria ocorra, resultado desses indicadores visuais.
Também é complicado reconhecer o ruído do grilar num ensaio de dinamômetro com o operador numa sala isolada acusticamente separada do motor. Uma técnica frequentemente utilizada, mesmo em modernas salas de ensaio é a tradicional mangueira estetoscópio. Uma mangueira é colocada com uma extremidade próximo ao bloco do motor enquando a outra fica na sala de operação do dino, acoplada a um "headphone" adaptado à mangueira. Esse método também é muito comum em ensaios na estrada, com engenheiros analisando o comportamento do motor quando há suspeita de detonação em uso normal através do "estetoscópio". Experimente fazer isso no seu carro. Você ficará espantado de saber como é fácil de distinguir os diversos sons do motor do seu carro.
Outra técnica, menos sensível, mas utilizável se bem aplicada, é observar a EGT (temperatura dos gases do escape). Detonação irá na realidade baixar a temperatura dos gases. Essa aparente controvérsia engana muitos preparadores, pois observando a EGT, tem-se a falsa impressão de que se está no limite seguro, e o único motivo de que a EGT está baixa é porque o motor está detonando. É fácil de entender por que a EGT cai: O calor que deveria estar indo pra fora do motor, pelos gases de escape, está indo pras paredes metálicas do cabeçote, pistão e cilindro, por causa da destruição da camada protetora de gás e consequentemente pro líquido de arrefecimento, fazendo o motor todo esquentar.
A única maneira de saber o que está acontecendo é estar muito familiarizado com o suas leituras de EGT numa determinada situação, já que as calibrações e a posição dos termopares variam. Se por exemplo, você está acostumado a ler 850ºC graus numa determinada situação e de repente a leitura cai pra 750ºC sem alterar o regime do motor, você deve entrar em alerta máximo para possível ou iminente detonação. qualquer queda anormal da EGT é razão para preocupação. Usando o "estetoscópio" nos acertos finais, e aferindo cuidadosamente a EGT, ao invés de apenas ouvir de longe seu motor, é a única maneira de reconhecer a detonação de forma sólida. A boa notícia é que a maioria do motores conseguem sobreviver a moderados níveis de detonação por algum tempo. Não é causa de quebra imediata.

PRÉ-IGNIÇÃO
A definição de pré-ignição é a ignição da mistura antes da vela soltar a faísca. Pré-ignição causada por outra fonte de ignição como um eletrodo de vela incandescente, depósito de carbono num canto da câmara de combustão e mais raramente, uma válvula de escape queimada. Todos eles causam ignição por temperatura, como se fosse uma vela aquecedora de motor Diesel.
Tenha sempre em mente essa sequencia quando estiver analizando a pré-ignição: A mistura entra na câmara conforme o pistão desce, aspirando-a. O pistão então reverte a direção, passando a subir, começando a comprimir a mistura. Desde que a tensão necessária para causar a faísca e ignição da mistura é maior quanto maior a pressão da mesma, qualquer coisa pode causar a ignição dela enquanto o pistão está próximo do PMI. Em PMI ou até mesmo antes dele é a hora mais fácil de ocorrer uma ignição indesejada. E começa a ser mais difícil disso ocorrer conforme o pistão e a pressão começam a subir.
Um ponto incandescente em algum lugar da câmara é o ponto mais provável para a pré-ignição ocorrer. É de fácil entendimento, que se você tiver um eletrodo de vela incandescente, ou um depósito de carvão aceso, ele pode causar ignição da mistura muito cedo, com o pistão ainda começando a subir. Pode-se imaginar o resultado sem fazer força: Por todo o ciclo de compressão ou uma grande parte dele, o motor está tentando comprimir uma grande massa de gás quente expandido. Isso obviamente coloca uma tremenda carga no motor e descarrega um tremendo calor nas partes metálicas. Danos substanciais ocorrem em muito pouco tempo. Você não ouve isso ocorrer porque não existe picos de pressão. Isso tudo ocorre antes da vela soltar a faísca.


