Los golpes (también golpe , detonación , golpe de chispa , silbido o pique ) en los motores de combustión interna de encendido por chispa ocurren cuando la combustión de parte de la mezcla de aire / combustible en el cilindro no es el resultado de la propagación del frente de llama encendido por la bujía , una o más bolsas de mezcla de aire / combustible explotan fuera de la envoltura del frente de combustión normal. La carga de aire y combustible debe encenderse únicamente con la bujía y en un punto preciso de la carrera del pistón. La detonación ocurre cuando el pico del proceso de combustión ya no ocurre 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 de las detonaciones del motor van desde intrascendentes hasta completamente destructivos.
Detonación no debe confundirse con la pre-ignición -son dos eventos separados. Sin embargo, el preencendido puede ir seguido de un golpe.
El fenómeno de la detonación se describió 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 de "Knocking" o "Pinging" en motocicletas. En la carta afirmaron que un encendido temprano puede dar lugar a la detonación del gas en lugar de la expansión habitual, y el sonido que se produce por la detonación es el mismo que si las partes metálicas hubieran sido golpeadas con un martillo. [1] Fue investigado y descrito más a fondo por Harry Ricardo durante experimentos llevados a cabo entre 1916 y 1919 para descubrir la razón de las fallas en los motores de los aviones . [2]
Combustión normal [ editar ]
En condiciones ideales, el motor de combustión interna común quema la mezcla de combustible / aire en el cilindro de manera ordenada y controlada. La combustión se inicia con la bujía unos 10 a 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 da tiempo para que el proceso de combustión desarrolle la presión máxima en el momento ideal para la máxima recuperación de trabajo de los gases en expansión. [3]
La chispa que atraviesa los electrodos de la bujía forma un pequeño núcleo de llama aproximadamente del tamaño del espacio 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 viaje del frente de la llama a través de la mezcla de aire combustible combustible en sí, y debido a la turbulencia que rápidamente estira la zona de combustión en un complejo de dedos de gas ardiente que tienen un área de superficie mucho mayor que una simple bola esférica de llama tendría. En la combustión normal, este frente de llama se mueve a través de la mezcla de aire / combustible a una velocidad característica de la mezcla particular. La presión aumenta suavemente hasta un pico, ya que se consume casi todo el combustible disponible, luego la presión cae a medida que desciende el pistón.La presión máxima del cilindro se logra unos pocos grados en el cigüeñal después de que el pistón pasa por el TDC, de modo que la fuerza aplicada sobre el pistón (debido al aumento de la presión 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 fuerza de los gases en expansión, maximizando así el par transferido al cigüeñal.[3] [4]
Combustión anormal [ editar ]
Cuando la mezcla de aire / combustible sin quemar más allá del límite del frente de la llama se somete a una combinación de calor y presión durante un período determinado (más allá del período de demora del combustible utilizado), puede producirse la detonación . La detonación se caracteriza por una ignición explosiva casi instantánea de al menos una bolsa de mezcla de combustible / 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.
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 deletéreos más simples son típicamente el desgaste de partículas causado por golpes moderados, que pueden sobrevenir a través del sistema de aceite del motor y causar desgaste en otras partes antes de ser atrapadas por el filtro de aceite. Dicho desgaste da la apariencia de erosión, abrasión o un aspecto "pulido con chorro de arena", similar al daño causado por la cavitación hidráulica. Los golpes fuertes pueden provocar una falla catastrófica en forma de orificios físicos derretidos y empujados a través del pistón o la culata (es decir, la 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 con tales ondas de choque. [4]
La detonación se puede prevenir mediante cualquiera o todas las siguientes técnicas:
- retardar el tiempo de encendido
- el uso de un combustible con alto índice de octanaje , que aumenta la temperatura de combustión del combustible y reduce la propensión a detonar
- enriqueciendo la relación aire-combustible que altera las reacciones químicas durante la combustión, reduce la temperatura de combustión y aumenta el margen de detonación
- reducir la presión máxima del cilindro
- Disminuir la presión del colector reduciendo la apertura del acelerador o la presión de sobrealimentación.
- reduciendo la carga en el motor
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 encendido del motor y el diseño cuidadoso de las cámaras de combustión y el sistema de enfriamiento del motor. como control de la temperatura inicial de entrada de aire.
