Falhas de combustão
Falhas de combustão em motores a gasolina
A combustão da mistura combustível-ar no cilindro segue um processo exatamente predefinido. Ela é iniciada através da faísca da vela de ignição pouco antes do ponto morto superior. A chama se expande a partir da vela de ignição de forma circular e percorre a câmara de combustão com velocidade de combustão constantemente crescente de 5–30 m/s. Com isso, a pressão na câmara de combustão aumenta abruptamente e atinge o seu valor máximo logo após o ponto morto superior. Contudo, este processo de combustão normal também pode ser prejudicado por diversas influências, a partir do que é possível descrever três casos de falhas de combustão:
1. Autoignição (pré-ignição):
Leva à sobrecarga térmica do pistão.
2. Combustão detonante:
Leva a degradações erosivas do material e sobrecarga mecânica nos pistões e no acionamento por manivela.
3. Afogamento por combustível:
Leva ao desgaste com consumo de óleo e também a corrosão nos pistões.
1. Autoignição (pré-ignição):
Leva à sobrecarga térmica do pistão.
2. Combustão detonante:
Leva a degradações erosivas do material e sobrecarga mecânica nos pistões e no acionamento por manivela.
3. Afogamento por combustível:
Leva ao desgaste com consumo de óleo e também a corrosão nos pistões.
Combustão normal
Combustão detonante
Autoignição
Sobre 1 Autoignição (pré-ignição):
Na autoignição, a combustão é iniciada por uma peça incandescente na câmara de combustão antes do ponto de ignição propriamente dito. São levados em consideração a válvula de escape quente, a vela de ignição, peças de vedação e deposições nestas peças, assim como superfícies que envolvem a câmara de combustão. A chama age descontroladamente nos componentes, causando um forte aumento da temperatura na superfície do pistão. Apenas poucos segundos de autoignição ininterrupta levam a temperatura a atingir o ponto de fusão do material do pistão.
Em motores com câmara de combustão em forma de semiesfera isto leva à formação de buracos na superfície do pistão, que normalmente ocorrem em alongamento do eixo da vela de ignição.
Em câmaras de combustão com superfícies de compressão entre a superfície do pistão e o cabeçote, o ressalto de ignição normalmente derrete na área das superfícies de compressão (ver glossário) no ponto de maior sujeição de carga. Este procedimento muitas vezes continua até o anel de segmento raspador de óleo e no interior do pistão.
Uma combustão detonante, que resulta em elevadas temperaturas de superfície de determinadas peças da câmara de combustão, também pode provocar autoignições.
Sobre 2 Combustão detonante:
Na combustão detonante a ignição é iniciada normalmente através da faísca da vela de ignição. A frente da chama se expande a partir da vela de ignição e gera ondas de pressão, que causam reações críticas no gás não queimado. Isto provoca a autoignição simultânea em muitos lugares na mistura de gás residual. Em consequência disso, a velocidade de combustão aumenta para um valor 10-15 vezes maior. O aumento da pressão por grau de ângulo do virabrequim e o pico de pressão aumentam consideravelmente. Além disso, são geradas oscilações de pressão de frequência muito alta no curso de expansão. Além disso, as superfícies que envolvem a câmara de combustão aquecem muito. Câmaras de combustão livres de resíduos de queima são um sinal claro de uma combustão detonante.
Uma detonação leve temporária normalmente não resulta em danos na maioria dos motores – mesmo que por tempo prolongado.
Detonações fortes, de longa duração, resultam em degradações erosivas do material do pistão no ressalto de ignição e na superfície do pistão. Também o cabeçote e a vedação do cabeçote podem ser danificados. Peças na câmara de combustão (p. ex. a vela de ignição) podem aquecer de tal forma que isto resulte em autoignições (pré-ignições) com um sobreaquecimento do pistão (aderências e derretimentos).
Graves batidas constantes resultam, após pouco tempo, em quebras de ressalto de anel e de corpos de pistão, que normalmente ocorrem sem aderências e derretimentos, e sem corrosões.
A Fig. 1 mostra o decurso de pressão na câmara de combustão. A curva característica azul mostra um decurso de pressão na combustão normal e a curva vermelha na combustão detonante. Aqui ocorrem picos de pressão.
Sobre 3 Afogamento por combustível:
Uma mistura muito rica, pressão de compressão reduzida e falhas de ignição causam queimas incompletas com afogamento por combustível. A lubrificação dos pistões, segmentos do pistão e trajetos de cilindro perde o efeito. As consequências são atrito misto com desgaste e maior consumo de óleo, bem como corrosões (ver o capítulo "Consumo de óleo e corrosão nos pistões").
Na autoignição, a combustão é iniciada por uma peça incandescente na câmara de combustão antes do ponto de ignição propriamente dito. São levados em consideração a válvula de escape quente, a vela de ignição, peças de vedação e deposições nestas peças, assim como superfícies que envolvem a câmara de combustão. A chama age descontroladamente nos componentes, causando um forte aumento da temperatura na superfície do pistão. Apenas poucos segundos de autoignição ininterrupta levam a temperatura a atingir o ponto de fusão do material do pistão.
