- Combustão: Normal e Anormal -
COMBUSTÃO, AUTO-IGNIÇÃO (DETONAÇÃO) e PRÉ-IGNIÇÃO Explicados
O autor original, Allen W. Cline , é um talentoso engenheiro de trem de força, atualmente trabalhando na Chrysler em vários motores de última geração. Anteriormente, ele foi um engenheiro-chave de trem de força na GM e desempenhou um papel importante no projeto e desenvolvimento do inovador motor Northstar DOHC de 4 válvulas V8 (para a GM).
A apresentação no artigo do Sr. Cline é baseada em uma experiência tão rica no mundo real, e é muito melhor do que o que eu tinha reunido, que entrei em contato com o Sr. Cline e o Sr. Pat Panzera (editor da CONTACT! ) para pedir permissão para colocá-lo no meu site.
Ambos gentilmente me concederam permissão para usar o artigo em meu site. Assim, com a permissão deles, tomei pequenas liberdades editoriais com o original, em um esforço para esclarecer alguns dos parágrafos e acrescentar um pouco de informação à discussão. No entanto, quero enfatizar que a grande maioria das idéias e conteúdo deste artigo pertencem apenas ao Sr. Cline.
PREFÁCIO
No artigo original do Sr. Cline, ele usa o termo "detonação" para descrever o fenômeno que os especialistas contemporâneos em combustão chamam de "auto-ignição".
É certo que o termo "detonação" está em uso generalizado. No entanto, na busca da precisão técnica, ofereço as seguintes definições.
O termo "detonação" é definido da seguinte forma (da Wikipedia ):
Detonação (do latim detonare {forma infinitiva}, que significa 'trovejar para baixo / adiante') é um tipo de combustão envolvendo uma frente exotérmica supersônica acelerando através de um meio que eventualmente aciona uma onda de choque que se propaga diretamente à sua frente.
As detonações ocorrem em explosivos sólidos e líquidos convencionais e em gases reativos, mas em velocidades muito mais baixas.
A velocidade de detonação em explosivos sólidos e líquidos é muito maior do que nos gasosos, o que permite que o sistema de ondas seja observado com maior detalhe (maior resolução).
Dos escritos do Dr. Andrew Randolph (um publicado { GM, SAE} e especialista prático (NASCAR) em combustão e análise de combustão):
"Os motores não 'detonam'! A 'detonação' requer uma mudança de fase como parte do evento exotérmico ou um bico divergente. A auto-ignição à frente da frente de chama em motores SI (ignição por centelha) é sônica, não supersônica. Portanto, "detonação" não é o termo adequado. Ou "auto-ignição" ou "knock" são descritores corretos, knock referindo-se ao som audível emitido pelas ondas sonoras que atravessam a câmara de combustão a uma velocidade inferior à sônica."
Não é minha intenção criticar o trabalho do Sr. Cline nem criticá-lo de forma alguma. Mas em minhas escassas tentativas de fornecer precisão técnica, substituí o termo "auto-ignição" por "detonação" ao longo do artigo a seguir.
INTRODUÇÃO
Todos os motores de alta potência são propensos a tendências destrutivas como resultado de sobrealimentação, falta de combustível, ajuste incorreto e refrigeração inadequada. À medida que a comunidade de motores se aproxima cada vez mais dos limites de potência, eles geralmente aprendem que os processos de combustão do cilindro podem gravitar rapidamente para a falha do motor.
Este artigo define dois tipos de falhas do motor: (a) detonação e (b) pré-ignição. Essas falhas são de natureza insidiosa porque as causas principais dessas falhas são muitas vezes difíceis de reconhecer. Esta discussão pretende ser apenas uma cartilha sobre esses processos anormais de combustão, já que livros inteiros foram dedicados ao assunto.
Primeiro, vamos revisar a combustão normal em um motor SI (ignição por centelha). Em um evento de “combustão normal” , a combustão da mistura ar-combustível começa na vela de ignição e progride pela câmara de combustão, afastando-se da vela em direção aos limites externos da câmara.
Essa progressão, muitas vezes chamada de “frente da chama” , se move pela câmara de combustão de maneira 3D uniforme e ordenada, a uma taxa razoavelmente constante de aproximadamente 25 metros por segundo. A queima se move por toda a câmara e extingue (esfria) contra as paredes e a coroa do pistão. Idealmente, a queima DEVE ser completa, sem nenhuma mistura ar-combustível restante. Infelizmente, essa queima completa raramente acontece.
Essa progressão de frente de chama pode ser visualizada imaginando uma pedrinha jogada em um lago liso de vidro, que produz ondulações simétricas que se espalham pela superfície. Observe que a mistura não "explode"; queima de forma ordenada.
Os engenheiros estão interessados nos detalhes ocultos do processo de combustão quase desde o início do motor Otto-Cycle. Houve um grande progresso recente no campo da análise de combustão, que é descrito com alguns detalhes em outras partes deste site. Pode ser benéfico ler a página Análise de Combustão (posteriormente será inclusa neste site) em conjunto com este artigo sobre combustão anormal .
Um dos principais parâmetros que os engenheiros de combustão procuram para quantificar a combustão é chamado de "localização do pico de pressão (LPP)". É medido por um transdutor de pressão no cilindro. Idealmente, o LPP deve ocorrer em torno de 14 graus após o ponto morto superior (em um motor naturalmente aspirado. Ele ocorrerá um pouco mais tarde em um motor reforçado. Além disso, a pesquisa atual de análise de combustão sugere que um pico anterior (5 a 8 graus ATC) é realmente mais "ótimo". {jk} ) .
Dependendo do projeto da câmara e da taxa de queima, se alguém iniciasse a faísca em seu momento ideal (20 graus BTDC, por exemplo), a queima progrediria pela câmara e atingiria LPP, ou pressão de pico a 14 graus após o ponto morto superior.
