En los motores de combustión interna de encendido por chispa , el golpeteo (también golpe , detonación , golpe de chispa , ping o pinchazo ) ocurre cuando la combustión de parte de la mezcla de aire/combustible en el cilindro no resulta de la propagación del frente de llama encendido por la bujía. , pero cuando una o más bolsas de mezcla de aire/combustible explotan fuera de la envoltura del frente de combustión normal. La carga de combustible y aire debe encenderse únicamente con la bujía y en un punto preciso de la carrera del pistón. El golpe se produce cuando el pico del proceso de combustión ya no se produce en el momento óptimo para el ciclo de cuatro tiempos . La onda de choque crea el característico sonido metálico de "ping" y la presión del cilindro aumenta dramáticamente. Los efectos del golpeteo del motor varían desde intrascendentes hasta completamente destructivos.
El golpe no debe confundirse con la preignición : son dos eventos separados. Sin embargo, el preencendido puede ir seguido de un golpe.
El fenómeno de la detonación fue descrito en noviembre de 1914 en una carta de Lodge Brothers (fabricantes de bujías e hijos de Sir Oliver Lodge ) zanjando una discusión sobre la causa de los "golpes" o "ping" en las motocicletas. En la carta afirman que una ignición temprana puede dar lugar a que el gas detone en lugar de la expansión habitual, y el sonido que se produce con la detonación es el mismo que si se hubieran golpeado las partes metálicas con un martillo. [1] Fue investigado y descrito más a fondo por Harry Ricardo durante experimentos realizados entre 1916 y 1919 para descubrir el motivo de las fallas en los motores de los aviones . [2]
En condiciones ideales, el motor de combustión interna común quema la mezcla de combustible y aire en el cilindro de forma ordenada y controlada. La combustión se inicia mediante la bujía entre 10 y 40 grados del cigüeñal antes del punto muerto superior (TDC), dependiendo de muchos factores, incluida la velocidad y la carga del motor. Este avance de encendido permite que el proceso de combustión desarrolle una presión máxima en el momento ideal para una máxima recuperación del trabajo de los gases en expansión. [3]
La chispa a través de los electrodos de la bujía forma un pequeño núcleo de llama aproximadamente del tamaño del espacio de la bujía. A medida que crece de tamaño, aumenta su producción de calor, lo que le permite crecer a un ritmo acelerado, expandiéndose rápidamente a través de la cámara de combustión. Este crecimiento se debe al desplazamiento del frente de llama a través de la propia mezcla combustible de combustible y aire, y a la inestabilidad de Rayleigh-Taylor (resultante de la expansión de los gases de combustión calientes y de baja densidad hacia la mezcla relativamente fría y densa de combustible y aire no quemado). ) que rápidamente estira la zona de combustión hasta convertirla en un complejo de dedos de gas ardiente que tienen una superficie mucho mayor que la que tendría una simple bola esférica de llamas (este último proceso se ve reforzado y acelerado por cualquier turbulencia preexistente en la relación combustible-aire). mezcla). En la combustión normal, este frente de llama se mueve a través de la mezcla de combustible/aire a una velocidad característica para la mezcla en particular. La presión aumenta suavemente hasta un pico, a medida que se consume casi todo el combustible disponible, luego la presión cae a medida que el pistón desciende. La presión máxima del cilindro se logra unos pocos grados del cigüeñal después de que el pistón pasa el PMS, de modo que la fuerza aplicada sobre el pistón (de la presión creciente aplicada a la superficie superior del pistón) puede dar su empuje más fuerte precisamente cuando la velocidad del pistón y la ventaja mecánica en el cigüeñal proporciona la mejor recuperación de la fuerza de los gases en expansión, maximizando así el par transferido al cigüeñal. [3] [4]
Cuando la mezcla de aire y combustible no quemado más allá del límite del frente de llama se somete a una combinación de calor y presión durante un período determinado (más allá del período de retardo del combustible utilizado), puede ocurrir una detonación . La detonación se caracteriza por una ignición explosiva casi instantánea de al menos una bolsa de mezcla de combustible y aire fuera del frente de la llama. Se crea una onda de choque local alrededor de cada bolsillo y la presión del cilindro aumentará bruscamente (y posiblemente más allá de sus límites de diseño), causando daños. (La detonación es en realidad más eficiente que la deflagración, pero generalmente se evita debido a sus efectos dañinos en los componentes del motor).
