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DETONACIONES EN
MOTORES DE GAS
por Santiago García Garrido
La
detonación o knocking aparece cuando
la
mezcla gas-aire se inflama bruscamente antes de que salte la chispa en
la bujía, cuando el pistón no ha alcanzado
aún el momento preciso. Se
provoca por tanto una fuerza que se opone al movimiento normal del
cigüeñal.
Para entender mejor el fenómeno es necesario entender otros
dos
fenómenos asociados: el encendido superficial y la
autoinflamación.
En el interior de la cámara de combustión pueden
originarse puntos
calientes que pueden llegar a ser fuentes de encendido y generar
frentes de llama en cualquier parte del ciclo. Los puntos calientes
más
comunes que ocasionan preencendido son la bujía y restos de
hidrocarburos inquemados. Estos últimos no son capaces de
provocar
preencendidos permanentes ya que se volatilizan a más de
1000 ºC, y se
cree que son debidos a aditivos órgano-metálicos
del aceite y
combustibles. La formación de los frentes de llama puede
darse antes o
después de que salte la chispa. Si sucede después
se origina el post-encendido
que simplemente produce un gradiente de presión
más fuerte con el giro
del cigüeñal. Si sucede antes de que salte la
chispa se origina el pre-encendido,
que origina una fuerza que se opone al movimiento. El efecto es una
combustión anormal caracterizada por un ruido sordo o marcha
dura que
si no va acompañado de detonación se denomina
‘rumble’.
La autoinflamación se produce cuando la mezcla aire-gas se
inflama de
forma espontánea, antes de que salte la chispa en la
bujía. Para que la
mezcla se autoinflame hace falta alcanzar una temperatura
mínima para
una determinada presión o viceversa, que se alcanza por
reacciones en
cadena originados por radicales libres que reaccionan con los productos
quemados acelerando fuertemente el proceso de combustión. La
autoinflamación no es espontánea y requiere un
tiempo de retraso o de
inducción, en el que tienen lugar las prerreacciones que dan
origen a
los primeros radicales activos (etapa se llama iniciación).
Tanto la autoinflamación como el encendido superficial
pueden degenerar
en detonación: al avanzar el frente de llama debido a la
dilatación de
los productos quemados, la mezcla sin quemar se comprime y en
determinadas condiciones la restante parte sin quemar a su vez se
autoinflama. Si los gradientes de presión que produce esta
autoinflamación de la mezcla que quedaba sin quemar son lo
suficientemente intensos (acompañados de un ruido audible
característico y la posibilidad de dañar la
superficie de la cámara) es
cuando se produce el fenómeno conocido como
detonación o knocking.
Cuando la autoinflamación es lo suficientemente
rápida, se propaga a
través de la cámara de combustión por
ondas de presión, haciendo vibrar
el gas con una frecuencia dependiente de la velocidad de las ondas y el
tamaño y la forma de la cámara de
combustión. Estás vibraciones del gas
inducen vibraciones mecánicas en los elementos que
configuran la cámara
de combustión dando lugar al ruido característico
que frecuentemente se
denomina picado de biela..
Los factores que intervienen en el knocking son,
pues, los siguientes:
- La instrumentación del sistema anti-knocking:
esta instrumentación, como cualquier otra puede fallar e
indicarnos que está habiendo un problema que en realidad no
existe
- Fallo en el detector inductivo (pick-up) que indica la
posición del
volante de inercia: como ese sensor es el que determina el momento en
que debe saltar la chispa, un mal funcionamiento provoca que la chispa
salte en un momento diferente al óptimo
- El estado del aceite de lubricación. Un aceite 'sucio'
tiene muchos restos de hidrocarburos inquemados
- La composición del gas. El gas con un número de
metano bajo tiene una
capacidad detonante mayor que un gas natural con un número
de metano
mayor, ya que produce los radicales libres necesarios para el inicio de
la reacción a una temperatura inferior.
- El estado de las camisas. Si éstas han perdido el
bruñido, es decir,
la superficie rugosa que retiene el aceite, parte de éste
puede pasar a
la cámara de combustión y provocar puntos
calientes
- Las bujías. La combustión detonante puede
conducir a una elevación
anormal de la temperatura de los electrodos de la bujía, con
el
consiguiente preencendido superficial. El preencendido producido por la
detonación puede realimentar e intensificar ésta,
pudiendo llegarse a
producir un preencendido de avance creciente extremo y
errático. Este
fenómeno se conoce como wild pind
Las consecuencias del fenómeno de detonación son:
degradación acelerada
de pistón, camisa y válvulas, disparo del motor
al activarse el sistema
de protección anti-knocking,
pérdida de rendimiento y de potencia, al tener que bajar la
temperatura de cámaras de combustión para
evitarlo.
Para corregir el problema, es conveniente realizar una serie de
comprobaciones, en el orden descrito, para identificar la causa o
causas principales del fallo:
- Comprobar la composición del gas y comprobar su
número de metano. Si
la detonación está provocada por la
composición del gas, la única
solución posible será la bajada de temperatura de
la cámara de
combustión
- Revisar y/o sustituir la instrumentación del sistema antiknocking
- Comprobar y/o sustituir el detector inductivo del volante de inercia
- Analizar el aceite de lubricación y sustituir si el
análisis así lo indica
- Cambiar la bujía del cilindro en el que se detecta la
detonación
- Realizar una endoscopia al cilindro que detona para comprobar el
estado de la camisa (comprobar que no ha perdido el
bruñido). Sustituir
si es necesario.
- Rebajar la temperatura de la cámara de
combustión afectada,
empobreciendo la mezcla aire gas y/o rebajando la presión de
la cámara
de combustión. Esto hará disminuir el rendimiento
y la potencia del
motor
- Modificar ligeramente el avance de encendido. En determinados motores
el propio sistema anti-knocking puede corregir
automáticamente el avance hasta corregir el efecto.
Santiago García Garrido
RENOVETEC
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