O LPP é um fator mecânico, assim como um motor é um dispositivo mecânico. O pistão só pode subir e descer tão rápido. Se a pressão da câmara atingir o pico muito cedo ou muito tarde no ciclo, esse ciclo não fornecerá a quantidade ideal de trabalho. Portanto, o LPP deve ser 14 graus ATDC para qualquer motor (aspirado naturalmente).
Apresento o LPP agora para ilustrar a ideia de que há um acúmulo de pressão característico (compressão e combustão) e queda (movimento para baixo do pistão e abertura da válvula de escape) durante o processo de combustão que pode ser considerado "normal" se for suave, controlado e seu pico ocorre a 14 graus ATDC.
Nossa definição ampliada de combustão normal agora diz que a queima é iniciada com a vela de ignição, uma boa queima uniforme se move pela câmara, a pressão de pico ocorre em 14 ATDC e a combustão é concluída antes da EVO.
Confusão e muitas dúvidas existem em relação aos assuntos de auto-ignição e pré-ignição . auto-ignição é um fenômeno que é a combustão anormal. A pré-ignição é outro fenômeno diferente que é a combustão anormal. Esses dois fenômenos de combustão anormais são distintamente diferentes e podem induzir modos de falha distintamente diferentes.
DEFINIÇÕES CHAVE
Acendimento automático
A auto-ignição (às vezes chamada de "detonação") é a combustão espontânea do gás final (mistura de combustível/ar restante) na câmara. Sempre ocorre após a combustão normal ser iniciada pela vela de ignição.
A combustão inicial na vela de ignição é seguida por uma queima de combustão normal. Mas em algum ponto durante a queima, provavelmente devido à combinação de calor e pressão na câmara à frente da frente da chama, o gás final na câmara entra em combustão espontânea e instantânea (“explode”). O ponto-chave aqui é que a auto-ignição ocorre após a combustão normal ter sido iniciada com a vela de ignição.
Pré-ignição
A pré-ignição é definida como a ignição da mistura antes do disparo da vela de ignição. Sempre que algo faz com que a mistura na câmara entre em ignição antes do evento da vela de ignição, ela é classificada como pré-ignição. Este fenômeno de combustão anormal é completamente diferente da auto-ignição.
AUTO-IGNIÇÃO
O gás final não queimado, sob pressão e calor crescentes (do processo normal de queima progressiva e metais da câmara de combustão quente) entra em combustão espontânea, inflamado apenas pelo calor e pressão intensos. O combustível restante no gás final simplesmente não possui octanagem suficiente para suportar essa combinação de calor e pressão.
A auto-ignição causa um pico de pressão muito alto e muito acentuado na câmara de combustão, mas é de duração muito curta.
Se você observar um traço de pressão da câmara de combustão durante um evento de auto-ignição, verá um aumento de pressão normal produzido por uma queima normal. Então, de repente, você veria um pico muito acentuado quando a ignição automática ocorresse. Esse pico sempre ocorre após a vela de ignição disparar.
O pico acentuado na pressão cria uma força de impacto na câmara de combustão. Isso faz com que a estrutura do motor soe, ou ressoe, como se fosse atingido por um martelo. A ressonância, que é característica da auto-ignição da combustão, ocorre em aproximadamente 6400 Hertz. Portanto, o ping que você ouve é na verdade a estrutura do motor reagindo aos picos de pressão. Este ruído de auto-ignição é comumente chamado de "detonação de faísca" .
Este ruído muda apenas ligeiramente entre ferro e alumínio. Este ruído ou vibração é o que um sensor de detonação capta. Os sensores de detonação são ajustados para 6400 hertz e eles captarão essa detonação de faísca.
Aliás, o som de batida ou ping não é o resultado do "encontro de duas frentes de chama", como é frequentemente afirmado. Embora esse choque gere um pico, o ruído que você sente vem da vibração da estrutura do motor reagindo ao pico de pressão.
Uma coisa a entender é que a auto-ignição não é necessariamente destrutiva. Muitos motores funcionam sob níveis leves de auto-ignição, às vezes até níveis moderados. Alguns motores podem sustentar períodos muito longos de auto-ignição pesada sem causar danos.
Se você dirigiu um carro que tem muito avanço de faísca na rodovia, você o ouvirá pingando. Ele pode correr dessa maneira por milhares e milhares de quilômetros. a auto-ignição não é uma situação ideal, mas não é uma falha instantânea garantida.
Quanto maior a potência específica (HP por pol³) do motor, maior é a sensibilidade à auto-ignição. Um motor que produz 0,5 HP/in3 ou menos pode sustentar níveis moderados de auto-ignição sem nenhum dano; mas um motor que está fazendo 1,5 HP/in3, se detonar, provavelmente será danificado rapidamente (às vezes em segundos).
A ignição automática causa três tipos de falha:
- Dano mecânico (anel quebrado)
- Abrasão (pitting da coroa do pistão)
- Superaquecimento (saias do pistão desgastadas devido ao excesso de entrada de calor ou altas temperaturas do líquido de arrefecimento)
A natureza de alto impacto do pico de pressão pode causar fraturas. Ele pode quebrar os eletrodos da vela de ignição, quebrar a porcelana ao redor da vela, causar uma fratura limpa do anel e pode realmente causar fratura das cabeças das válvulas - admissão ou escape.
A base do anel do pistão, superior ou secundária, dependendo do projeto do pistão, é suscetível a falhas do tipo fratura. Se eu olhasse para um pistão com um segundo anel quebrado, minha suspeita imediata seria a ignição automática.
