Fenômenos de falhas em motores à combustão interna
Danilo Silva
Engenheiro de Aplicações
Provavelmente, você já presenciou algum veículo com o motor falhando, ruidoso, “engasgando” ou, até mesmo, com dificuldade de funcionamento. As falhas em um motor podem ter diversas causas, porém, o que observamos é a consequência do defeito, seja por meio de falhas evidentes, como as citadas anteriormente, ou em casos menos perceptíveis, por exemplo, o aumento do consumo de combustível ou a redução no rendimento do motor.
Independentemente do problema, sempre que o motor for submetido a condições de funcionamento anormais, sua vida útil será reduzida. Eventualmente, um único episódio de falha pode ser o suficiente para danificar o motor, como em casos de calço hidráulico. O defeito pode iniciar afetando a performance e se estender a falhas em que seja necessário o reparo mecânico do veículo.
Então, abaixo, abordaremos alguns fenômenos de falhas, hábitos que podem evitar ou reduzir tipos de anomalias na combustão e expandir um pouco a perspectiva para a manutenção preventiva, de modo que o motor possa trabalhar em seu melhor rendimento.
Para facilitar o entendimento, observe a imagem e a explicação sobre o que é o motor a 4 tempos:
Admissão – ciclo do pistão da parte superior em sentido a inferior admitindo ar e combustível ou somente ar, dependendo do mecanismo de injeção ou combustível;
Compressão – o pistão faz o movimento ascendente comprimindo a mistura ou o ar;
Expansão – também chamado de combustão, é o momento em que a energia gerada pela combustão impulsiona a movimentação do pistão para baixo, gerando trabalho;
Escape – momento de expulsão dos gases queimados na combustão, pistão parte do PMI (Ponto Morto Inferior) ao PMS (Ponto Morto Superior);
Para ocorrer a combustão, é necessário que exista o combustível, o ar e o calor (energia). Em um motor ciclo Otto, este calor deve ser proveniente da vela de ignição. No caso do motor Diesel, o calor vem através da compressão do ar.
Embora o conceito seja relativamente simples, para que a combustão seja adequada e o rendimento esperado possa ser atingido, é necessário homogeneidade entre combustível e ar, além de sinergia entre os três elementos para uma combustão ordenada.
Algumas variáveis podem prejudicar o funcionamento do motor, como:
contaminação no sistema de injeção ou qualidade do combustível;
obstrução do filtro de ar ou de combustível;
obstrução no sistema de escape;
baixa eficiência da ignição;
entre outros.
Agora, veja alguns tipos de falhas:
Queima parcial
A queima parcial da mistura ar/combustível pode ter origem em diversos fatores, como:
Combustível adulterado ou fora de especificação – sem dúvidas, esta condição pode acarretar problemas ao motor, mas, sob a perspectiva da queima, o combustível adulterado contribui para falhas no motor em aceleração, marcha lenta e formação de gomas. Em casos mais graves, pode contaminar e travar um bico injetor provocando excesso de combustível injetado e não totalmente pulverizado, causando o calço hidráulico;
Funcionamento à frio – quando o motor está frio, é comum injetar uma quantidade maior de combustível, enriquecendo a mistura ar/combustível. Com isso, uma parcela dele pode não queimar, favorecendo a contaminação do óleo e do sistema de tratamento de gases do veículo;
Sistema de ignição – em um sistema ciclo Otto, é imprescindível que as velas, cabos ou bobinas estejam em correto funcionamento para gerar o calor necessário para a combustão total e uniforme do combustível.
Perda de compressão
A compressão é fundamental para qualquer motor à combustão interna e as melhorias nos motores contam com o melhor aproveitamento da compressão. Veja o rendimento de motores turboalimentados que, por conta da sobrealimentação, conseguem elevar a performance do motor através do aumento da pressão e melhor aproveitamento energético.
Com foco em baixa eficiência de compressão devido ao uso, vamos ignorar a falta de compressão por erro de montagem do motor ou deficiência no funcionamento do Turbocompressor em motores sobrealimentados, focando em questões mecânicas do motor que podem ser influenciados com os hábitos do proprietário ou desgaste de uso.
Basicamente, a perda da compressão acontece pela “fuga” da mistura ar/combustível no segundo tempo do motor, produzida naturalmente pela movimentação do pistão. Neste caso, estamos falando de perda parcial de pressão proveniente da vedação defeituosa.
Observando a estrutura do motor com injeção indireta, teremos como possíveis caminhos para a fuga de ar, as válvulas de admissão e escape e a folga entre o pistão e a camisa do cilindro através dos anéis. Não estamos considerando aqui possíveis trincas no cabeçote, empenamento de peças, falhas na junta do cabeçote e outros problemas mais complexos.
A contaminação nas válvulas acontece, em grande parte, pela composição e qualidade do combustível, mas também pode aumentar devido às condições severas de uso. Neste caso, a formação de depósitos nas válvulas afeta a capacidade de vedação da câmara de combustão, reduzindo a eficiência do motor.
A perda de compressão também pode ser através dos anéis do pistão. A contaminação por depósitos na lateral do pistão contribui para o aumento do consumo de óleo e combustível e degradação prematura do lubrificante. Além disso, em casos mais graves, também gera danos irreversíveis sem o reparo mecânico e/ou substituição de peças.
Nas situações reversíveis, o uso de aditivos pode restabelecer a compressão do motor:
Valve & Injector Clean age eliminando contaminações, depósitos e vernizes em todo sistema de injeção, inclusive, depósitos na cabeça do pistão em um motor a gasolina ou flex. O Diesel System Clean possui desempenho semelhante em motores Diesel.