fig.6:velas com depósitos que incandescem

Lembre-se, com detonação é diferente: A vela solta a faísca que começa a queimar a mistura e então um pico de pressão ocorre depois disso, quando ocorre a detonação. É isso que você ouve. Com pré-ignição, a ignição da mistura ocorre muito antes da faísca da vela, nesse exemplo, ocorre praticamente com o início do ciclo de compressão. Não há picos de pressão como ocorre na detonação, ao contrário, existe ma pressão altíssima que dura por um período de tempo longo, como praticamente todo o ciclo de compressão. É isso que estressa os componentes. Não existe os picos que fazem o motor ressonar e grilar, então você nunca a ouve, o motor simplesmente quebra! É por isso que pre-ignição é tão maligna. É extremamente difícil detectar enquanto está ocorrendo, você só descobre que ocorreu depois da quebra. Ela causa quebras catastróficas muito rapidamente por causa do calor e pressão tão intensa.


fig.7:válvulas de escape queimadas são pontos de calor que geram pré-ignição

Um motor consegue viver com detonação ocorrendo por um período de tempo considerável, falando a grosso modo. Mas não existe motor que consegue suportar qualquer período de tempo com pré-ignição. Quando se vê canaletas quebradas, erradamente culpam a pré-ignição e se esquecem do grilar da detonação que causou esse tipo de quebra. Um furo na cabeça do pistão, particularmente um furo derretido no meio da cabeça acontece por causa do extremo calor e pressão da pré-ignição.
Outros sinais de pré-ignição são velas derretidas com a porcelana e eletrodos com aparência escorrida. Muitas vezes, uma vela com pré-ignição terá seu eletrodo de terra arrancado fora e o que restou terá aparência de ter sido derretida com um maçarico. Esse é um sinal absoluto de pré-ignição.


fig.8:furo na cabeça do pistão resultado da pré-ignição

Quando a vela esquenta demais, pode derreter e aí sim será a fonte de pré-ignição. A vela pode até derreter sem a pré-ignição ocorrer, mas uma vela derretida é tudo que o motor precisa para que ela comece.
O indicador típico de pré-ignição, com certeza é um pistão com furo. Isso ocorre por causa dele estar tentando comprimir mistura já queimada, e faz com que ele absorva uma grande quantidade de calor muito rapidamente. As únicas peças que sobrevivem são as que possuem uma grande inércia térmica tais como o cabeçote e o bloco. O pistão, sendo de alumínio, tem uma inércia térmica muito baixa (ele absorve e acumula calor muito rapidamente). Por causa da cabeça do pistão ser relativamente fina, ela não consegue rejeitar o calor, e acaba esquentando demasiadamente e amolece, e por estar em contato direto com a pressão extrema dos gases queimados, cede e ocorre a perfuração da cabeça, onde o pistão é mais fraco.


fig.9istão derretido por pré-ignição súbita

Quero enfatizar que quando se fala em pré-ignição, os preparadores normalmente aceitam o fato de que a ignição da mistura ocorre antes da faísca da vela, porém, acredito que eles limitam o ocorrido a cerca de 5 a 10 graus antes da vela soltar a faísca. O que tem que ser aceito é que o ponto de início da pré-ignição é muito antes disso, normalmente com o pistão em PMI, coisa de 160 graus antes da faísca porque essa é a hora mais fácil de ocorrer o início da combustão caso haja um ponto incandescente na câmara. Estamos falando de coisa de 160-180 graus de gás quente estar sendo comprimido, que normalmente estaria sendo comprimido frio. Um pistão irá aguentar apenas alguns ciclos desse stress antes de quebrar. Já com detonação, ele pode ser martelado por segundos, minutos ou horas, dependendo da potência do motor e carga que ele está sujeito, antes da quebra ocorrer. Com pré-ignição, a quebra é quase instantânea.
Quando a temperatura na cabeça do pistão sobe rapidamente, ela não tem tempo de transferir o calor pras saias, para que ele expanda por completo e trave no cilindro. Ela simplesmente derrete e fura. Essa é a principal diferença entre a pré-ignição e a detonação quando analizamos uma quebra de pistão. Sem um pico de pressão para fazer com que o o motor grile, você nunca ouvirá a pré-ignição. O único sinal de pré-ignição que dá pra ver é um rastro de fumaça branca saindo pelo escape e o motor pára.


fig.10: Uma vela que sofreu pré-ignição terá seus eletrodos derretidos e com aparência escorrida.

