Composição do combustível e o fenômeno de detonação

Este post faz parte da série Controle do fenômeno de detonação (combustão anormal). Leia também os outros posts da série:

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.

 

Ocorrência de 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.

 

Pressão interna do cilindro em função do avanço de ignição.
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.

 

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Referências

 

HAYASHIDA, P.  Desenvolvimento de uma estratégia de controle de detonação para otimização do torque em um motor de combustão interna flex. 2018. 95p. Dissertação (Mestrado em Sistemas Eletrônicos) - Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo, 2018. 

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Cynthia Thamires Da Silva
De Minas Gerais para São Paulo. Mineira, moro em São Paulo a 10 anos. Sou pesquisadora da USP e estou cursando Doutorado em Engenharia Elétrica com ênfase em Gerenciamento Eletrônico da Bateria de Veículos Híbridos. Formada em Eletrônica Automotiva pela FATEC Santo André, Mestre em Engenharia Elétrica e apaixonada por tecnologia automotiva. Desenvolvi diversos projetos na área automotiva e trabalhei por 2 anos na Volkswagen no setor de pós vendas, auxiliando os concessionários na solução de diversos problemas na área elétrica e eletrônica veicular.

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