Engine Clean, além de dissolver as sujeiras do circuito de óleo, este produto promove a limpeza efetiva nas canaletas e anéis do pistão, melhorando a compressão.
Observação: estes produtos são itens de revisão e você pode usar no plano de manutenção preventiva do veículo.
Detonação
A detonação apresenta um ruído bem característico, conhecido popularmente como “batida de pino”. A propagação da onda de chama deveria ser uniforme, partindo da centelha da vela até as extremidades da câmara de combustão. Mas, no fenômeno, ela se encontra com ondas de chama secundárias, criadas pela combustão espontânea do combustível, causando a vibração do pistão e ruído. Veja na imagem abaixo:
Além do ruído, a detonação ocasiona erosão na superfície onde a combustão espontânea tenha contato, como, por exemplo, com a cabeça do pistão. Quando o sensor de detonação identifica essa vibração, atrasa o momento da ignição, diminuindo a falha por detonação e a performance do motor para protegê-lo.
Quando o combustível e a tecnologia embarcada no motor permitem o avanço da ignição, é possível extrair o melhor desempenho e mais potência do motor. Isso acontece devido ao avanço da ignição e a pressão máxima gerada pela combustão que se aproxima do PMS otimizando o trabalho positivo.
Por isso, principalmente em motores modernos ciclo Otto, é recomendado o uso de combustíveis com alta octanagem (Octanagem ou número de octanos do combustível, é o parâmetro utilizado para indicar a resistência do combustível à combustão espontânea). Na linha da Motul, você encontra o Octane Booster Gasoline, um produto desenvolvido para melhorar o índice de octanagem do combustível. Em motores Diesel, também pode ocorrer a detonação, porém, como no ciclo Diesel, a ignição é obtida pela injeção de combustível na câmara já com o ar comprimido e em alta temperatura. Assim, os fatores que acarretam a detonação em um motor Diesel são diferentes.
Um dos parâmetros utilizados para definir a qualidade deste combustível é o número de cetanas, que ao contrário da octanagem, caracteriza-se pela facilidade do combustível de entrar em combustão ao ter contato com o ar pressurizado. Se o Diesel tiver dificuldade para se homogeneizar e entrar em combustão, irá se acumular e, ao inflamar, provocará uma explosão localizada e violenta.
É possível melhorar o número de cetanas e, consequentemente, o combustível utilizando o Cetane Booster.
Pré-ignição
Diferentemente do que ocorre na detonação de um motor ciclo Otto, a pré-ignição é a combustão da mistura ar/combustível antes mesmo da centelha ser produzida pela vela de ignição. Esta falha, por ocorrer no momento da compressão, torna-se muito mais agressiva ao motor, podendo causar a quebra do pistão em um único evento de falha.
A pré-ignição em um motor pode ocorrer por conta do excesso de episódios de detonação, depósitos de carbono incandescentes, problemas com a vela e até por conta do lubrificante inadequado.
LSPI (Low-speed pre-ignition)
Devido ao “downsizing engine” que é, basicamente, a redução de tamanho dos motores produzindo rendimento maior através de injeção direta de combustível, sobrealimentação e outras tecnologias, a probabilidade desta falha se tornou maior.
Esta anomalia é uma pré-ignição que acontece em um regime específico de baixa velocidade e alta carga. Imagine uma situação em que o motor esteja a uma baixa rotação e seja necessário uma retomada brusca. Esta condição associada a alta temperatura e um lubrificante que não atenda a característica exigida, favorece o surgimento do LSPI.
A interação de gotículas de lubrificante que se encontram na camisa com o combustível injetado aumenta a probabilidade deste tipo de falha. Também existem outros fatores que influenciam na falha, como a qualidade do combustível e contaminação por depósitos no pistão ou câmara de combustão, mas falando especificamente sobre a interação do lubrificante com o combustível, para evitar a inflamação a partir desta interação foi necessário a alteração do uso de alguns aditivos utilizados no lubrificante.
Não são todos os motores com turbo ou injeção direta que necessitam de um lubrificante com este perfil. Cada fabricante define qual a proteção necessária através de especificações impostas ao lubrificante. Mas, algumas normas exigem maior proteção contra o LSPI, exemplos: API SN Plus, API SP, Dexos 1 Gen2, Ilsac GF6-A, Ilsac GF-6B, ACEA A7/B7 e ACEA C6.
Como já foi dito neste texto, existem falhas além destas, no entanto, a maioria delas são provenientes das condições de uso, qualidade de combustível, ausência de manutenção preventiva e utilização de produtos fora de especificação.
Citamos a “condições de uso severo”, mas cabem algumas explicações sobre isso. Este tipo de uso do veículo contribui não somente para o surgimento de contaminações no sistema de injeção, mas também está diretamente ligado à degradação do lubrificante. São condições severas de uso:
Quando o veículo é submetido a condições de tráfego urbano, com excesso de uso da marcha lenta e a condição conhecida como “anda e para”;
Veículos utilizados em percursos inferiores a aproximadamente 7 km;
Longos períodos de inatividade do veículo, “veículos de final de semana”;
Uso frequente do veículo fora de estrada ou estradas com muita poeira;
Veículos utilizados com reboque ou excesso de carga.
É preciso estar atento para evitar danos ao seu veículo, principalmente, nos veículos modernos, uma vez que as novas tecnologias são mais sensíveis às contaminações e para manter o rendimento original do veículo a revisão preventiva deve ser respeitada.
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