Um motor não irá funcionar por mais que alguns segundos com pré-ignição. A única forma de controlar a pré-ignição é manter as fontes dela longe do seu motor. Velas devem ser cuidadosamente casadas com o grau térmico requerido pelo seu motor. Motores de corrida usam velas frias e misturas relativamente ricas. O índice térmico das velas também é afetado pela temperatura do líquido de arrefecimento. Uma vela com índice térmico no limite pode induzir a pré-ignição quando o cabeçote aquecer demais (líquido de arrefecimento quente demais ou fluxo insuficiente). Também uma vela com rosca suja ou enferrujada não consegue dissipar o calor pro cabeçote e esquenta demais. Nesse caso uma vela com índice térmico no limite pode causar pré-ignição.
Carros de rua convivem frequentemente com um dilema: Velas muito frias ficam sujas e com fuligem quando rodando em regime normal exigindo manutenção constante e velas quentes podem ser adequadas pra uso urbano mas não resistem trabalhar em WOT por muito tempo num carro preparado.
Existe uma técnica de se medir se a vela é adequada para trabalhar em WOT sem apresentar pré-ignição. A temperatura do eletrodo central é medida através de um diodo para bloquear a corrente reversa da faísca, usando-se um miliamperímetro em conjunto com uma pequena bateria para fornecer a corrente de teste necessária.
Conforme o eletrodo da vela esquenta, ele tende a ionizar o gap da vela e esse gap ionizado permite que passe uma pequena corrente alétrica, acusada no miliamperímetro. O motor é colocado em WOT com carga e o mostrador é monitorado cuidadosamente. Com experiência adquirida, os engenheiros sabem o que esperar da leitura. Basicamente uma leitura muito baixa e constante. Mas se de uma hora pra outra o eletrodo central aquece demais e torna-se incandescente, o ar ionizado torna-se condutor permitindo que a corrente aumente muito e o mostrador sai fora de escala. Quando isso acontece, é hora de cessar imediatamente o funcionamento do motor para evitar danos maiores.
Nos anos 80, quando a potência específica dos motores era coisa de 30-40Hp/l, era possível induzir um motor a pré-ignição usando velas quentes e emagrecendo a mistura para observar quão perto se estava do limite, observando a leitura do miliamperímetro, e mesmo assim ter tempo (alguns segundos) para tirar o pé e evitar danos.
Com motores modernos na casa dos 70-80Hp/l em 6000RPM, se o miliamperímetro apenas move o ponteiro além do nominal, o motor já quebrou. É rápido assim! Quando se desmonta o motor, acha-se sinais evidentes do dano. Pode ser até mesmo uma simples vela derretida. Mas pre-ignição acontece tão rápido que não dá tempo de reagir.
Se as partidas a frio e velas sujas exigindo manutenção constante não são problema, use-as mais frias possíveis. Um caso típico de velas extremamente frias são motores de NASCAR. Por causa da principal fonte de pré-ignição (velas) ser eliminada, usando velas demasiado frias, pode-se empobrecer a mistura o máximo possível para economizar combustível e usar o máximo de avanço possível, mesmo sob risco de detonação leve. Essas velas são terríveis para partida a frio, podendo carbonizar só de manter o motor na marcha lenta por períodos de tempo prolongado, mas rodando em WOT a 8000RPM, elas cumprem seu papel. Eles eliminaram a variável que poderia induzir pre-ignição.
Engenheiros e mapeadores normalmente usam velas bem frias enquanto estão fazendo o mapeamento inicial de um motor para evitar pré-ignição. Motores depois de mapeados requerem velas bem mais quentes para terem características utilizáveis de partida a frio e resistência a carbonização das velas. Para evitar a pré-ignição, velas quentas são compensadas tendo-se a certeza de uma mistura rica o suficiente em WOT para evitar o aquecimento anormal dos eletrodos em situações de alta carga e alta temperatura, e então eliminar a possibilidade de pré-ignição causada pelas velas quentes demais.
Considere o motor Northstar, um motor de concepção moderna também comum nos EUA. Se você faz uma puxada de 0-100 em WOT, o motor irá acelerar até cerca de 6000RPM com mistura em torno de 11,5 a 12:1 (note bem, estou falando de mistura, relação estequiométrica, não de taxa de compressão) Mas sob carga constante, a cada 20s mais ou menos a injeção dá uma enriquecida na mistura até cerca de 10:1. Isso ocorre para que as velas sejam resfriadas bem como a cabeça do pistão. Esse enriquecimento é necessário caso você rode por períodos de tempo prolongados em WOT. Uma pequena penalidade na economia e na potência é o resultado. Para ter aceleração máxima no motor, você pode na realidade empobrecer um pouco a mistura, mas sob carga total, ele tem que trabalhar com mistura rica. Motores com alta potência específica são muito mais sensíveis aos danos de pré-ignição porque eles estão girando mais, consequentemente gerando mais calor e queimando mais combustível. Velas tem tendência em trabalhar mais quentes com alta potência específica então o tempo de reação aos danos nesse tipo de motor é mínimo.
Um carburador corretamente acertado para um motor de arrancada jamais trabalharia bem num carro de circuito, nem mesmo em carros de passeio, pois ele faria o motor sobreaquecer e causar pré-ignição. Mas numa puxada de 10 segundos, pré-ignição não ocorre por falta de tempo, então os dragsters não precisam se preocupar com isso e podem rodar com mistura mais pobre, que gera mais potência. As diferenças em acerto para carros de arrancada e circuito são enormes. É por isso que um motor de arrancada seria uma escolha errada num carro de circuito.

