Métodos de detecção do fenômeno de detonação

Figura 3 - Circuito Corrente Iônica.

Os métodos de detecção do fenômeno podem ser classificados em duas categorias: métodos de medição direta ou indireta. A primeira categoria se caracteriza por realizar a detecção dentro da câmera de combustão, estando em contato direto com o processo de combustão. O segundo método analisa os efeitos decorrentes, como a vibração do motor. Esse artigo irá apresentar alguns métodos de detecção do fenômeno de detonação começando pelos métodos de detecção dentro da câmera de combustão e em seguida, apresenta os métodos que analisam os efeitos decorrentes da detonação.

 

 

Método utilizando o sensor de pressão da combustão

 

A medição é realizada por um sensor de pressão instalado dentro da câmara de combustão e analisa diretamente a sua pressão. Este método é empregado durante o processo de calibração do motor e para pesquisa experimental. Este método tem a vantagem de permitir a aquisição integral de todas as oscilações dentro da câmara de combustão. E suas desvantagens são o alto custo e o design do cabeçote por não conter espaço para abrigar o sensor.

 

Um dos métodos utilizados para se medir a pressão é através da referência de intensidade luminosa. Nesse método, o sensor é incorporado junto à vela de ignição e utilizam-se duas fibras óticas, um LED, fotodiodo e um diafragma de metal para a medição da pressão no interior do cilindro. A fibra ótica é posicionada em frente a um diafragma de metal, como ilustra a figura 1, a luz refletida pelo diafragma para o fotodiodo é proporcional à pressão induzida no mesmo.

 

 

Figura 1 - Sensor de Pressão óptico.

 

O método mais empregado é o que utiliza um elemento piezelétrico. A piezoeletricidade é uma função linear da primeira derivada da força, e a piroeletricidade é função linear da primeira derivada da temperatura, em um sensor do tipo piezelétrico o efeito da piroeletricidade é pequeno, logo a pressão pode ser obtida através da integração do sinal gerado pelo material piezelétrico. A figura 2 ilustra um método de construção de um sensor de pressão piezoelétrico, onde o diafragma de metal está em contato direto com o processo de combustão. O estresse sofrido pelo diafragma é transmitido para o elemento piezo que está preso entre o pedestal e o conjunto formado pelos seguintes elementos: uma haste de transmissão, um hemisférico de metal e de um bloco de transmissão. A função da haste de transmissão é diminuir a transferência de calor para o elemento sensor e a função do hemisférico de metal é de equalizar a força transmitida.

 

Figura 2 - Sensor de pressão Piezelétrico.

 

 

Método utilizando o sensor de vibração mecânica no bloco do motor

 

A medição da intensidade da detonação é realizada através de um sensor montado no bloco do motor, que atua como um meio de propagação para as oscilações originadas internamente nos cilindros. As frequências das oscilações dependem das dimensões e geometria da câmara de combustão, dos modos ressonantes e da velocidade do som local, que varia em função do ponto de operação do veículo.

 

Este método tem as seguintes vantagens: baixo custo do sensor e facilidade de sua instalação no motor. A principal desvantagem é a susceptibilidade do sensor a vibrações do motor, como o fechamento das válvulas de admissão e escape, e vibrações provocadas ao veículo devido a irregularidades na via onde o mesmo trafega.

 

 

Método utilizando a corrente Iônica

 

A corrente iônica é um fenômeno resultante do processo de combustão de hidrocarbonetos, que dá origem a íons e a elétrons livres. Quando um campo elétrico é aplicado através dos eletrodos da vela de ignição, surge uma corrente, denominada corrente iônica. Este método pode ser utilizado para identificar o cilindro que se encontra no processo de combustão e ocorrência de detonação.

 

O método de medição da detonação por corrente iônica se baseia em aplicar um campo elétrico na câmara de combustão durante o processo de combustão para se detectar a ocorrência de detonação.

 

A própria vela de ignição é utilizada como sonda para medição da corrente iônica. A figura 3 ilustra o circuito utilizado em conjunto com a vela de ignição.

 

Figura 3 - Circuito Corrente Iônica.

 

O sinal da corrente iônica resultante se caracteriza por três picos, como ilustrado na figura 4. A origem destes três picos são as seguintes:

 

O primeiro pico está relacionado à centelha que dá início ao processo de combustão e, por isso, pode ser desconsiderado. O segundo pico está relacionado aos íons criados no núcleo da chama perto dos eletrodos. Estes íons são formados através de uma ionização química. O terceiro pico está relacionado aos íons gerados nos gases que já reagiram no processo de combustão. Estes íons são gerados devido à energia liberada pela frente de chama que esquenta os gases já queimados, originando uma ionização térmica.

 

 

Figura 4 - Sinal corrente iônica (uA) em função da posição angular do motor (CAD).

 

 

O fenômeno da detonação pode ser observado através da corrente iônica durante o terceiro pico do sinal. Este sinal está relacionado à ressonância natural da câmara de combustão. O sinal produzido pela corrente iônica pode ser utilizado para se detectar a detonação em condições onde sensores, como o sensor de vibração do motor, são ineficientes. A vantagem desse método é a possibilidade de se realizar a medição dentro do cilindro, evitando perturbações no sinal proveniente de vibrações mecânicas. Entretanto, o método possui uma desvantagem relacionada ao posicionamento do sensor, sendo que o sinal medido é relacionado à posição da vela no interior do cilindro e, dependendo da localização da vela no cilindro, o sensor pode sofrer perturbações que prejudicam a qualidade do sinal.

 

 

Método utilizando a intensidade luminosa do processo de combustão

 

Neste método, a variação na intensidade dos espectros luminosos no interior da câmara de combustão é medida através de um sensor de fibra óptica posicionada através da entrada da vela de ignição, sendo protegida por uma janela de quartzo, safira ou sílica fundida.

 

Este método permite identificar os radicais Metilidina (CH), Formil (HCO), Hidroximetileno (HCHO) e Hidroxila (OH), como indicadores do processo de combustão. Através da análise dos radicais encontrados, pode-se determinar a ocorrência de detonação. Durante o processo de combustão, dois feixes de luz são originados no interior da câmara de combustão: por emissões de luz visível e ultravioleta e emissões infravermelhas. A luz emitida pelo processo atravessa o meio dos gases até entrar em contato com o sensor. Dependendo do posicionamento do sensor, este irá medir diferentes condições do processo de combustão. Um sensor posicionado junto à vela de ignição detecta o processo atrás da frente de chama na região dos gases já queimados, enquanto um sensor posicionado na região final dos gases detecta a frente de chama conforme ela se propaga. A ocorrência de detonação é observável através da alteração da emissão de HCO e OH. Este método tem a vantagem de permitir a medição dentro do cilindro e é imune a perturbações mecânicas.

 

 

Método através da análise da temperatura dos gases de escape

 

A análise da temperatura dos gases de escape pode ser utilizada para se detectar a ocorrência de detonação, quando ocorre a detonação, a temperatura dos gases pode variar em até -75ºC em relação a um processo de combustão normal.

 

As vantagens para este método são que o sinal de temperatura dos gases de escape não é afetado por ruídos do motor, e este método pode ser aplicado para qualquer veículo.

 

Independentemente do método utilizado para se medir a detonação, é necessário um método para se quantificar e analisar o fenômeno, a fim de se determinar a intensidade do mesmo para que seja possível realizar o controle do sistema. Os métodos para quantificar e analisar o fenômeno de detonação pode ser visualizado na seção 2.10 do trabalho completo. E o controle em malha fechada do fenômeno de detonação será apresentado no próximo artigo dessa série.

 

 

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Referência

 

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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