Em motores com câmara de combustão em forma de semiesfera isto leva à formação de buracos na superfície do pistão, que normalmente ocorrem em alongamento do eixo da vela de ignição.
Em câmaras de combustão com superfícies de compressão entre a superfície do pistão e o cabeçote, o ressalto de ignição normalmente derrete na área das superfícies de compressão (ver glossário) no ponto de maior sujeição de carga. Este procedimento muitas vezes continua até o anel de segmento raspador de óleo e no interior do pistão.
Uma combustão detonante, que resulta em elevadas temperaturas de superfície de determinadas peças da câmara de combustão, também pode provocar autoignições.
Sobre 2 Combustão detonante:
Na combustão detonante a ignição é iniciada normalmente através da faísca da vela de ignição. A frente da chama se expande a partir da vela de ignição e gera ondas de pressão, que causam reações críticas no gás não queimado. Isto provoca a autoignição simultânea em muitos lugares na mistura de gás residual. Em consequência disso, a velocidade de combustão aumenta para um valor 10-15 vezes maior. O aumento da pressão por grau de ângulo do virabrequim e o pico de pressão aumentam consideravelmente. Além disso, são geradas oscilações de pressão de frequência muito alta no curso de expansão. Além disso, as superfícies que envolvem a câmara de combustão aquecem muito. Câmaras de combustão livres de resíduos de queima são um sinal claro de uma combustão detonante.
Uma detonação leve temporária normalmente não resulta em danos na maioria dos motores – mesmo que por tempo prolongado.
Detonações fortes, de longa duração, resultam em degradações erosivas do material do pistão no ressalto de ignição e na superfície do pistão. Também o cabeçote e a vedação do cabeçote podem ser danificados. Peças na câmara de combustão (p. ex. a vela de ignição) podem aquecer de tal forma que isto resulte em autoignições (pré-ignições) com um sobreaquecimento do pistão (aderências e derretimentos).
Graves batidas constantes resultam, após pouco tempo, em quebras de ressalto de anel e de corpos de pistão, que normalmente ocorrem sem aderências e derretimentos, e sem corrosões.
A Fig. 1 mostra o decurso de pressão na câmara de combustão. A curva característica azul mostra um decurso de pressão na combustão normal e a curva vermelha na combustão detonante. Aqui ocorrem picos de pressão.
Sobre 3 Afogamento por combustível:
Uma mistura muito rica, pressão de compressão reduzida e falhas de ignição causam queimas incompletas com afogamento por combustível. A lubrificação dos pistões, segmentos do pistão e trajetos de cilindro perde o efeito. As consequências são atrito misto com desgaste e maior consumo de óleo, bem como corrosões (ver o capítulo "Consumo de óleo e corrosão nos pistões").
Falhas de combustão em motores diesel
Para um processo de combustão otimizado, além do perfeito estado mecânico, também um bico injetor com pulverização extremamente fina, com injeção exata, assim como um início de injeção correto exercem um papel fundamental. Somente assim o combustível injetado pode inflamar com um mínimo de atraso de ignição e queimar totalmente com pressão normal. Também aqui se diferencia três tipos graves de falhas de combustão:
1. Atraso de ignição
2. Combustão incompleta
3. Bicos injetores com pós-gotejamento
Sobre1. Atraso de ignição:
O combustível inflama somente com um determinado retardo (atraso de ignição) se:
O grau de atomização depende somente do estado do bico injetor. Um bico injetor perfeito, testado com o equipamento de teste de bicos, pode ser emperrado na montagem ou devido a tensões da temperatura de tal forma, que no funcionamento não pulverize perfeitamente.
A temperatura de compressão depende da pressão de compressão e, portanto, do estado mecânico do motor. O motor frio sempre apresenta um certo atraso de ignição. As paredes do cilindro frio extraem muito calor do ar de admissão mais frio durante a compressão. A temperatura de compressão existente no início da injeção não é suficiente então para inflamar imediatamente o combustível injetado. Somente com a compressão avançada é atingida a temperatura de ignição e o combustível até então injetado inflama abruptamente. Isto causa um aumento íngreme de pressão, explosivo, com geração de ruído e um forte aquecimento da superfície do pistão. As consequências são, p. ex., quebras dos ressaltos de anel do pistão e fissuras de tensão térmica na superfície do pistão.
Sobre 2. Combustão incompleta:
Se o combustível não chega no momento certo ou não pulverizado na câmara de combustão, ele não pode queimar totalmente no curto tempo disponível. O mesmo ocorre quando não entra oxigênio suficiente, isto é, ar de admissão no cilindro. As causas podem ser um filtro de ar obstruído, abertura incorreta das válvulas de admissão, falha no turbocompressor ou desgaste nos segmentos do pistão e nas válvulas. O combustível não queimado se precipita em parte nas superfície do cilindro; lá ele prejudica ou destrói a película de lubrificante. Através disto ocorre em pouquíssimo tempo um forte desgaste ou corrosão nas superfícies de deslizamento do cilindro, nas superfície de deslizamento dos segmentos do pistão e finalmente também nas superfícies do corpo do pistão. As consequências são consumo de óleo e perda de potência (ver imagens de danos no capítulo "Corrosão por funcionamento a seco" e "Consumo excessivo de óleo").
