A taxa de compressão, e o que realmente a limita

A detonação não é uma ignição falhada

Num motor a gasolina saudável a faísca inicia uma chama num ponto e essa chama viaja para fora através da carga, consumindo-a em um ou dois milissegundos. À frente dessa chama fica mistura por queimar, comprimida duas vezes: primeiro pelo pistão que ainda sobe e depois pelos gases queimados em expansão atrás da chama. Esse resto por queimar chama-se gás terminal, e está a mais pressão e a mais temperatura do que qualquer outra coisa no cilindro.

A detonação acontece quando o gás terminal perde a paciência. Com temperatura suficiente durante tempo suficiente, uma mistura ar-combustível acende-se sem faísca, em todo o lado ao mesmo tempo, por reações em cadeia que não precisam de chama para se propagar. Em vez de uma combustão controlada a avançar a dezenas de metros por segundo, uma grande fração da carga liberta a sua energia quase instantaneamente. A subida de pressão é tão brusca que faz ressoar o cilindro como um sino — é o ruído da detonação — e as ondas de pressão que a acompanham varrem a camada limite da cabeça do pistão e da culassa, levando a fina película de gás isolante que normalmente as protege. Mantida, destrói pistões, juntas de culassa e chumaceiras.

É esta a restrição que impede a taxa de compressão de subir. A definição geométrica e a razão pela qual o rendimento cresce com r foram tratadas no nosso artigo sobre cilindrada e taxa de compressão: tomemo-las como adquiridas, o rendimento quer r o maior possível. O que se segue é o argumento do outro lado do livro-razão.

A compressão aquece a carga, e o expoente não perdoa

Comprima um gás depressa e ele aquece, porque o trabalho que lhe entrega não tem outro sítio para onde ir senão a sua energia interna. Nos poucos milissegundos de um curso de compressão o calor mal tem tempo de escapar para as paredes, pelo que o processo é quase adiabático, e para um gás ideal isso dá T2 ÷ T1 = (V1 ÷ V2) elevado a γ − 1, com a pressão a seguir P2 ÷ P1 = (V1 ÷ V2) elevado a γ. A razão de volumes V1 ÷ V2 é exatamente a taxa de compressão. Logo o multiplicador de temperatura é r elevado a γ − 1, e mais nada.

Ponhamos números. O ar seco tem γ = 1,40, mas uma carga real leva vapor de combustível e gases de escape residuais, cujas moléculas maiores armazenam energia em vibração e rotação, pelo que γ desce para cerca de 1,30-1,35. Tome γ = 1,35 e uma temperatura inicial de 350 K — valor plausível depois de o ar ambiente ser aquecido na conduta e misturado com resíduos quentes. Então 8:1 dá 350 × 8^0,35 = 725 K; 10:1 dá 784 K; 12:1 dá 835 K; 14:1 dá 882 K; 18:1 dá 963 K. O expoente é menor do que um, pelo que a curva se dobra — mas nunca deixa de subir, e a zona em que a gasolina se porta mal é precisamente a das taxas úteis.

Duas coisas tornam o quadro real pior do que a tabela. Primeiro, o gás terminal é comprimido uma segunda vez pelos gases queimados que se expandem atrás da chama, pelo que a sua temperatura final excede o valor calculado só com o movimento do pistão. Segundo, a sobrealimentação. Um turbocompressor eleva T1 tanto como P1, e como o multiplicador se aplica a T1, cada kelvin acrescentado antes da compressão torna-se 2,2 kelvin no ponto morto superior de um motor de 10:1. Daí a importância do intercooler, e daí os motores sobrealimentados terem historicamente usado taxas mais baixas do que os atmosféricos.

A temperatura compra tempo, e é o tempo que se esgota

A autoignição não é um limiar que se atravessa instantaneamente. Uma mistura ar-combustível quente passa por uma sequência de pré-reações lentas antes de se acender, e o atraso entre atingir uma condição e acender-se nela chama-se tempo de atraso de ignição. Cai a pique com a temperatura — as velocidades químicas seguem uma exponencial de menos energia de ativação sobre temperatura —, pelo que uma subida modesta pode encurtá-lo por um grande fator. A detonação ocorre quando o atraso do gás terminal se torna mais curto do que o tempo de que a chama ainda precisa para lá chegar.