Outra coisa que a auto-ignição pode causar é uma aparência jateada no topo do pistão. O pistão próximo ao perímetro normalmente terá esse tipo de dano se ocorrer auto-ignição. É um visual suíço-cheesy em um nível microscópico. A batida mecânica da auto-ignição corrói mecanicamente o material do pistão. Normalmente, você pode esperar ver aquela aparência de areia na parte da câmara mais distante da vela de ignição, porque a combustão começa na vela e a frente da chama percorre a câmara. Mas antes de chegar aos confins da câmara, o gás final entra em combustão espontânea.
É aí que você verá com mais frequência os efeitos da ignição automática. Você também pode vê-lo na parte mais quente da câmara em alguns motores, possivelmente nas válvulas de escape. Nesse caso, o gás final foi aquecido à auto-ignição pelo calor residual na válvula.
Em um motor de quatro válvulas com uma câmara de teto pendurada com uma vela de ignição no centro, a distância da câmara é bastante uniforme ao redor da vela de ignição. Mas ainda se pode ver a auto-ignição pelas válvulas de escape porque essa área geralmente é a parte mais quente da câmara. Onde o gás final será mais quente é onde o dano, se houver, ocorrerá.
As temperaturas de combustão excedem 1800 graus. Se você submetesse um pistão de alumínio a essa temperatura, ele simplesmente derreteria. A razão pela qual não derrete é por causa da inércia térmica e porque há uma camada limite de algumas moléculas de espessura próxima ao topo do pistão. Essa fina camada isola a chama e faz com que ela seja extinta à medida que a chama se aproxima desse material relativamente frio.
Essa combinação de ações normalmente protege o pistão e a câmara de absorver uma quantidade destrutiva de calor. No entanto, como o pico de pressão da auto-ignição é tão severo e de tão curta duração, ele pode chocar a camada limite de gás que envolve o pistão, causando a ruptura dessa camada limite, o que permite que uma quantidade anormal de calor seja transferida para o pistão. essas superfícies.
Motores que estão detonando tendem a superaquecer, porque a camada limite de gás é interrompida contra o cabeçote, transferindo calor adicional da câmara de combustão para o cabeçote e para o líquido de arrefecimento.
A temperatura do líquido de arrefecimento aumenta mais rápido do que o sistema de arrefecimento pode suportar. A temperatura do refrigerante aumenta; quanto mais a temperatura do líquido de arrefecimento aumenta, mais quentes ficam os componentes do motor, portanto, o gás final será mais quente e mais ele quer detonar. Quanto mais ele detona, mais ele superaquece. É um efeito bola de neve. É por isso que um motor superaquecido quer detonar e é por isso que a ignição automática do motor tende a causar superaquecimento.
Muitas vezes você verá um pistão arranhado nos "quatro cantos". Se você olhar para o lado inferior de um pistão redondo, verá a saliência do pino do pistão. Se você olhar através de cada pino, é de alumínio sólido com relativamente pouca flexibilidade. Ele se expande diretamente na parede do cilindro. No entanto, a saia de um pistão é relativamente flexível. Se ficar quente, pode desviar. A coroa do pistão é, na verdade, um pouco menor em diâmetro do que a saia de propósito, para que não entre em contato com as paredes do cilindro. Portanto, se, por causa da auto-ignição, o pistão absorver rapidamente muito calor, a cabeça do pistão se expandirá e conduzirá a estrutura do pistão para a parede do cilindro, fazendo com que ela arranhe em quatro lugares diretamente em cada ressalto. É outro sinal morto de auto-ignição.
Alguns motores, como motores de 2 tempos refrigerados a líquido encontrados em motos de neve, embarcações e motocicletas, têm um modo de falha de auto-ignição muito comum. O que normalmente acontece é que, quando ocorre a auto-ignição, o pistão se expande excessivamente, arranha o orifício ao longo desses quatro pontos e limpa o material nas ranhuras do anel. Os anéis agarram-se e não se adaptam às paredes do cilindro. A compressão do motor é perdida e o motor para de funcionar ou você começa a passar pelos anéis. Isso queima uma área do pistão (e talvez a parede), e o motor simplesmente para.
Na loja, alguém olha para o resultado derretido e diz: "dano de pré-ignição". Não, é dano de ignição automática. a auto-ignição causou o desgaste do pistão e isso se transformou em uma bola de neve em perda de compressão e gás quente escapando pelos anéis que causaram o derretimento. Mais uma vez, a auto-ignição é uma fonte de confusão e é muito difícil, às vezes, precisar o que aconteceu, mas em termos de danos causados pela auto-ignição, este é outro sinal típico.
Embora alguns desses exemplos possam parecer bastante tediosos, eu os mencionei porque um "pistão arranhado" é frequentemente atribuído a outros fatores, e a auto-ignição (a causa real) é ignorada. Um pistão arranhado pode ser um indicador de um problema muito mais sério que pode se manifestar na próxima vez com resultados mais sérios.
Na mesma linha, um motor funcionando a todo vapor pode ser feliz devido a uma rica relação ar/combustível WOT. O estrangulamento de volta ao acelerador parcial pode fazer com que a mistura fique mais pobre e a auto-ignição pode ocorrer agora. O pistão superaquece e arranha, o motor falha, mas a autópsia não considera a auto-ignição porque a falha não aconteceu no WOT.
Quero reforçar o fato de que o pico de pressão de auto-ignição é muito breve e que ocorre depois que a vela de ignição normalmente dispara. Na maioria dos casos, isso será bem depois do ATDC, quando o pistão estiver se movendo para baixo no furo. Você ainda tem alta pressão na câmara porque a combustão ainda está em processo. A pressão está empurrando o pistão para baixo como deveria e, sobreposto a isso, você obtém um breve pico que toca o motor.
