Golpeteo del motor

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En los motores de combustión interna de encendido por chispa , el golpeteo (también detonación, detonación de chispa , ping o picadura ) ocurre cuando la combustión de parte de la mezcla de aire y combustible en el cilindro no es resultado de la propagación del frente de llama encendido por la bujía , sino cuando una o más bolsas de mezcla de aire y combustible explotan fuera de la envoltura del frente de combustión normal. La carga de combustible y aire está destinada a ser encendida solo por la bujía y en un punto preciso en la carrera del pistón. El golpeteo ocurre 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 drásticamente. Los efectos del golpeteo del motor varían desde intrascendentes hasta completamente destructivos.

No se debe confundir el golpeteo con el preencendido , ya que son dos eventos separados. Sin embargo, el preencendido puede estar seguido de un golpeteo.

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 del "golpeteo" o "ping" en las motocicletas. En la carta afirmaban que un encendido prematuro puede dar lugar a que el gas detone en lugar de la expansión habitual, y el sonido que se produce por la detonación es el mismo que si se hubieran golpeado las piezas metálicas con un martillo. ^[1] Fue investigado y descrito más a fondo por Harry Ricardo durante los experimentos realizados entre 1916 y 1919 para descubrir la razón 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 manera ordenada y controlada. La combustión se inicia mediante la bujía unos 10 a 40 grados del cigüeñal antes del punto muerto superior (PMS), dependiendo de muchos factores, entre ellos la velocidad y la carga del motor. Este avance del encendido permite que el proceso de combustión tenga tiempo para desarrollar la presión máxima en el momento ideal para la máxima recuperación del trabajo de los gases en expansión. ^[3]

La chispa que pasa por los electrodos de la bujía forma un pequeño núcleo de llama de aproximadamente el tamaño de la abertura de la bujía. A medida que aumenta 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 recorrido del frente de llama a través de la propia mezcla 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 de combustible y aire relativamente fría y densa que no se quema), que rápidamente estira la zona de combustión hasta formar un complejo de dedos de gas en combustión que tienen una superficie mucho mayor que la que tendría una simple bola esférica de llama (este último proceso se ve potenciado y acelerado por cualquier turbulencia preexistente en la mezcla de combustible y aire). En una combustión normal, este frente de llama se mueve por toda la mezcla de combustible y aire a un ritmo característico de la mezcla en particular. La presión aumenta suavemente hasta alcanzar un pico, a medida que se consume casi todo el combustible disponible, y luego la presión cae a medida que desciende el pistón. La presión máxima del cilindro se alcanza 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 sobre el cigüeñal brindan la mejor recuperación de fuerza de los gases en expansión, maximizando así el torque transferido al cigüeñal. ^{[3] [4]}

Cuando la mezcla de combustible y aire que no se ha quemado más allá del límite del frente de llama se somete a una combinación de calor y presión durante un tiempo determinado (más allá del período de retardo del combustible utilizado), puede producirse 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 llama. Se crea una onda de choque local alrededor de cada bolsa y la presión del cilindro aumenta bruscamente (y posiblemente más allá de sus límites de diseño), lo que provoca daños. (La detonación es en realidad más eficiente que la deflagración, pero generalmente se evita debido a sus efectos dañinos sobre 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 son típicamente el desgaste de partículas causado por un golpeteo moderado, que puede seguir a través del sistema de aceite del motor y causar desgaste en otras piezas antes de ser atrapado por el filtro de aceite. Este desgaste da la apariencia de erosión, abrasión o un aspecto "arenado", similar al daño causado por la cavitación hidráulica . Un golpeteo severo puede provocar una falla catastrófica en forma de agujeros físicos fundidos y empujados a través del pistón o la cabeza 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 sistema de aceite. Se sabe que los pistones hipereutécticos se rompen fácilmente por tales ondas de choque. ^[4]

La detonación se puede prevenir mediante cualquiera o todas las siguientes técnicas:

• retardando el tiempo de encendido
• el uso de un combustible con alto índice de octano , lo que aumenta la temperatura de combustión del combustible y reduce la propensión a detonar
• Enriquecimiento de la relación aire-combustible, lo que altera las reacciones químicas durante la combustión, reduce la temperatura de combustión y aumenta el margen de detonación.
• Reducción de la presión máxima del cilindro
• Disminuir la presión del colector reduciendo la apertura del acelerador o la presión de refuerzo.
• reduciendo la carga en el motor

Debido a que la presión y la temperatura están estrechamente relacionadas, el golpe de estado 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 cronograma de encendido del motor y un diseño cuidadoso de las cámaras de combustión y el sistema de enfriamiento del motor, así como controlando la temperatura inicial de admisión de aire. ^{[ cita requerida ]}

La adición de tetraetilo de plomo (TEL), un compuesto orgánico soluble de plomo que se agrega a la gasolina, era común hasta que se dejó de usar por razones de contaminación tóxica. El polvo de plomo agregado a la carga de admisión también reduce el golpeteo con varios combustibles de hidrocarburos. Los compuestos de manganeso también se utilizan para reducir el golpeteo con combustible de gasolina.

El golpeteo 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, de esta manera, suprimir la detonación. El vapor (vapor de agua) suprimirá el golpeteo aunque no se suministre refrigeración adicional.

La turbulencia, como se ha dicho, tiene un efecto muy importante en el golpeteo. Los motores con buena turbulencia tienden a golpear menos que los motores con mala turbulencia. La turbulencia se produce no sólo cuando el motor está inhalando, sino también cuando la mezcla se comprime y se quema. Muchos pistones están diseñados para utilizar la turbulencia de "aplastamiento" para mezclar violentamente el aire y el combustible juntos a medida que se encienden y se queman, lo que reduce en gran medida el golpeteo al acelerar la combustión y enfriar la mezcla no quemada. Un ejemplo de esto son todos los motores modernos de válvulas laterales o de cabezal plano . Una parte considerable del espacio de cabeza está hecha para que quede cerca de la corona del pistón, lo que genera mucha turbulencia cerca del PMS. En los primeros días de los cabezales de válvulas laterales esto no se hacía y se tenía que utilizar una relación de compresión mucho menor para cualquier combustible dado. Además, estos motores eran sensibles al avance del encendido y tenían menos potencia. ^[4]

El golpeteo es más o menos inevitable en los motores diésel , donde el combustible se inyecta en aire altamente comprimido hacia el final de la carrera de compresión. Hay un pequeño desfase entre la inyección de combustible y el inicio de la combustión. ^{[ cita requerida ]} En ese momento ya hay una cantidad de combustible en la cámara de combustión que se encenderá primero en áreas de mayor densidad de oxígeno antes de la combustión de la carga completa. Este aumento repentino de presión y temperatura causa el característico "golpeteo" o "traqueteo" del diésel, parte del cual debe tenerse en cuenta en el diseño del motor. ^{[ cita requerida ]}

Un diseño cuidadoso de la bomba de inyección, el inyector de combustible, la cámara de combustión, la corona del pistón y la culata puede reducir en gran medida el golpeteo, y los motores modernos que utilizan inyección electrónica common rail tienen niveles muy bajos de golpeteo. Los motores que utilizan inyección indirecta generalmente tienen niveles más bajos de golpeteo que los motores de inyección directa , debido a la mayor dispersión de oxígeno en la cámara de combustión y 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 "golpeteo" que los motores de gasolina, ya que se sabe que la causa es solo la tasa muy rápida de aumento de presión, no una combustión inestable. Los combustibles diésel son en realidad muy propensos al golpeteo en los motores de gasolina, pero en el motor diésel no hay tiempo para que se produzca el golpeteo porque el combustible solo se oxida durante el ciclo de expansión. En el motor de gasolina, el combustible se oxida lentamente todo el tiempo mientras se comprime antes de 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 la posibilidad de un mal funcionamiento, cada motor de combustión moderno contiene mecanismos para detectar y prevenir el picado.