Si se permite que la detonación persista en condiciones extremas o durante muchos ciclos del motor, las piezas del motor pueden dañarse o destruirse. Los efectos nocivos más simples suelen ser el desgaste de partículas causado por golpes moderados, que pueden atravesar el sistema de aceite del motor y causar desgaste en otras piezas antes de quedar atrapadas en el filtro de aceite. Tal desgaste da la apariencia de erosión, abrasión o un aspecto "arenado", similar al daño causado por la cavitación hidráulica . Los golpes severos pueden provocar fallas catastróficas en forma de orificios físicos derretidos y empujados a través del pistón o la culata del cilindro (es decir, ruptura de la cámara de combustión ), cualquiera de los cuales despresuriza el cilindro afectado e introduce grandes fragmentos de metal, combustible y productos de combustión en el interior. el sistema petrolero. Se sabe que los pistones hipereutécticos se rompen fácilmente con este tipo de ondas de choque. [4]
La detonación se puede prevenir mediante cualquiera o todas las siguientes técnicas:
Debido a que la presión y la temperatura están fuertemente vinculadas, la detonación también se puede atenuar controlando las temperaturas máximas de la cámara de combustión mediante la reducción de la relación de compresión , la recirculación de los gases de escape , la calibración adecuada del programa de sincronización del encendido del motor y también un diseño cuidadoso de las cámaras de combustión y del sistema de enfriamiento del motor. como controlar la temperatura inicial de entrada de aire. [ cita necesaria ]
La adición de tetraetilo de plomo (TEL), un compuesto organoplomo soluble que se añade a la gasolina, era común hasta que se suspendió por razones de contaminación tóxica. El polvo de plomo agregado a la carga de admisión también reducirá el golpe con varios combustibles de hidrocarburos. Los compuestos de manganeso también se utilizan para reducir la detonación del combustible de gasolina.
El golpe es menos común en climas fríos. Como solución posventa, se puede emplear un sistema de inyección de agua para reducir las temperaturas máximas de la cámara de combustión y así suprimir la detonación. El vapor (vapor de agua) suprimirá el golpe aunque no se suministre refrigeración adicional.
La turbulencia, como ya hemos dicho, tiene un efecto muy importante en el detonación. Los motores con buena turbulencia tienden a golpear menos que los motores con mala turbulencia. Las turbulencias ocurren no solo mientras el motor inhala sino también cuando la mezcla se comprime y quema. Muchos pistones están diseñados para utilizar turbulencia "aplastante" para mezclar violentamente el aire y el combustible mientras se encienden y queman, lo que reduce en gran medida el golpe al acelerar la combustión y enfriar la mezcla no quemada. Un ejemplo de esto son todos los motores modernos de válvulas laterales o de cabeza plana . Una parte considerable del espacio superior se acerca a la corona del pistón, lo que genera muchas turbulencias cerca del PMS. En los primeros días de las cabezas de válvulas laterales, esto no se hacía y se tenía que usar una relación de compresión mucho más baja para cualquier combustible determinado. Además, estos motores eran sensibles al avance del encendido y tenían menos potencia. [4]
Los golpes son más o menos inevitables en los motores diésel , donde el combustible se inyecta en aire altamente comprimido hacia el final de la carrera de compresión. Hay un breve desfase entre la inyección de combustible y el inicio de la combustión. En ese momento ya hay una cantidad de combustible en la cámara de combustión que se encenderá primero en las zonas de mayor densidad de oxígeno antes de la combustión de la carga completa. Este aumento repentino de presión y temperatura provoca el característico "golpe" o "ruido" del diésel, parte del cual debe tenerse en cuenta en el diseño del motor. [ cita necesaria ]
