Golpeteo del motor

En los motores de combustión interna de encendido por chispa , el golpeteo (también llamado detonación , golpeteo de chispa o tintineo ) ocurre cuando la combustión de parte de la mezcla aire/combustible en el cilindro se origina en una fuente distinta al frente de llama encendido por la bujía ; en otras palabras, cuando una o más bolsas de la mezcla aire/combustible explotan fuera del frente de combustión normal. La mezcla aire-combustible debe encenderse únicamente mediante la bujía y en un punto preciso de 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 "tintineo" y la presión en el cilindro aumenta drásticamente. Los efectos del golpeteo del motor varían desde insignificantes hasta completamente destructivos.

No hay que confundir el golpeteo con la preignición ; son dos fenómenos distintos. Sin embargo, la preignición puede ir seguida de 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 ) que resolvía una discusión sobre la causa del "golpeteo" o "detonación" en las motocicletas. En la carta afirmaban que un encendido prematuro puede provocar la detonación del gas en lugar de la expansión habitual, y que el sonido producido por la detonación es el mismo que si las piezas metálicas hubieran sido golpeadas con un martillo. ^{[ 1 ]} Posteriormente, Harry Ricardo lo investigó y describió durante experimentos realizados entre 1916 y 1919 para descubrir la causa de las fallas en los motores de aeronaves . ^{[ 2 ]}

En condiciones normales de funcionamiento, un motor de combustión interna quema la mezcla aire/combustible 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 (PMS), dependiendo de diversos factores, como la velocidad y la carga del motor . Este avance del encendido permite que el proceso de combustión alcance la presión máxima en el momento óptimo para la máxima recuperación de energía de los gases en expansión. ^{[ 3 ]}

La chispa entre los electrodos de la bujía forma un pequeño núcleo de llama, aproximadamente del tamaño del espacio entre los electrodos. A medida que crece, su producción de calor aumenta, lo que le permite crecer a un ritmo acelerado, expandiéndose rápidamente por la cámara de combustión. Este crecimiento se debe al desplazamiento del frente de llama a través de la mezcla combustible de aire y combustible, y a la inestabilidad de Rayleigh-Taylor (resultante de la expansión de los gases de combustión calientes y de baja densidad en la mezcla relativamente fría y densa de aire y combustible sin quemar), que estira rápidamente la zona de combustión formando un complejo de filamentos de gas incandescente con una superficie mucho mayor que la de una simple bola de llama esférica (este último proceso se ve potenciado y acelerado por cualquier turbulencia preexistente en la mezcla de aire y combustible). En la combustión normal, este frente de llama se desplaza por la mezcla de aire y combustible a una velocidad característica de dicha mezcla. La presión aumenta gradualmente hasta alcanzar un pico, cuando casi todo el combustible disponible se ha consumido, y luego disminuye a medida que el pistón desciende. La presión máxima en el cilindro se alcanza unos pocos grados del cigüeñal después de que el pistón pase el PMS, de modo que la fuerza aplicada sobre el pistón (debido a la presión creciente aplicada a la superficie superior del pistón) pueda ejercer su máximo empuje precisamente cuando la velocidad del pistón y la ventaja mecánica sobre el cigüeñal permiten la mejor recuperación de la fuerza de los gases en expansión, maximizando así el par motor transmitido al cigüeñal. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

Cuando la mezcla de combustible y aire sin quemar, más allá del frente de llama, se somete a una combinación de calor y presión durante un tiempo determinado (superior al tiempo de retardo del combustible utilizado), puede producirse una detonación . La detonación se caracteriza por la ignición explosiva, casi instantánea, de al menos una bolsa de mezcla aire/combustible fuera del frente de llama. Se genera una onda de choque local alrededor de cada bolsa, y la presión en el cilindro aumenta bruscamente —posiblemente superando sus límites de diseño—, causando daños. (En realidad, la detonación es más eficiente que la deflagración, pero suele evitarse debido a sus efectos perjudiciales 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. El efecto perjudicial más simple es el desgaste por partículas causado por un golpeteo moderado, cuya dispersión en el sistema de lubricación del motor provoca desgaste abrasivo en otras piezas antes de ser retenida por el filtro de aceite. Este desgaste da la apariencia de erosión, abrasión o un aspecto de "chorro de arena", similar al daño causado por la cavitación hidráulica . Un golpeteo severo puede provocar una falla catastrófica en forma de orificios físicos fundidos que atraviesan el pistón o la culata (es decir, la ruptura de la cámara de combustión ), lo que despresuriza el cilindro afectado e introduce grandes fragmentos de metal, combustible y productos de combustión en el sistema de lubricación. Se sabe que los pistones hipereutécticos se rompen fácilmente por tales ondas de choque. ^{[ 4 ]}

La detonación puede prevenirse mediante cualquiera o todas las siguientes técnicas:

• retardo del momento de encendido
• el uso de un combustible con un alto índice de octano , que aumenta la temperatura de combustión del combustible y reduce la propensión a la detonación.
• Enriquecer la relación aire-combustible , lo que altera las reacciones químicas durante la combustión, reduce la temperatura de combustión y aumenta el margen de detonación.
• reduciendo la presión máxima del cilindro
• disminuir la presión del colector reduciendo la apertura del acelerador o la presión de sobrealimentación
• reduciendo la carga sobre el motor
• adición de un inhibidor de detonación al combustible, lo que aumenta el índice de octano efectivo y la resistencia a la detonación.