Causas
A auto-ignição é influenciada pelo design da câmara (forma, tamanho, geometria, localização do bujão), taxa de compressão, sincronização do motor, temperatura da mistura, pressão do cilindro e índice de octano do combustível. Demasiado avanço da faísca inflama a queima muito cedo, de modo que aumenta a pressão muito e o gás final entra em combustão espontânea. Afastar o tempo de ignição interromperá a ignição automática. A octanagem do combustível não é nada mágica. Octano é a capacidade de resistir à ignição espontânea. É determinado empiricamente em um motor de teste especial. Para testar uma formulação de combustível específica, você aciona o motor com esse combustível e altera dinamicamente a taxa de compressão para determinar a taxa de compressão na qual o combustível detona. Esse resultado é então comparado ao que ocorre com o combustível “padrão” (iso-octano). Essa é a octanagem do combustível. Um determinado combustível pode ter uma qualidade de octanagem inerentemente mais alta ou pode conter uma variedade de aditivos que produzem uma qualidade de octanagem mais alta. Por exemplo, o álcool como combustível tem uma octanagem muito melhor apenas porque resfria significativamente a mistura devido à quantidade extra de líquido sendo usado. Se o combustível obtido tiver uma octanagem menor do que a exigida pela taxa de compressão do motor e pelo avanço da faísca, a auto-ignição pode resultar e causar os tipos de falhas discutidos anteriormente.
Os motores de produção são otimizados para o tipo ou grau de combustível que o mercado deseja ou oferece. Os projetistas de motores usam o termo MBT (faísca mínima para melhor torque) para eficiência e potência máxima; é desejável operar em MBT em todos os momentos. Por exemplo, vamos escolher um ponto de operação específico do motor, 4000 RPM, WOT, 98 kPa MAP. Nesse ponto de operação com o motor no dinamômetro e utilizando combustível não detonante, ajustamos o avanço da faísca. Haverá um ponto em que o poder é o maior. Menos faísca do que isso, a energia cai, mais avanço de faísca do que isso, você não obtém nenhuma energia adicional.
Agora nosso motor foi inicialmente projetado para combustível premium e foi calibrado para 20 graus de avanço de faísca. Suponha que coloquemos combustível regular no motor e ele faísca a 20 graus? Reduzimos o tempo para 10 graus para parar a ignição automática. Ele não detona mais, mas com 10 graus de retardo de ignição, o motor não é mais otimizado. O motor agora sofre uma perda de cerca de 5-6 por cento na saída de torque. Essa é uma situação inaceitável. Para otimizar para motores de combustível regulares, os projetistas reduzirão a taxa de compressão para permitir um aumento no avanço da faísca para o MBT. O resultado, normalmente, é apenas uma perda de torque de 1-2 por cento ao diminuir a compressão. Esta é uma troca melhor. Os dados de teste do motor determinam quanta compressão um motor pode ter e funcionar com o avanço de faísca ideal.
Para enfatizar, a taxa de compressão do projeto é ajustada para maximizar a eficiência/potência do combustível disponível. Muitas vezes no mercado de reposição ocorre o oposto. Uma taxa de compressão é "escolhida" e o usuário final tenta encontrar combustível bom o suficiente e/ou retarda a faísca para conviver com a situação... ou sofre danos no motor devido à auto-ignição.
Outra coisa que você pode fazer é aumentar a taxa de queima da câmara de combustão. É por isso que com os motores modernos você ouve falar de câmaras de queima rápida. O objetivo é que quanto mais rápido você fizer a câmara queimar, mais tolerante à auto-ignição ela será. É um fenômeno muito simples, quanto mais rápido queima, mais rápido a queima é concluída, menos tempo o gás final tem para detonar. Se não puder ficar lá e absorver o calor e fazer a pressão agir sobre ele, não pode detonar.
Se, no entanto, você tiver um design de câmara que queima muito lentamente, como um motor de meados dos anos 60, precisará avançar a faísca e disparar a 38 graus BTDC. Como os 14 graus ideais após o ponto morto superior (LPP) não mudaram, a câmara tem muito mais oportunidades de detonar à medida que está sendo afetada pelo calor e pela pressão. Se tivermos uma câmara de queima rápida, com 15 graus de avanço da faísca, reduzimos consideravelmente nossa janela para que ocorra a auto-ignição. É um fenômeno mecânico. Esse é um dos objetivos de ter uma câmara de queima rápida porque é resistente à auto-ignição.
Existem outras vantagens também, porque quanto mais rápido a câmara queima, menos avanço de faísca você precisa. Quanto menos tempo os pistões têm para agir contra o acúmulo de pressão, a bomba de ar se torna mais eficiente. As perdas de bombeamento são minimizadas. Em outras palavras, à medida que o pistão se move em direção ao ponto morto superior, a pressão, portanto, a temperatura da mistura ar/combustível aumenta. Se você acender o fogo a 38 graus antes do ponto morto superior, o pistão agirá contra essa pressão por 38 graus. Se você acender a faísca 20 graus antes do ponto morto superior, ela só estará agindo contra ela por 20 graus. O motor se torna mecanicamente mais eficiente.
