Detonação: entenda o que é e como evitar


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Toc-toc-toc… Quem é?” Quem não conhece essa brincadeira? Mas cuidado! Se estivermos falando de motores a resposta pode ser “Seu motor quebrando!” Mas o que é? Como ocorre? O que ocasiona o “toc-toc-toc” (ou, se preferir, “tic-tic-tic”) também conhecido como detonação?

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Esse fenômeno acontece dentro do motor. A detonação ou a famosa batida de pino pode ser identificada com um ruído característico que é semelhante ao som de pinos de aço batendo um contra o outro pela perda momentânea de potência e torque em condições de carga parcial ou plena.

A detonação é a combustão que ocorre em pontos de alta pressão e temperatura após a ignição da centelha, em um momento diferente da frente de chama principal. Assim, uma nova frente de chama é criada com velocidade superior a combustão principal ignitada pela vela. Ao se encontrarem, criam uma onda de choque que gera o ruído conhecido como batida de pino.

Um motor de ciclo Otto sempre irá trabalhar com algumas detonações. Isso é comum e o que gera quebra ou falhas sensíveis são a intensidade e a amplitude de onda que a detonação ocasiona. Caso a detonação seja de intensidade muito forte, ou seja, for ocasionada antes do pistão atingir o ponto morto superior, a pressão será tão forte que criará forças sobre a cabeça do pistão impulsionando o virabrequim no sentido contrário de rotação do motor. Isto incide muito stress ou tensões sobre o conjunto móvel e que em regra geral, ocasiona falhas e quebras. Existe a possibilidade ainda de a válvula de admissão estar aberta ou na iminência do fechamento: a frente de chama sempre irá procurar o local de menor pressão para se deslocar e, neste caso, seria para dentro do coletor de admissão. Isso é muito ruim, pois ocasiona quebras no sistema de admissão que não está projetado para suportar combustão.

As causas de detonação são muito variadas. Podemos citar dentre eles: ponto de ignição excessivamente adiantado, relação de compressão alta ou taxa alta, combustível insuficiente, temperaturas internas elevadas, pressão de turbo alta, temperatura do ar de admissão elevada, combustível de baixa octanagem, pontos quentes dentro do cilindro e etc. Todas as causas citadas e algumas outras são possíveis ocorrer em qualquer motor, principalmente motores de competição, em que a pressão final de combustão buscada é sempre a máxima possível. Os pontos quentes dentro do cilindro que também podem ocasionar detonações podem ocorrer por causa de depósito de carbono que se formam por combustão incompleta, cantos “vivos” que ficam incandescentes após algumas combustões, eletrodos de velas de má qualidade, etc.

Aproveitar um combustível de baixo custo às vezes é tentador. Mas, na melhor das hipóteses, você estará levando um combustível com baixa octanagem.

A octanagem é definida como um í2011-07-15 20.38.27ndice de detonação de um determinado combustível comparado com a detonação de um combustível de referência formado por uma mistura de n-heptano (C7H16), como referência de octanagem zero (0) e o 2-2-4-trimetil pentano (iso-octano) como referência cem (100). Por exemplo, um combustível de octanagem 85 indica que esse produto tem a mesma tendência de detonar no motor padrão de testes sob as mesmas condições de uma mistura de combustível formada por 85% de iso-octano e 15% de n-heptano. Há combustíveis, tais como gasolina de competição usada na Formula 1 e o etanol que possuem número de octanagem acima de 100. O etanol, por exemplo, possui número igual a 110. Para determinar esses valores, são usados outros combustíveis de referência que atingem 120 de octanagem. Combustíveis de alta octanagem previnem detonações “fora-de-hora” e os combustíveis baratos e de baixa octanagem as facilita.

Outro fator que aume2011-07-15 20.38.59nta as chances de detonação é a alta taxa de compressão nos motores modernos. Com a disseminação dos veículos “FLEX” e o constante aumento da rigidez de regras internacionais para a redução de emissão de gases tóxicos, a saída encontrada pelos fabricantes de motores foi o aumento da relação de compressão ou taxa de compressão. Aumentando-se a taxa de compressão, é possível ter motores de menor volume, gerando a mesma potência que antigamente só poderia ser atingida por motores de volume maior. Um exemplo são os motores de 1,4 litros que hoje geram a mesma potência que um motor antigo de 1,8 litros. Os motores 2,0 litros hoje têm a potência de um 2,5 litros com um consumo de combustível bem inferior que antigamente e com emissões incrivelmente inferiores. Com o aumento da taxa de compressão, a emissão de gases como CO (monóxido de carbono) e hidrocarbonetos é reduzida drasticamente. É claro que em contrapartida a emissão de NOx é aumentada, porém a grande parte é quebrada no catalisador. Em outras palavras, o aumento da taxa de compressão é algo para se comemorar quando falamos de rendimento do motor e redução das emissões de gases, mas é preciso ter dispositivos e ajustes considerando o fato de que taxas de compressão altas aumentam a probabilidade de detonações.

No caso de motores turbo-alimentados a ocorrência deste fenômeno é ainda mais frequente. O turbo-compressor envia ao motor o ar muito mais denso mas, em contrapartida, também muito mais quente. O ar quente ao entrar no cilindro passa pelo processo de compressão e a sua temperatura que já estava alta se eleva ainda mais. Caso a temperatura de ignição do combustível seja atingida durante a compressão, certamente teremos uma detonação e danos ao motor.

Hoje, os motores já estão equipados com sensores de detonação calibrados para detectarem as freqüências exatas de detonação crítica. Atrasam o ângulo de ignição da centelha e reduzem a demanda de combustível diminuindo potência e torque poupando o motor de uma conseqüente quebra. Em outros casos a solução encontrada é o aumento da injeção de combustível visando a diminuição da temperatura do cilindro. Há também outra medida: a utilização de intercooler, para reduzir a temperatura do ar enviado pelo compressor; trabalhar com relação de ar/ combustível mais baixa (valores de sonda lambda baixo: 0,80 – 0,75 dependendo do preparador); utilização de combustível de alta octanagem ou série Premium, preferencialmente etanol por ter um poder antidetonante alto e ter grande coeficiente de transferência térmica, o que reduz a temperatura na câmara de combustão.

A detonação pode não quebrar o motor em uma única ocorrência, mas sempre causará algum dano. O dano mais comum é a retirada de material onde ocorre a onda de choque e, nos próximos ciclos, a detonação passará a ocorrer no mesmo local, causando assim a quebra da peça onde a detonação foi mais reincidente.
Nos veículos de competição, a vulnerabilidade a detonações é maior por conta da proximidade aos limites do motor. As medidas a serem tomadas ficam por conta do preparador: todas as variáveis na calibração devem ser equilibradas para que o máximo seja atingido sem problemas. Mas, ainda assim, os mais experientes preparadores se surpreendem. Ócios do ofício.

Um forte aliado para a prevenção das detonações são equipamentos de detecção de detonação, como o “Knock Sensor” que literalmente “escuta” até as mais fracas detonações o que torna possível prever detonações mais graves (veja o video abaixo).

A ferramenta mais utilizada até pouco tempo, na verdade, não era exatamente uma ferramenta de detecção de detonações: são os condicionadores de sonda de banda larga que informam a quantidade de oxigênio no escape e, portanto, a proporção de ar/combustível no momento da combustão. Com essa informação é possível supor – apenas supor – a probabilidade de uma detonação.

Frederico Falcão Weissinger
Engenharia SPA Turbo