Seguem-se duas consequências, contraintuitivas enquanto não se tem o atraso em conta. A primeira: tudo o que acelera a chama ajuda — câmara de combustão compacta, vela central, turbulência dentro do cilindro, mistura próxima da estequiométrica. O gás terminal não é arrefecido, é simplesmente alcançado mais cedo. A segunda: o regime ajuda. A 6 000 rpm um grau de cambota dura um terço do que dura a 2 000 rpm, portanto os gases frescos têm um terço do tempo real para se decidirem. Por isso um motor detona a baixo regime e plena carga, a penar numa subida com uma relação demasiado longa, e não no topo do conta-rotações.

As alavancas: octanas, ignição, injeção, distribuição

O índice de octano é uma propriedade do combustível, medida num motor normalizado de compressão variável contra misturas de referência de isooctano e n-heptano. A norma ASTM D2699 define o número de octano research, medido a 600 rpm com admissão morna; a ASTM D2700 define o número de octano motor, medido a 900 rpm com mistura quente, um ensaio mais severo que dá sempre um valor menor. A Europa mostra o RON na bomba, daí os 95 e 98 familiares da norma EN 228; os Estados Unidos mostram a média dos dois segundo a regra da Federal Trade Commission, daí uns 87 e 91 que parecem mais baixos sem serem piores. Mais octanas não acrescenta energia: compra atraso de ignição, precisamente a moeda que os gases frescos gastam.

Atrasar a ignição é a alavanca que o próprio motor puxa, em milissegundos, mal um sensor de detonação ouve problemas. Acender mais tarde significa que o pistão já começou a descer quando chega o pico de pressão, pelo que a pressão e a temperatura dos gases frescos são menores e a chama tem menos curso de compressão contra si. O preço é o rendimento: o pico de pressão atua agora sobre uma cambota que já passou o seu melhor braço de alavanca, e menos energia libertada se converte em trabalho. Existe um avanço ótimo para o binário máximo, e um motor limitado pela detonação passa a vida, a baixo regime e plena carga, deliberadamente do lado atrasado desse ótimo. É uma das razões pelas quais um motor concebido para combustível de octanas altas perde mesmo potência com octanas baixas, em vez de apenas soar pior.

A injeção direta ataca a própria temperatura. Pulverizar o combustível dentro do cilindro em vez de na conduta significa que o calor latente de vaporização é retirado da carga fechada e não do coletor de admissão. Calculemos: a gasolina precisa de cerca de 350 kJ por quilograma para se vaporizar, e uma mistura estequiométrica leva um quilograma de combustível por cada 14,7 quilogramas de ar, pelo que cada quilograma de ar cede 350 ÷ 14,7 = 23,8 kJ. Divida pelo calor específico do ar a pressão constante, 1,005 kJ por quilograma-kelvin: a carga arrefece 23,7 K. Passe isso pela mesma lei de potências: num motor de 10:1 retira 23,7 × 10^0,35 = 53 K à temperatura de fim de compressão, ou permite de forma equivalente subir a taxa de 10:1 para 12,2:1 para a mesma temperatura de carga. Só esse mecanismo explica a maior parte de os motores a gasolina de injeção direta modernos estarem por volta de 12:1 onde os de injeção indireta estavam por volta de 10:1.

O mesmo cálculo explica o etanol. O seu calor latente vale cerca de 840 kJ por quilograma e queima estequiometricamente por volta de 9 partes de ar para 1 de combustível, pelo que cada quilograma de ar cede 93 kJ e a carga arrefece 93 K, quatro vezes o valor da gasolina. Aritmeticamente isso autorizaria uma taxa enorme; a honestidade obriga a dizer que não, porque a temperatura é só uma entrada do atraso de ignição e porque o motor ainda tem de arrancar, ralentar e funcionar a frio com o mesmo combustível. O que o número explica é porque os motores flex-fuel e os de competição com muito etanol suportam taxas e pressões de sobrealimentação que destruiriam o mesmo material a gasolina.

Taxa efetiva: comprimir menos do que se expande

A taxa de compressão geométrica é fixada pelo pistão e pela câmara, mas o motor só começa a comprimir quando a válvula de admissão fecha. Feche-a tarde — bem depois do ponto morto inferior — e parte da carga é devolvida à conduta antes de a porta fechar: o volume realmente aprisionado é menor do que o cilindro inteiro, e a taxa de compressão efetiva cai abaixo da geométrica. A relação de expansão, essa, continua a ir da câmara ao volume total do cilindro, porque o escape não abre mais cedo. Comprime-se como um motor de taxa baixa e expande-se como um de taxa alta, e é exatamente aí que mora o rendimento.