La adición de ciertos materiales como plomo y talio suprime la detonación extremadamente bien cuando se utilizan ciertos combustibles. [ cita requerida ] La adición de tetraetilo de plomo (TEL), un compuesto soluble de plomo orgánico agregado 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 la detonación con varios combustibles de hidrocarburos. Los compuestos de manganeso también se utilizan para reducir la detonación con gasolina.
Knock es menos común en climas fríos. Como solución del mercado de accesorios, 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 la detonación aunque no se suministre refrigeración adicional.
Ciertos cambios químicos deben ocurrir primero para que ocurra el golpe, por lo tanto, los combustibles con ciertas estructuras tienden a golpear más fácilmente que otros. Las parafinas de cadena ramificada tienden a resistir los golpes, mientras que las parafinas de cadena recta lo hacen fácilmente. Se ha teorizado [ cita requerida ] que el plomo, el vapor y similares interfieren con algunos de los diversos cambios oxidativos que ocurren durante la combustión y, por lo tanto, reducen la detonación.
La turbulencia, como se dijo, tiene un efecto muy importante sobre el golpe. Los motores con buena turbulencia tienden a golpear menos que los motores con poca turbulencia. La turbulencia se produce no solo mientras el motor está inhalando, sino también cuando la mezcla se comprime y se quema. Muchos pistones están diseñados para utilizar turbulencias de "aplastamiento" para mezclar violentamente el aire y el combustible a medida que se encienden y se queman, lo que reduce la detonación en gran medida 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 de la cabeza está muy cerca de la corona del pistón, lo que genera mucha turbulencia cerca del TDC. En los primeros días de las cabezas de las válvulas laterales, esto no se hacía y se tenía que usar una relación de compresión mucho más baja para cualquier combustible dado. Además, estos motores eran sensibles al avance del encendido y tenían menos potencia. [4]
Los golpes son más o menos inevitables en los motores diesel , donde el combustible se inyecta en aire altamente comprimido hacia el final de la carrera de compresión. Hay un breve lapso entre el combustible que se inyecta y el inicio de la combustión. En este 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 repentino aumento de presión y temperatura provoca el distintivo "golpe" o "ruido" del diesel, algunos de los cuales deben tenerse en cuenta en el diseño del motor.
El diseño cuidadoso de la bomba del inyector, el inyector de combustible, la cámara de combustión, la corona del pistón y la culata de cilindros pueden reducir enormemente los golpes, y los motores modernos que utilizan inyección electrónica de riel común tienen niveles muy bajos de golpe. Los motores que utilizan inyección indirecta generalmente tienen niveles más bajos de detonación que la inyección directa.Motores, debido a la mayor dispersión de oxígeno en la cámara de combustión y menores presiones de inyección proporcionando una mezcla más completa de combustible y aire. En realidad, los motores diesel no sufren exactamente el mismo "golpe" 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 diesel son en realidad muy propensos a golpear en los motores de gasolina, pero en el motor diesel no hay tiempo para que ocurra el golpe 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]
Detección de golpes [ editar ]
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 detonaciones.
Un lazo de control monitorea permanentemente la señal de uno o más sensores de detonación (comúnmente sensor piezoeléctricoque son capaces de traducir 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 indicando una combustión controlada, el tiempo de encendido avanza de nuevo de la misma manera manteniendo el motor en su mejor punto de funcionamiento posible, el llamado "límite de detonación". Los modernos sistemas de bucle de control de detonaciones pueden ajustar los tiempos de encendido de cada cilindro de forma individual. 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 principalmente el riesgo de daños en el motor causados por golpes, por ejemplo, al funcionar con combustible de bajo octanaje. [5]
Un ejemplo temprano de esto es en los motores Saab H turboalimentados , donde se utilizó un sistema llamado Control Automático de Rendimiento para reducir la presión de sobrealimentación si hacía que el motor golpeara. [6]
Predicción de golpes [ editar ]
Dado que evitar la combustión por detonación es tan importante para los ingenieros de desarrollo, se han desarrollado una variedad de tecnologías de simulación que pueden identificar el diseño del motor o las condiciones de funcionamiento en las que se puede esperar que ocurra una detonación. Esto permite a los ingenieros diseñar formas de mitigar la combustión por detonación manteniendo una alta eficiencia térmica.
Dado que el inicio de la detonación es sensible a la presión en el 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 de operación de la detonación. y permitir a los ingenieros determinar la estrategia operativa más adecuada.