El diseño cuidadoso de la bomba del inyector, el inyector de combustible, la cámara de combustión, la corona del pistón y la culata del cilindro puede reducir en gran medida la detonación, y los motores modernos que utilizan inyección electrónica common-rail tienen niveles muy bajos de detonación. Los motores que utilizan inyección indirecta generalmente tienen niveles más bajos de detonación que los motores de inyección directa , debido a la mayor dispersión de oxígeno en la cámara de combustión y a presiones de inyección más bajas que proporcionan una mezcla más completa de combustible y aire. En realidad, los motores diésel no sufren exactamente el mismo "golpe" que los motores de gasolina, ya que se sabe que la causa es sólo el rápido aumento de presión, no la combustión inestable. En realidad, los combustibles diésel son muy propensos a detonar en los motores de gasolina, pero en el motor diésel no hay tiempo para que se produzca la detonación porque el combustible sólo se oxida durante el ciclo de expansión. En el motor de gasolina el combustible se va oxidando lentamente todo el tiempo mientras se comprime ante la chispa. Esto permite que se produzcan cambios en la estructura/composición de las moléculas antes del período muy crítico de alta temperatura/presión. [4]
Debido a la gran variación en la calidad del combustible, la presión atmosférica y la temperatura ambiente, así como a la posibilidad de un mal funcionamiento, cada motor de combustión moderno contiene mecanismos para detectar y prevenir las detonaciones.
Un circuito de control monitorea permanentemente la señal de uno o más sensores de detonación (comúnmente sensores piezoeléctricos que pueden traducir las vibraciones en una señal eléctrica). Si se detecta el pico de presión característico de una combustión detonante, el tiempo de encendido se retarda en pasos de unos pocos grados. Si la señal se normaliza, lo que indica una combustión controlada, el tiempo de encendido avanza nuevamente de la misma manera, manteniendo el motor en su mejor punto de funcionamiento posible: el llamado "límite de detonación". Los sistemas modernos de control de detonación pueden ajustar los tiempos de encendido para cada cilindro individualmente. Dependiendo del motor específico, la presión de sobrealimentación se regula simultáneamente. De esta manera, el rendimiento se mantiene en su nivel óptimo y, al mismo tiempo, se elimina el riesgo de daños al motor causados por detonación (por ejemplo, cuando se utiliza combustible de bajo octanaje). [5] Un ejemplo temprano de esto es en los motores Saab H turboalimentados , donde se usaba un sistema llamado Control Automático de Rendimiento para reducir la presión de sobrealimentación si causaba que el motor detonara. [6]
Dado que para los ingenieros de desarrollo es tan importante evitar la detonación en la combustión, se han desarrollado una variedad de tecnologías de simulación que pueden identificar el diseño del motor o las condiciones operativas en las que se podría esperar que se produzca la detonación. Esto permite a los ingenieros diseñar formas de mitigar la combustión por detonación manteniendo al mismo tiempo una alta eficiencia térmica . [ cita necesaria ]
Dado que el inicio de la detonación es sensible a la presión dentro del cilindro, la temperatura y la química de autoignición asociada con las composiciones de la mezcla local dentro de la cámara de combustión, las simulaciones que tienen en cuenta todos estos aspectos [7] han demostrado ser las más efectivas para determinar los límites operativos de detonación. y permitir a los ingenieros determinar la estrategia operativa más adecuada.
El objetivo de las estrategias de control de detonación es intentar optimizar el equilibrio entre proteger el motor contra eventos de detonación dañinos y maximizar el par de salida del motor. Los eventos de detonación son un proceso aleatorio independiente. [8] Es imposible diseñar controladores de detonación en una plataforma determinista. Una simulación histórica única o un experimento de métodos de control de detonación no pueden proporcionar una medición repetible del rendimiento del controlador debido a la naturaleza aleatoria de los eventos de detonación que llegan. Por lo tanto, la compensación deseada debe realizarse en un marco estocástico que pueda proporcionar un entorno adecuado para diseñar y evaluar el desempeño de diferentes estrategias de control de detonación con propiedades estadísticas rigurosas. [ cita necesaria ]