O cálculo é o de um mecanismo biela-manivela. Tome um motor de 13:1 geométrico, com uma relação biela sobre manivela de 3,2 e um volume morto de um doze avos da cilindrada unitária. Com o fecho da admissão 10 graus depois do ponto morto inferior, o volume aprisionado dá uma taxa efetiva de 12,9:1; a 30 graus, 12,4:1; a 50 graus, 11,4:1; a 70 graus, 9,9:1; a 90 graus, 8,0:1. Meta isso na lei da temperatura: o motor de 13:1 que teria chegado a 859 K fica-se por 781 K fechando a 70 graus — 78 K ganhos só com a afinação da árvore de cames, enquanto cada expansão continua a usar o 13:1 completo.

O preço é a massa aprisionada. Devolver carga para fora do cilindro significa menos ar por ciclo, pelo que o binário por litro cai; por isso estes motores costumam ser acompanhados de uma máquina elétrica que preenche o buraco de binário a baixo regime, e por isso a distribuição variável é a tecnologia que o viabiliza: a árvore de cames pode manter a afinação tardia e rentável em cruzeiro e voltar a uma afinação convencional quando se pede todo o binário. Por isso anunciar uma única taxa de compressão para um motor moderno é um pouco desonesto: o número geométrico é fixo, mas o que a carga realmente sofre mexe-se com a carga e o regime.

O 18:1 de um diesel é um problema completamente diferente

Um diesel gira a 16:1, 18:1 ou mais, muito acima de todas as taxas às quais um motor a gasolina se destrói, e a razão é que nunca tem gás terminal. Comprime ar sozinho. Não há nada no cilindro que se possa autoacender durante a compressão: a temperatura da tabela — 963 K a 18:1 a partir de 350 K, e mais ainda com o γ do ar seco — não é um perigo mas o objetivo de projeto. O combustível é injetado perto do ponto morto superior num ar já suficientemente quente para o acender, e a combustão começa onde está o jato, propagando-se à medida que mais combustível chega. A autoignição é o sistema de ignição.

Os problemas simplesmente mudam de sítio. A pressão máxima é enorme — a tabela dá 49,5 bar no fim da compressão antes de ter ardido combustível, e a combustão acrescenta muito mais — pelo que o bloco, os parafusos de culassa, as chumaceiras e a cambota são todos mais pesados à mesma cilindrada. O atraso de ignição passa a ser um problema de ruído e de esforço, não de destruição: o combustível injetado durante o atraso acumula-se e depois arde de uma vez, e isso é a detonação diesel, o matraquear duro de um motor velho numa manhã fria, e a razão pela qual os sistemas common rail modernos injetam uma pequena dose piloto para iniciar uma chama antes do evento principal. E o compromisso entre taxa de compressão e emissões joga ao contrário: taxas muito altas sobem a temperatura máxima, e é essa temperatura que fabrica óxidos de azoto, uma das razões pelas quais os diesel modernos desceram face às taxas de há trinta anos.

Medir a taxa num motor real

A cilindrada unitária é fácil: diâmetro, curso e um pouco de geometria. Toda a dificuldade está no volume morto, porque não é uma cavidade mas quatro contribuições, e três esquecem-se com facilidade. Tome um quatro cilindros de 82,5 mm de diâmetro e 92,8 mm de curso. A secção vale π ÷ 4 × 82,5² = 5 345,6 mm², pelo que a cilindrada unitária vale 5 345,6 × 92,8 = 496,07 cm³ e o motor 1 984 cm³.

Agora o volume morto, parcela a parcela. A câmara de combustão da culassa mede-se, não se calcula: sele-a com uma placa plana, nivele a culassa e verta líquido de uma bureta graduada até encher — 38,0 cm³ no nosso motor. A junta de culassa acrescenta a sua própria passagem: uma abertura de 84,0 mm com 1,2 mm de espessura vale π ÷ 4 × 84² × 1,2 = 6,65 cm³. O recuo do pistão, a folga que fica porque o pistão não chega bem ao plano do bloco, acrescenta a secção vezes essa folga: 0,5 mm dá 2,67 cm³. E a cabeça do pistão, escavada em 4,0 cm³ neste exemplo, soma a sua cava ou subtrai a sua cúpula. Total 51,32 cm³, donde a taxa é (496,07 + 51,32) ÷ 51,32 = 10,67:1.