Knock control [ editar ]
El objetivo de las estrategias de control de detonaciones es intentar optimizar el equilibrio entre proteger el motor de golpes 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 del historial de tiempo único o un experimento de métodos de control de detonaciones 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 podría proporcionar un entorno adecuado para diseñar y evaluar el desempeño de diferentes estrategias de control de detonaciones con propiedades estadísticas rigurosas.
Referencias [ editar ]
- ^ Carta de Lodge Brothers & Co Ltd, The Motor Cycle, 12 de noviembre de 1914, p. 528
- ^ "Combustibles de aviación | abadan | guerra mundial | 1951 | 2155 | Archivo de vuelo" . Archivado desde el original el 18 de marzo de 2016 . Consultado el 16 de marzo de 2016 .
- ↑ a b Jack Erjavec (2005). Tecnología automotriz: un enfoque de sistemas . Aprendizaje Cengage. pag. 630. ISBN 978-1-4018-4831-6.
- ↑ a b c d H.N. Gupta (2006). Fundamentos de los motores de combustión interna . Aprendizaje de PHI. págs. 169-173. ISBN 978-81-203-2854-9.
- ^ www.wirth-horn.de, Wirth & Horn-Informationssysteme GmbH-. "Tecnología automotriz moderna - Fundamentos, servicio, diagnóstico - Europa-Lehrmittel" . www.europa-lehrmittel.de .
- ^ "Turbocompresor con cerebro" . Ciencia popular . Bonnier. 221 (1): 85. Julio de 1982.
- ^ "Tecnologías de simulación avanzadas" . cmcl innovations, Reino Unido. Archivado desde el original el 9 de abril de 2011 . Consultado el 12 de junio de 2010 .
- ^ Jones, JC Peyton; Frey, J .; Shayestehmanesh, S. (julio de 2017). "Análisis de rendimiento y simulación estocástica de algoritmos clásicos de control de detonaciones". Transacciones IEEE sobre tecnología de sistemas de control . 25 (4): 1307-1317. doi : 10.1109 / TCST.2016.2603065 . ISSN 1063-6536 . S2CID 8039910 .
Lectura adicional [ editar ]
- Laganá, Armando AM; Lima, Leonardo L .; Justo, João F .; Arruda, Benedito A .; Santos, Max MD (2018). "Identificación de combustión y detonación en motores de encendido por chispa mediante señal de corriente iónica". Combustible . 227 : 469–477. doi : 10.1016 / j.fuel.2018.04.080 .
- Di Gaeta, Alessandro; Giglio, Veniero; Policía, Giuseppe; Rispoli, Natale (2013). "Modelado de las oscilaciones de presión en el cilindro en condiciones de detonación: un enfoque general basado en la ecuación de onda amortiguada". Combustible . 104 : 230–243. doi : 10.1016 / j.fuel.2012.07.066 .
- Giglio, Veniero; Policía, Giuseppe; Rispoli, Natale; Iorio, Biagio; Di Gaeta, Alessandro (2011). "Evaluación experimental de modelos cinéticos reducidos para la simulación de detonaciones en motores SI". Serie de documentos técnicos SAE . 1 . doi : 10.4271 / 2011-24-0033 .
- Di Gaeta, Alessandro; Giglio, Veniero; Policía, Giuseppe; Reale, Fabrizio; Rispoli, Natale (2010). "Modelado de oscilaciones de presión en condiciones de detonación: un enfoque de ecuación de onda diferencial parcial". Serie de documentos técnicos SAE . 1 . doi : 10.4271 / 2010-01-2185 .
- Simulaciones de combustión predictiva para motores de encendido por chispa de inyección directa "reducidos": soluciones para preencendido ("mega-detonación"), fallas de encendido, extinción, propagación de llama y " detonación " convencional , cmcl innovations, consultado en junio de 2010.
- Engine Basics: Detonation and Pre-Ignition , Allen W. Cline, consultado en junio de 2007.
- Giglio, V .; Policía, G .; Rispoli, N .; Di Gaeta, A .; Cecere, M .; Ragione, L. Della (2009). "Investigación experimental sobre el uso de corriente iónica en motores SI para la detección de detonaciones". Serie de documentos técnicos SAE . 1 . doi : 10.4271 / 2009-01-2745 .
- Taylor, Charles Fayette (1985). El motor de combustión interna en teoría y práctica: combustión, combustibles, materiales, diseño . ISBN 9780262700276.
Enlaces externos [ editar ]
- 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 golpe