Há muitas razões para as câmaras de queima rápida, mas uma coisa boa sobre elas é que elas se tornam mais resistentes à ignição automática. Um exemplo do mundo real é o motor Northstar de 1999 a 2000. O motor de 1999 tinha uma taxa de compressão de 10,3:1. Era um motor de combustível premium. Para o ano modelo de 2000, revisamos a câmara de combustão, alcançando uma queima mais rápida. Nós o projetamos para operar com combustível normal e só tivemos que diminuir a taxa de compressão de 0,3 para apenas 10:1 para fazê-lo funcionar. Normalmente, em um determinado motor (se você não alterou o design da câmara de combustão) para passar de combustível premium para regular, ele normalmente cairá um ponto na taxa de compressão: Com nosso exemplo, você esperaria um Northstarmotor na taxa de compressão de 10,3:1, caiu para 9,3:1 para trabalhar com regularidade. Por causa da câmara de queima mais rápida, só tivemos que cair para 10:1. Esse número de 10:1 ainda é uma alta taxa de compressão, com a alta eficiência mecânica associada, e ainda podemos operá-lo com um avanço de faísca ideal com combustível comum. Esse é um exemplo de avanço de faísca em termos de tecnologia. Muito disso foi alcançado através da análise computacional de dinâmica de fluidos da câmara de combustão para melhorar o redemoinho e o tombamento e o movimento da mistura na câmara para aumentar a taxa de queima.
Projeto da Câmara
Uma das câmaras características com as quais as pessoas estão familiarizadas é a Chrysler Hemi. O motor tinha uma câmara que era como a metade de uma bola de beisebol (de natureza hemisférica e também na nomenclatura). As duas válvulas estavam em ambos os lados da câmara com a vela de ignição no topo. A carga queimou para baixo através da câmara. Essa abordagem funcionou muito bem em motores de automóveis de passageiros, mas as versões de corrida do Hemi tiveram problemas. Porque a câmara era tão grande e os furos eram tão grandes, o volume da câmara também era grande; era difícil obter a taxa de compressão alta. Os pilotos colocam uma cúpula no pistão para aumentar a taxa de compressão. Se você levasse essa abordagem ao extremo para obter uma taxa de compressão de 13:1 ou 14:1 no motor, os pistões tinham uma cúpula muito alta. A cúpula do pistão quase imitou a forma da cabeça' s câmara de combustão com o pistão no ponto morto superior. Pode-se chamar o volume restante de "a casca da laranja". Quando incendiada, a carga queimava muito lentamente, como as ondulações em uma lagoa, cobrindo a distância até a parede do cilindro do bloco. Como resultado do projeto da câmara, esses motores exigiam uma quantidade enorme de avanço de faísca, cerca de 40-45 graus. Com tanto avanço de faísca, a auto-ignição era uma possibilidade séria se não fosse alimentado com combustível de alta octanagem. Hemis tendia a ser muito sensível ao ajuste. Como muitas vezes acontecia, a pessoa continuava avançando a faísca, ganhava mais potência e de repente o motor detonava. Por serem motores de alta potência, girando em alta rotação, as coisas aconteciam de repente. Quando incendiada, a carga queimava muito lentamente, como as ondulações em uma lagoa, cobrindo a distância até a parede do cilindro do bloco. Como resultado do projeto da câmara, esses motores exigiam uma quantidade enorme de avanço de faísca, cerca de 40-45 graus. Com tanto avanço de faísca, a auto-ignição era uma possibilidade séria se não fosse alimentado com combustível de alta octanagem. Hemis tendia a ser muito sensível ao ajuste. Como muitas vezes acontecia, a pessoa continuava avançando a faísca, ganhava mais potência e de repente o motor detonava. Por serem motores de alta potência, girando em alta rotação, as coisas aconteciam de repente. Quando incendiada, a carga queimava muito lentamente, como as ondulações em uma lagoa, cobrindo a distância até a parede do cilindro do bloco. Como resultado do projeto da câmara, esses motores exigiam uma quantidade enorme de avanço de faísca, cerca de 40-45 graus. Com tanto avanço de faísca, a auto-ignição era uma possibilidade séria se não fosse alimentado com combustível de alta octanagem. Hemis tendia a ser muito sensível ao ajuste. Como muitas vezes acontecia, a pessoa continuava avançando a faísca, ganhava mais potência e de repente o motor detonava. Por serem motores de alta potência, girando em alta rotação, as coisas aconteciam de repente. Com tanto avanço de faísca, a auto-ignição era uma possibilidade séria se não fosse alimentado com combustível de alta octanagem. Hemis tendia a ser muito sensível ao ajuste. Como muitas vezes acontecia, a pessoa continuava avançando a faísca, ganhava mais potência e de repente o motor detonava. Por serem motores de alta potência, girando em alta rotação, as coisas aconteciam de repente. Com tanto avanço de faísca, a auto-ignição era uma possibilidade séria se não fosse alimentado com combustível de alta octanagem. Hemis tendia a ser muito sensível ao ajuste. Como muitas vezes acontecia, a pessoa continuava avançando a faísca, ganhava mais potência e de repente o motor detonava. Por serem motores de alta potência, girando em alta rotação, as coisas aconteciam de repente.
Os motores de corrida Hemi normalmente derrubavam o anel, passavam, queimavam o pistão e desmoronavam. Ninguém então entendeu o porquê. Agora sabemos que o projeto Hemi está no pior extremo do espectro para uma câmara de combustão. Uma boa câmara compacta é melhor; é por isso que as câmaras estilo telhado de quatro válvulas são tão populares. Quanto mais plana a câmara, menor o volume fechado da câmara, menos cúpula você precisa no pistão. Podemos obter taxas de compressão inerentemente altas com um pistão de topo plano com um padrão de queima muito bom bem na câmara de combustão, com distâncias muito curtas, com movimento de mistura muito bom - uma câmara muito eficiente.
Veja um Northstar ou a maioria dos motores de 4 válvulas - todos com pistões de topo plano, câmaras de combustão muito compactas, ângulos de válvula muito estreitos e não há necessidade de uma cúpula que impeça a queima para aumentar a taxa de compressão para 10:1.