Sobre 3. Bicos injetores com pós-gotejamento:
Os bicos injetores podem abrir mais uma vez devido a oscilações de pressão após o término da injeção. Estas oscilações de pressão podem partir da válvula de pressão da bomba injetora, das tubulações ou dos bicos injetores. Para impedir esta falta de injeção, o sistema é aliviado da pressão através da válvula de pressão da bomba injetora em um valor definido. Se a pressão de injeção dos bicos injetores estiver ajustada muito baixa ou se não for possível manter a pressão de forma confiável (bicos injetores mecânicos), os bicos injetores podem abrir mais uma vez em sequência curta após o término da injeção, apesar do alívio de pressão. Bicos injetores não estanques ou pós-gotejantes também causam uma entrada descontrolada de combustível na câmara de combustão. Nos dois casos o combustível injetado de forma descontrolada chega à superfície do pistão sem ter sido queimado devido à falta de oxigênio. Lá o combustível queima com temperaturas relativamente elevadas e aquece localmente o material do pistão de tal forma, que partículas do pistão podem ser arrancadas da superfície através da força de inércia e erosão dos gases de combustão. As consequências são uma considerável degradação do material ou remoções erosivas na superfície do pistão.
1. Atraso de ignição
2. Combustão incompleta
3. Bicos injetores com pós-gotejamento
Sobre1. Atraso de ignição:
O combustível inflama somente com um determinado retardo (atraso de ignição) se:
- ele não foi pulverizado com a finura suficiente,
- ele foi injetado no momento errado no cilindro,
- ou se a temperatura de compressão ainda não é suficiente no início da injeção.
O grau de atomização depende somente do estado do bico injetor. Um bico injetor perfeito, testado com o equipamento de teste de bicos, pode ser emperrado na montagem ou devido a tensões da temperatura de tal forma, que no funcionamento não pulverize perfeitamente.
A temperatura de compressão depende da pressão de compressão e, portanto, do estado mecânico do motor. O motor frio sempre apresenta um certo atraso de ignição. As paredes do cilindro frio extraem muito calor do ar de admissão mais frio durante a compressão. A temperatura de compressão existente no início da injeção não é suficiente então para inflamar imediatamente o combustível injetado. Somente com a compressão avançada é atingida a temperatura de ignição e o combustível até então injetado inflama abruptamente. Isto causa um aumento íngreme de pressão, explosivo, com geração de ruído e um forte aquecimento da superfície do pistão. As consequências são, p. ex., quebras dos ressaltos de anel do pistão e fissuras de tensão térmica na superfície do pistão.
Sobre 2. Combustão incompleta:
Se o combustível não chega no momento certo ou não pulverizado na câmara de combustão, ele não pode queimar totalmente no curto tempo disponível. O mesmo ocorre quando não entra oxigênio suficiente, isto é, ar de admissão no cilindro. As causas podem ser um filtro de ar obstruído, abertura incorreta das válvulas de admissão, falha no turbocompressor ou desgaste nos segmentos do pistão e nas válvulas. O combustível não queimado se precipita em parte nas superfície do cilindro; lá ele prejudica ou destrói a película de lubrificante. Através disto ocorre em pouquíssimo tempo um forte desgaste ou corrosão nas superfícies de deslizamento do cilindro, nas superfície de deslizamento dos segmentos do pistão e finalmente também nas superfícies do corpo do pistão. As consequências são consumo de óleo e perda de potência (ver imagens de danos no capítulo "Corrosão por funcionamento a seco" e "Consumo excessivo de óleo").
Sobre 3. Bicos injetores com pós-gotejamento:
Os bicos injetores podem abrir mais uma vez devido a oscilações de pressão após o término da injeção. Estas oscilações de pressão podem partir da válvula de pressão da bomba injetora, das tubulações ou dos bicos injetores. Para impedir esta falta de injeção, o sistema é aliviado da pressão através da válvula de pressão da bomba injetora em um valor definido. Se a pressão de injeção dos bicos injetores estiver ajustada muito baixa ou se não for possível manter a pressão de forma confiável (bicos injetores mecânicos), os bicos injetores podem abrir mais uma vez em sequência curta após o término da injeção, apesar do alívio de pressão. Bicos injetores não estanques ou pós-gotejantes também causam uma entrada descontrolada de combustível na câmara de combustão. Nos dois casos o combustível injetado de forma descontrolada chega à superfície do pistão sem ter sido queimado devido à falta de oxigênio. Lá o combustível queima com temperaturas relativamente elevadas e aquece localmente o material do pistão de tal forma, que partículas do pistão podem ser arrancadas da superfície através da força de inércia e erosão dos gases de combustão. As consequências são uma considerável degradação do material ou remoções erosivas na superfície do pistão.