Um pouco de areia
Existe uma situação chamada pré-ignição causada por detonação. Não quero parecer que tenho 2 pesos e 2 medidas, mas isso na realidade ocorre. Imagine um motor sob alta carga começando a detonar. A detonação persiste por um período de tempo extenso e a vela começa a esquentar demais por causa da perda da camada isolante que envolve os eletrodos das velas. A temperatura da vela sobe anormalmente e chega a incandescer, até o ponto de ser fonte de pré-ignição. Quando o motor quebra, ao analizar os danos, pode-se classificar o evento como pré-ignição causada por detonação. Não haveria risco de pré-ignição se a detonação não tivesse começado. Sinais aparentes dos dois fenômenos serão evidentes nas peças do motor.
Tipicamente, é isso que observamos em carros de passeio. Os motores convivem e sobrevivem por longos períodos de tempo com detonação. Na realidade, são feitos muitos testes com pistões trabalhando com detonação induzida artificialmente, para se avaliar a qualidade e a resistência dos pistões nessa condição de trabalho, principalmente em regime de torque máximo. Os pistões devem passar em todos os testes, já que em uso normal eles estarão sujeitos a essas condições. Agora em condições extremas, como temperatura excessiva do motor, ou combustível de qualidade ruim, as velas podem incandescer e causar pré-ignição. Em carros de passeio, quando vemos esse tipo de quebra, muito provavelmente aconteceu por pré-ignição causada por detonação.
Quero salientar que qualquer experimento deve ser feito com muita cautela utilizando motores de alta potência específica. Motores com baixa potência específica podem perdoar falhas na hora dos experimentos, mas motores de alta potência específica não aguentam desaforos. Ao calibrar injeções em motores modernos, comece sempre com mistura rica e pouco avanço de ponto, use velas frias e fique de olho na EGT.
Por enquanto é só isso que tenho a comentar sobre esse assunto, e já é um bom início para experimentações. Qualquer comentário a respeito dessas linhas será bem-vindo. Lembre-se que cada caso é diferente de outro e sempre inicie do zero sem pular nenhuma etapa quando estiver trabalhando em um projeto novo.

Luiz Henrique Piu - piubrazil@hotmail.com


VEJAM ESTE SVIDEOS A RESPEITO DE ECONOMIA DE COMBUSTIVEL, MUITO INTERESSANTE
PRINCIPALMENTE AOS LEIGOS QUE QUEREM ECONOMIZAR COMBUSTIVEL A TODO CUSTO.

Como reduzir o consumo de combustível ?




Detonação e pré ignição. Coisas completamente distintas.