Indicadores de ignição automática
A melhor indicação de ignição automática é o som de ping que os carros, principalmente os modelos antigos, fazem em baixas velocidades e sob carga. É muito difícil ouvir o som em interiores de luxo bem isolados dos carros de hoje. Os sons produzidos por um motor funcionando em tubos retos ou por uma hélice girando, por exemplo, podem mascarar facilmente o ping característico. O ponto é que você honestamente não sabe que a auto-ignição está acontecendo. Em alguns casos, o motor pode fumar, mas não como regra. Os anéis de pistão quebrados são o resultado mais típico da auto-ignição, mas geralmente não são detectados. Se o motor tiver detonado, sinais visuais como porcelanas de vela de ignição quebradas ou eletrodos de aterramento quebrados são indícios inoperantes e solicite um exame mais aprofundado ou desmontagem do motor.
Também é muito difícil detectar a auto-ignição enquanto um motor está funcionando em uma célula de teste de dinamômetro remota e isolada. Uma técnica parece quase elementar, mas, acredite ou não, é empregada em algumas das células dinamométricas mais caras do mundo. Nós nos referimos a ele como o "Orelha de Lata". Você pode pensar nisso como um simples estetoscópio aplicado ao bloco do motor.
Passamos uma mangueira de borracha comum do motor na célula até a sala do operador do dinamômetro. Para amplificar os sons do motor, basta enfiar a ponta da mangueira no fundo de um copo de isopor e ouvir! É comum que os engenheiros de teste de condução usem esse método em carros de desenvolvimento, especialmente se houver uma suspeita de auto-ignição na estrada. Experimente em seu motor; você ficará surpreso com o quão bem você pode ouvir os diferentes ruídos do motor.
A outra técnica é um pouco mais sutil, mas utilizável se prestarmos muita atenção à EGT (Temperatura do Gás de Exaustão). a auto-ignição realmente fará com que os EGTs caiam. Esse comportamento enganou muitas pessoas porque elas observam o EGT e pensam que ele está em uma faixa baixa o suficiente para ser seguro, mas a única razão pela qual está baixa é porque o motor está detonando.
A única maneira de saber o que realmente está acontecendo é estar muito familiarizado com as leituras específicas de EGT do motor, pois as calibrações e os locais das sondas variam. Se, por exemplo, você normalmente corre 1500 graus em uma determinada configuração de MAP e de repente vê 1125 depois de pegar uma nova carga de combustível, você deve estar alerta para uma possível ou incipiente auto-ignição.
Qualquer queda do EGT normal deve ser motivo de preocupação. A menos que você tenha um sofisticado sistema de análise de combustão (começando em várias centenas de milhares de dólares), as únicas maneiras de identificar a auto-ignição são ouvir com o ouvido sem qualquer aumento, usando o "Tin Ear" durante o estágio inicial de teste e assistindo o EGT muito cuidado. O bom é que a maioria dos motores viverá com um nível bastante alto de auto-ignição por algum período de tempo. Não é uma falha do tipo instantânea.
PRÉ-IGNIÇÃO
A definição de pré-ignição é "a ignição da carga de combustível/ar antes do disparo da vela de ignição". Pré-ignição causada por alguma outra fonte de ignição, como ponta de vela superaquecida, depósitos de carbono na câmara de combustão e, raramente, válvula de escape queimada; todos agem como uma vela incandescente para acender a carga.
Tenha em mente a seguinte sequência ao analisar a pré-ignição. Exceto para motores de injeção direta, a carga fresca que entra na câmara de combustão no curso de admissão é UMA MISTURA COMBUSTÍVEL. A carga fresca quase encheu o cilindro à medida que o pistão se aproxima do BDC/Admissão. No BDC, o pistão inverte o sentido e logo depois, a válvula de admissão se fecha e o pistão começa a comprimir a carga.
Como os requisitos de tensão da faísca para acender a carga aumentam proporcionalmente à pressão no cilindro, é muito mais fácil acender a mistura ar/combustível fresco quando a pressão do cilindro é baixa - nas proximidades do IVC (fechamento da válvula de admissão). Torna-se progressivamente mais difícil à medida que a pressão começa a aumentar.
Um ponto brilhante em algum lugar da câmara é o ponto mais provável para ocorrer a pré-ignição. É muito concebível que, se você tiver algo brilhante, como uma ponta de vela de ignição ou uma brasa de carbono, isso possa inflamar a carga enquanto o pistão estiver muito cedo no curso de compressão.
O resultado é compreensível; durante todo o curso de compressão, ou uma grande parte dele, o motor está tentando comprimir uma massa quente de gás expandido. Isso obviamente coloca uma carga tremenda no motor e adiciona um calor tremendo em suas peças. Danos substanciais ocorrem muito rapidamente. Você não pode ouvi-lo porque não há aumento rápido da pressão. Tudo isso ocorre bem antes da vela de ignição disparar.
Lembre-se, quando a vela acende a mistura e ocorre um pico de pressão acentuado depois disso , é auto-ignição. Isso é o que você ouve.
Com a pré-ignição, a ignição da carga acontece muito à frente do disparo da vela, no meu exemplo, muito, muito à frente, quando o curso de compressão apenas começa. Não há pico de pressão muito rápido como na ignição automática. Em vez disso, é uma tremenda quantidade de pressão que está presente por um tempo de permanência muito longo, ou seja, todo o curso de compressão. É isso que coloca cargas tão grandes nas peças. Não há pico de pressão agudo para ressoar o bloco e a cabeça para causar qualquer ruído. Então você nunca ouve, o motor simplesmente explode. É por isso que a pré-ignição é tão insidiosa: dificilmente é detectável antes de ocorrer e, quando ocorre, você só sabe depois do fato. Causa uma falha catastrófica muito rapidamente porque o calor e a pressão são muito intensos.