Un circuito de control monitorea permanentemente la señal de uno o más sensores de detonación (comúnmente sensores piezoeléctricos que pueden traducir vibraciones en una señal eléctrica). Si se detecta el pico de presión característico de una combustión con detonación, el tiempo de encendido se retrasa en pasos de unos pocos grados. Si la señal se normaliza indicando una combustión controlada, el tiempo de encendido se adelanta nuevamente de la misma manera, manteniendo el motor en su mejor punto de funcionamiento posible, el llamado "límite de detonación". Los sistemas de bucle de control de detonación modernos pueden ajustar los tiempos de encendido para cada cilindro individualmente. Dependiendo del motor específico, la presión de refuerzo se regula simultáneamente. De esta manera, el rendimiento se mantiene en su nivel óptimo mientras se elimina en gran medida el riesgo de daño al motor causado por la detonación (por ejemplo, cuando se funciona con combustible de bajo octanaje). ^[5] Un ejemplo temprano de esto es en los motores turboalimentados Saab H , donde se utilizó un sistema llamado Control Automático de Rendimiento para reducir la presión de refuerzo si causaba que el motor detonara. ^[6]

Dado que evitar la combustión por detonación es tan importante para los ingenieros de desarrollo, se han desarrollado diversas tecnologías de simulación que pueden identificar el diseño del motor o las condiciones de funcionamiento en las que se podría esperar que se produjeran detonaciones. Esto permite a los ingenieros diseñar formas de mitigar la combustión por detonación manteniendo al mismo tiempo una alta eficiencia térmica . ^{[ cita requerida ]}

Dado que el inicio del detonante 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 más efectivas para determinar los límites operativos del detonante y permitir a los ingenieros determinar la estrategia operativa más apropiada.

El objetivo de las estrategias de control de detonación es intentar optimizar el equilibrio entre la protección del motor contra eventos de detonación dañinos y la maximización del 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 de historial de tiempo único 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, el equilibrio deseado debe realizarse en un marco estocástico que pueda proporcionar un entorno adecuado para diseñar y evaluar el rendimiento de diferentes estrategias de control de detonación con propiedades estadísticas rigurosas. ^{[ cita requerida ]}

• di Gaeta, Alessandro; Giglio, Veniero; Police, Giuseppe; Rispoli, Natale (2013). "Modelado de oscilaciones de presión en cilindros bajo condiciones de detonación: un enfoque general basado en la ecuación de onda amortiguada". Fuel . 104 : 230–243. doi :10.1016/j.fuel.2012.07.066.
• Giglio, Veniero; Policía, José; Rispoli, Natale; Iorio, Biagio; di Gaeta, Alessandro (2011). "Evaluación experimental de modelos cinéticos reducidos para la simulación de detonación en motores SI". Serie de artículos técnicos SAE . vol. 1. doi :10.4271/2011-24-0033.
• di Gaeta, Alessandro; Giglio, Veniero; Policía, José; Reale, Fabricio; Rispoli, Natale (2010). "Modelado de oscilaciones de presión en condiciones de golpe: un enfoque de ecuación de onda diferencial parcial". Serie de artículos técnicos SAE . vol. 1. doi :10.4271/2010-01-2185.
• Simulaciones predictivas de combustión para motores de encendido por chispa con inyección directa de “tamaño reducido”: soluciones para preencendido (“megadetonación”), fallo de encendido, extinción, propagación de llama y “detonación” convencional, cmcl innovations, consultado en junio de 2010.
• Conceptos básicos del motor: detonación y preignición, Allen W. Cline, consultado en junio de 2007.
• Giglio, Veniero; Policía, José; Rispoli, Natale; di Gaeta, Alessandro; Cecere, Michele; Della Ragione, Livia (2009). "Investigación experimental sobre el uso de corriente iónica en motores SI para la detección de detonaciones". Serie de artículos técnicos SAE . vol. 1. doi :10.4271/2009-01-2745.
• Taylor, Charles Fayette (1985). El motor de combustión interna en teoría y práctica: combustión, combustibles, materiales, diseño . MIT Press. ISBN 9780262700276.

• NACA - Combustión y detonación en un motor de encendido por chispa
• NACA - Ionización en la zona de detonación de un motor de combustión interna
• NACA - Interdependencia de varios tipos de autoignición y detonación