Debido a la estrecha relación entre la presión y la temperatura, el golpeteo también puede atenuarse 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 un diseño cuidadoso de las cámaras de combustión y del sistema de refrigeración del motor, así como controlando la temperatura inicial de admisión de aire.

La adición de tetraetilplomo (TEL), un compuesto organoplomo soluble que se agrega a la gasolina, era común hasta que se suspendió debido a la contaminación tóxica que producía. El polvo de plomo añadido a la mezcla de admisión también reduce el golpeteo con diversos combustibles de hidrocarburos. Los compuestos de manganeso también se utilizan para reducir el golpeteo con gasolina.

El golpeteo es menos común en climas fríos. Como solución alternativa, se puede emplear un sistema de inyección de agua para reducir la temperatura máxima de la cámara de combustión y, por lo tanto, suprimir la detonación. El vapor de agua también suprime el golpeteo, incluso sin refrigeración adicional.

La turbulencia tiene un efecto importante en el golpeteo. Los motores con buena turbulencia tienden a golpear menos que los motores con turbulencia deficiente. La turbulencia se produce no solo durante la admisión del motor, sino también cuando la mezcla se comprime y se quema. Muchos pistones están diseñados para utilizar la turbulencia de compresión para mezclar violentamente el aire y el combustible durante la ignición y la combustión, lo que reduce considerablemente 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 culata plana . Una parte considerable del espacio de la culata se coloca muy cerca de la cabeza del pistón, lo que genera mucha turbulencia cerca del punto muerto superior (PMS). En los inicios de las culatas 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 prácticamente inevitable en los motores diésel , donde el combustible se inyecta en aire altamente comprimido hacia el final de la carrera de compresión. Existe un breve retardo entre la inyección del combustible y el inicio de la combustión. Para entonces, 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 que se queme la carga completa. Este aumento repentino de presión y temperatura provoca el característico golpeteo o traqueteo diésel, que debe tenerse en cuenta en el diseño del motor.

Un diseño cuidadoso de la bomba de inyección, el inyector de combustible, la cámara de combustión, la cabeza del pistón y la culata puede reducir considerablemente el golpeteo, y los motores modernos que utilizan inyección common rail electrónica presentan niveles muy bajos de golpeteo. Los motores que utilizan inyección indirecta generalmente tienen niveles más bajos de golpeteo que los de inyección directa , debido a la mayor dispersión de oxígeno en la cámara de combustión y a las menores presiones de inyección, lo que proporciona una mezcla más completa de combustible y aire. Los motores diésel no sufren exactamente el mismo "golpeteo" que los de gasolina, ya que se sabe que la causa es únicamente la rápida tasa de aumento de presión, no la combustión inestable. Los combustibles diésel son muy propensos al golpeteo (en comparación con la gasolina), pero en el motor diésel no hay tiempo para que se produzca, ya que 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 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, todos los motores de combustión modernos contienen mecanismos para detectar y prevenir el golpeteo.

Un bucle de control monitoriza permanentemente la señal de uno o más sensores de detonación (generalmente sensores piezoeléctricos capaces de convertir vibraciones en una señal eléctrica). Si se detecta el pico de presión característico de una combustión con detonación, el avance del encendido se retrasa en pasos de unos pocos grados. Si la señal se normaliza, indicando una combustión controlada, el avance del encendido se vuelve a adelantar de la misma manera, manteniendo el motor en su punto de funcionamiento óptimo: el llamado "límite de detonación". Los modernos sistemas de bucle de control de detonación pueden ajustar el avance del encendido de cada cilindro individualmente. Dependiendo del motor específico, la presión de sobrealimentación se regula simultáneamente. De esta forma, se mantiene el rendimiento en su nivel óptimo, eliminando en gran medida el riesgo de daños en el motor causados ​​por la detonación (por ejemplo, al usar combustible de bajo octanaje). ^{[ 5 ]} Un ejemplo temprano de esto se encuentra en los motores turboalimentados Saab H , donde se utilizaba un sistema llamado Control Automático de Rendimiento para reducir la presión de sobrealimentación si provocaba la detonación del motor. ^{[ 6 ]}

Dado que evitar la combustión con detonación es fundamental para los ingenieros de desarrollo, se han desarrollado diversas tecnologías de simulación que permiten identificar el diseño del motor o las condiciones de funcionamiento en las que es probable que se produzca. Esto posibilita a los ingenieros diseñar métodos para mitigar la combustión con detonación manteniendo una alta eficiencia térmica .

Dado que el inicio del golpeteo es sensible a la presión dentro del cilindro, la temperatura y la química de autoignición asociada con las composiciones de mezcla locales 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 del golpeteo y permitir a los ingenieros determinar la estrategia operativa más apropiada.

The objective of knock control is to attempt to optimize the trade-off between protecting the engine from damaging knock events and maximizing the engine's output torque. Knock events are an independent random process.^[8] It is impossible to design knock controllers in a deterministic platform. A single time history simulation or experiment of knock control methods are not able to provide a repeatable measurement of controller's performance because of the random nature of arriving knock events. Therefore, the desired trade-off must be done in a stochastic framework which could provide a suitable environment for designing and evaluating different knock control strategies performances with rigorous statistical properties.

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• 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 .
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• Informe NACA 727 - Combustión y detonación en un motor de encendido por chispa (Archivado)
• Informe NACA 774 - Ionización en la zona de detonación de un motor de combustión interna (Archivado)
• Informe NACA 912 - Interdependencia de varios tipos de autoignición y detonación (mediante DTIC)