A sensibilidade é a parte útil. Retifique 0,5 mm da culassa e retira aproximadamente a secção vezes essa profundidade, 2,67 cm³, o que leva o volume morto a 48,65 cm³ e a taxa a 11,20:1 — meio milímetro de metal vale meio ponto. Monte uma junta de 1,5 mm em vez de 1,2 mm e a taxa cai para 10,36:1. E um erro de um centímetro cúbico na câmara medida, fácil de cometer com uma culassa mal nivelada ou uma bolha presa, desloca a resposta entre 10,48 e 10,86. Por isso a câmara se mede com bureta em vez de se estimar, e por isso convém desconfiar de quem anuncia uma taxa de compressão com três casas decimais sem uma bureta na história.

Perguntas frequentes

Um combustível de octanas mais altas tornará o meu carro mais rápido?

Só se o motor estivesse travado. Um motor moderno escuta a detonação e atrasa a ignição assim que a ouve: um motor calibrado para octanas altas e alimentado com octanas baixas dá mesmo menos potência, e devolver-lhe o combustível que espera restaura o que perdera. Um motor calibrado para combustível normal e já no seu avanço ótimo não tem nada a ganhar: as octanas extra compram um atraso de ignição de que não andava carente. Leia a exigência de combustível no manual, repare se diz obrigatório ou recomendado, e deixe isso decidir.

Porque têm os motores turbo taxas de compressão mais baixas?

Porque sobrealimentar eleva ao mesmo tempo a pressão e a temperatura no início da compressão, e a taxa multiplica depois a temperatura. Cada kelvin acrescentado pelo compressor torna-se r elevado a γ − 1 kelvin no ponto morto superior — um fator 2,2 num motor de 10:1. Baixar a taxa geométrica é a maneira grosseira de recomprar essa margem; o intercooler, a injeção direta e o fecho tardio da admissão são as modernas, e por isso os motores a gasolina sobrealimentados atuais voltaram a subir para 10:1 e além, em vez de ficarem no 8:1 que o turbo outrora exigia.

A pré-ignição é o mesmo que a detonação?

Não, e a diferença importa porque uma é muito mais destrutiva. A detonação ocorre depois da faísca, quando os gases frescos se autoacendem à frente de uma chama já iniciada. A pré-ignição ocorre antes da faísca, quando algo na câmara — um depósito incandescente, um bordo de válvula sobreaquecido, uma aresta viva do pistão — acende a mistura cedo demais. Toda a carga arde então contra um pistão que sobe, as pressões ultrapassam de longe o dimensionamento e os danos chegam em segundos e não em minutos. A pré-ignição a baixo regime em motores de injeção direta muito sobrealimentados é ainda um fenómeno distinto, e é uma das razões pelas quais esses motores são tão exigentes com a especificação do óleo.

Posso subir a taxa de compressão retificando a culassa?

Mecanicamente sim, e a aritmética deste artigo diz quanto: meio milímetro da nossa culassa de exemplo vale cerca de meio ponto de taxa. Se é boa ideia é outra questão. Aproxima o motor do limite de detonação de que tinha sido afastado, desloca a afinação da árvore de cames face à cambota num motor de correia, pode comprometer a folga válvula-pistão e não muda nada quanto ao combustível que vai realmente pôr. Num motor moderno com antidetonante, o resultado provável é que a centralina atrase a ignição e devolva o que a compressão tinha ganho. É uma operação de preparação, não de manutenção, e anda de mãos dadas com uma cartografia à medida.

Porque é que o meu motor só bate em subida com relação longa?

Porque esse é o ponto de funcionamento em que os gases frescos recebem mais calor e mais tempo. Plena carga a baixo regime enche completamente o cilindro: a pressão e a temperatura no fim da compressão estão no máximo, enquanto a cambota roda devagar o suficiente para cada grau durar muito em milissegundos. A chama demora portanto muitos milissegundos a atravessar a câmara, e os gases frescos dispõem de todos eles para completar as suas pré-reações. Reduza uma relação: a mesma potência chega a mais rotações com a borboleta parcialmente fechada — menos carga, menos tempo, sem detonação.