Um motor pode viver com a auto-ignição ocorrendo por períodos de tempo consideráveis, relativamente falando . Não há motores que vivam por qualquer período de tempo quando ocorrer a pré-ignição. Um orifício no meio do pistão, particularmente um orifício derretido no meio de um pistão, é devido ao extremo calor e pressão da pré-ignição.
Quando as pessoas veem anéis quebrados, muitas vezes culpam erroneamente a pré-ignição e ignoram o martelar da auto-ignição que causou o problema.
Outros sinais de pré-ignição são velas de ignição derretidas mostrando porcelana respingada, derretida e de aparência fundida. Muitas vezes, um "plugue pré-inflado" derreterá o eletrodo de aterramento. O que sobrar vai ficar todo manchado e borrado. O eletrodo central será derretido e sua porcelana será respingada e derretida. Este é um sinal típico de pré-ignição incipiente.
O plugue pode estar ficando quente, derretendo e "se preparando" para atuar como uma fonte de pré-ignição. O plugue pode realmente derreter sem que ocorra a pré-ignição. No entanto, o plugue derretido pode causar pré-ignição na próxima vez.
O indicador típico de pré-ignição, é claro, seria o furo no pistão. Isso ocorre porque, ao tentar comprimir a mistura já queimada, as partes absorvem uma tremenda quantidade de calor muito rapidamente.
As únicas partes que sobrevivem são as que têm alta inércia térmica, como o cabeçote ou a parede do cilindro. Os pistões de alumínio têm uma baixa inércia térmica (eles têm massa relativamente baixa e o alumínio absorve calor muito rapidamente). A coroa do pistão é relativamente fina, portanto, se ficar muito quente, não pode rejeitar o calor e o material enfraquece drasticamente. Ao mesmo tempo, tem tremendas cargas de pressão contra ele. O resultado é um furo no meio do pistão onde a coroa é mais fraca.
Quero enfatizar que, quando a maioria das pessoas pensa em pré-ignição, geralmente aceita o fato de que a carga foi acionada antes da ignição da vela. No entanto, acredito que eles limitam seu pensamento a 5-10 graus antes da vela de ignição disparar. Você tem que realmente aceitar que o ponto mais provável para a pré-ignição ocorrer é em torno de 160 graus BTDC (dependendo do tempo IVC), cerca de 140 graus antes da vela de ignição ter disparado porque esse é o ponto (se houver uma brasa brilhante na câmara) quando é mais provável que seja inflamado.
Estamos experimentando 140-160 graus de gás muito quente queimado sendo comprimido, que normalmente seria relativamente frio e a uma temperatura relativamente baixa. Um pistão levará apenas algumas revoluções dessa aflição antes de falhar. Quanto à auto-ignição, ela pode ficar martelada por segundos, minutos ou horas, dependendo da potência do motor e da carga, antes que ocorra qualquer dano. O dano de pré-ignição é quase instantâneo.
Quando a temperatura da coroa do pistão aumenta rapidamente, geralmente não há tempo suficiente para que o calor se transfira para a saia e se expanda e cause arranhões. Apenas derrete o centro para fora do pistão.
A única maneira de controlar a pré-ignição é manter todas as fontes de pré-ignição afastadas. As velas de ignição devem ser cuidadosamente ajustadas à faixa de calor recomendada. Os pilotos usam velas de ignição frias e misturas relativamente ricas. A faixa de calor da vela de ignição também é afetada pelas temperaturas do líquido de arrefecimento. Um plugue de faixa de aquecimento marginal pode induzir a pré-ignição devido a um cabeçote superaquecido (alta temperatura do líquido de arrefecimento ou fluxo inadequado). Além disso, um plugue solto não pode rejeitar calor suficiente através de seu assento. Um plugue de faixa de calor marginal funcionando pobre (de repente?) pode causar pré-ignição.
Os projetistas de motores de automóveis de passageiros enfrentam um dilema. As velas de ignição devem iniciar a frio a -40 graus F. (o que exige velas quentes que resistem à incrustação), mas ser capaz de operação WOT estendida (que exige velas frias e transferência máxima de calor para a cabeça do cilindro).
Aqui está como a eficácia da vela de ignição ou o teste de "pré-ignição" é feito no WOT. A temperatura da ponta / folga da vela é medida com um diodo de bloqueio e uma pequena bateria, conectada através de um miliamperímetro, aplica uma tensão ao terminal da vela de ignição. A tensão secundária não pode voltar para trás no fio porque o grande diodo de bloqueio impede isso.
À medida que a ponta da vela de ignição aquece, ela tende a ionizar a folga e pequenos níveis de corrente fluirão da bateria conforme indicado pelo miliamperímetro. O motor funciona sob carga e os medidores são observados de perto. Através da experiência, os técnicos aprendem o que esperar dos medidores. Normalmente, uma atividade muito leve, apenas alguns miliampères de corrente, é observada através da folga da vela de ignição. Nos casos em que a ponta / folga da vela de ignição fica quente o suficiente para atuar como uma fonte de ignição, a corrente repentinamente salta da escala. Quando isso acontece, a redução instantânea de potência é necessária para evitar grandes danos ao motor.
Nos anos 80, com motores que produziam meio cavalo por polegada cúbica, podíamos induzir artificialmente e com segurança a pré-ignição usando um plugue muito quente e inclinando a mistura. Pudemos determinar o quão perto estávamos observando os medidores e tivemos tempo suficiente (segundos) para desligar, antes que ocorresse qualquer dano.
Com motores contemporâneos (como o Northstar ) que fazem mais de 1 HP por polegada cúbica, a 6000 RPM, se as agulhas passarem do nominal, você acabou de falhar no motor. É tão rápido. Ao desmontar o motor, você encontrará evidências definitivas de danos. Pode ser apenas velas de ignição derretidas. Mas a pré-ignição acontece tão rapidamente em motores de alta potência. Há muito pouco tempo para reagir.
Se partidas a frio e entupimento de velas não forem grandes preocupações, então a resposta é usar velas de ignição muito frias. Um caso típico de aplicação de plugue muito frio é um motor do tipo NASCAR. Como a principal fonte de pré-ignição é eliminada, os sintonizadores do motor podem reduzir a mistura (algumas) para economia máxima de combustível e adicionar muito avanço de faísca para potência e até arriscar alguns níveis de auto-ignição. Esses plugues, no entanto, são terríveis para partida a frio e emissões e estragariam enquanto você estivesse ocioso pela cidade. Mas para rodar a todo vapor a 9500 RPM, eles funcionam bem. Eles eliminam uma variável que poderia induzir a pré-ignição.
Os desenvolvedores de motores usam velas de ignição muito frias para evitar o risco de entrar em pré-ignição durante o mapeamento do motor de ar/combustível e avanço da faísca. No entanto, calibrar motores de produção exige que tenhamos velas de ignição muito mais quentes para partida a frio e resistência à incrustação. Para evitar a pré-ignição, compensamos certificando-nos de que a calibração de combustível/ar seja rica o suficiente para manter as velas de ignição frias em altas cargas e altas temperaturas, para que não induzam a pré-ignição.
Novamente, considere o motor Northstar . Se você fizer uma explosão de aceleração total de 0 a 60, o motor provavelmente funcionará até 6000 RPM em uma proporção de combustível de ar de 11,5: 1 ou 12: 1. Mas após cerca de 20 segundos de carga sustentada, a ECU enriquece a proporção para cerca de 10:1. Isso é feito para manter as velas de ignição frias, bem como as cabeças dos pistões frias. Essa riqueza é necessária se você estiver executando sob carga WOT contínua. Uma pequena penalidade na potência e economia de combustível é o resultado.
Para obter a aceleração máxima do motor, você pode realmente incliná-lo, mas sob carga total sustentada, ele precisa voltar ao rico. Motores de maior potência específica são muito mais sensíveis a danos de pré-ignição porque estão girando mais RPM, estão gerando muito mais calor e estão queimando mais combustível. Os plugues tendem a esquentar nessa alta saída específica e o tempo de reação ao dano é mínimo.
Um carburador configurado para um drag racer nunca funcionaria em um motor de NASCAR ou stock car porque superaqueceria e causaria pré-ignição. Mas na pista de arrasto por 8 ou 10 segundos, a pré-ignição nunca tem tempo para ocorrer, então os dragsters podem se safar. As diferenças no ajuste para esses dois tipos diferentes de aplicações do motor são dramáticas. É por isso que um motor de corrida de arrancada seria uma má escolha para um motor de aeronave.
Água barrenta......
Existe uma situação chamada pré-ignição induzida por auto-ignição. Eu não quero soar como fala dupla aqui, mas isso acontece. Imagine um motor sob carga pesada começando a detonar. auto-ignição continua por um longo período de tempo. O plugue aquece porque os picos de pressão quebram a camada protetora de gás ao redor dos eletrodos. A temperatura da vela de repente começa a subir de forma não natural, até o ponto em que se torna uma vela incandescente e induz a pré-ignição. Quando o motor falha, categorizo esse resultado como "pré-ignição induzida por auto-ignição". Não haveria qualquer perigo de pré-ignição se a auto-ignição não tivesse ocorrido. Danos atribuídos tanto à auto-ignição quanto à pré-ignição seriam evidentes.
Normalmente, é isso que vemos nos motores de automóveis de passageiros. Os motores normalmente vivem por longos períodos de tempo sob ignição automática. Na verdade, nós realmente executamos muitos testes de pistão onde operamos o motor no pico de torque, induzindo níveis moderados de auto-ignição deliberadamente. Com base em nosso projeto de produção resultante, o pistão deve passar por esses testes sem nenhum problema; os pistões devem ser robustos o suficiente para sobreviver. Se, no entanto, em circunstâncias devido a superaquecimento ou combustível ruim, a ponta da vela superaquece e induz a pré-ignição, obviamente não vai sobreviver. Se virmos uma falha, provavelmente é uma situação de pré-ignição induzida por auto-ignição.
Eu recomendaria a qualquer experimentador que fosse cauteloso ao usar motores baseados em automóveis em outras aplicações. Em geral, os motores que produzem 0,5 HP/in3 (motores típicos de aeronave refrigerados a ar) podem ser tolerantes (por exemplo, durante a inclinação para o EGT de pico, etc.). Mas a 1,0 HP/pol3 (muito típico de muitas conversões automotivas de alto desempenho), a janela para danos no motor induzidos pela calibração é muito menos tolerante. Comece rico, retardado e com fichas frias e assista as EGTs!
Espero que esta discussão sirva como um iniciador de pensamento. Congratulo-me com qualquer comunicação sobre este assunto. Cada aplicativo é único, portanto, tenha cuidado com as declarações gerais, pois muitas variáveis afetam esses processos.
NOTA DE RODAPÉ:
Durante uma discussão com o Sr. Cline, ele mencionou um caso em que as cabeças de um Northstar 2000 foram transportadas por alguém que buscava melhorar o fluxo. Embora eles tenham alcançado números de fluxo bruto mais altos, as características de redemoinho e tombo que as portas de entrada OEM transmitiram à carga de entrada foram totalmente destruídas e, embora houvesse mais "fluxo", o motor produzia menos potência do que antes e estava no beira de falha de ignição rica no AFR necessário para evitar que os pistões derretessem do motor.
Obviamente, o movimento da mistura é importante, a combustão é complicada e os engenheiros OEM realmente sabem das coisas.
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