La detonación o picado es la autoinflamación no deseada de parte de la masa fresca antes de que sea alcanzada por el frente de llama, y se produce debido a las condiciones de presión y temperatura en las que se encuentra la mezcla todavía sin quemar. Es, por tanto, una combustión espontánea, no deseada y muy brusca, ya que sucede prácticamente de manera simul- tánea en toda la masa fresca que en ese instante no ha sido alcanzada por el frente de llama. Hay que tener en cuenta, además, que la mayor parte de la masa fresca, en una combustión normal, se quema cerca del final del proceso de combustión (ver figura 2.7), por lo que la autoinflamación suele suceder en una gran cantidad de masa.
P
300 330 360 390 420
a
Figura 2.11. Diagrama p-a durante una combustión
en la que se produce detonación.
Al ser la combustión muy intensa, con una liberación de calor muy rápida, se genera un fuerte aumento de la temperatura y de la presión en la cámara de combustión. El repentino aumento de presión provoca una
4 En el ámbito de los motores de combustión interna alternativos, se denomina combustión deto-
nante, como se expone, a la autoinflamación no deseada de parte de la mezcla fresca. Sin embargo hay que reseñar que una combustión detonante es una combustión asociada a un frente de llama supersó- nico y no una autoinflamación.
onda de presión que experimenta repetidos fenómenos de reflexión o rebote cuando llega a las paredes de la cámara de combustión. El fenómeno queda reflejado en el diagrama p-a, que muestra la oscilación de la presión debido a la propagación de la onda que por la cámara (figura 2.11).
El golpeo de la onda de presión con las paredes ocasiona deterioros mecánicos y, además, rompe la capa límite térmica del gas en contacto con las paredes, por lo éstas pasan a estar en contacto con un gas a muy alta temperatura y pueden llegar a presentarse fusiones locales en los pistones, la culata y las válvulas —de ahí el nombre de picado—. Además, el pica- do se caracteriza por un ruido peculiar (golpeteo metálico) que le hacen fácilmente detectable audiblemente y produce una vibración del motor a una frecuencia determinada (su frecuencia natural o propia) que permiten detectarlo con sensores de aceleración.
El fenómeno de picado ha estado presente y ha sido objeto de estudio desde los orígenes de los MEP. Los factores determinantes que permiten conocer si se producirá la autoinflamación de la mezcla en el funciona- miento del motor son el tiempo de combustión y el llamado tiempo de
retraso. En concreto, la detonación ocurrirá cuando el tiempo de retraso sea
menor que el tiempo de combustión y, de esa forma, se autoinflame la masa que aún no ha sido alcanzada por el frente de llama. Por tanto, lo deseable es que el tiempo de combustión sea breve y el tiempo de retraso dilatado.
El tiempo de combustión (tr) se relaciona con el ángulo de combustión a través de la ecuación [2.4]. Los factores más importantes que hacen posible su reducción ya han sido, por tanto, estudiados. En este sentido cabe recor- dar que se debe procurar una pequeña longitud de combustión (que puede limitar el diámetro del cilindro) y una alta velocidad del frente de llama, necesariamente turbulenta.
El tiempo de retraso en la autoinflamación de una mezcla (tr) es un tiempo de prerreacciones químicas y transcurre desde que la mezcla se encuentra en unas determinadas condiciones de presión y temperatura hasta que se produce la primera reacción altamente exotérmica de combus- tión. En el caso de los MEP el concepto de tiempo de retraso (tr en MEP) es el mismo, pero se debe tener en cuenta que las condiciones de presión y temperatura son variables durante el ciclo, por lo que ambos tiempos (tr y tr) no coinciden numéricamente. Los factores que influyen el tiempo de retraso se muestran en la tabla 2.1.
En la mayoría de MEP actuales, el dosado es prácticamente el este- quiométrico para que el catalizador de tres vías funcione correctamente y se reduzcan las emisiones contaminantes, por lo que la riqueza de la mezcla no puede ser alterada. Por otro lado, el efecto de la presión, debido a los valores que toma en los puntos habituales de funcionamiento del motor, es prácticamente inapreciable en comparación con los otros factores, por lo que su influencia se puede obviar. Así pues, los factores que determinan el tiempo de retraso son la temperatura de los gases no quemados y el com- bustible empleado.
Tabla 2.1 Factores que afectan al tiempo de retraso de una mezcla
La riqueza de la mezcla El tiempo de retraso disminuye asintóticamente conforme aumenta la presión en la cámara de combustión. La presión en la cámara de combustión El tiempo de retraso disminuye asintóticamente conforme
aumenta la presión en la cámara de combustión.
La temperatura de la mezcla sin quemar El tiempo de retraso disminuye con for me aumenta la temperatura de la mezcla.
El combustible empleado El tiempo de retraso es distinto para combustibles dife- rentes, estableciéndose el concepto de índice de octano para efectuar la comparación entre ellos en unas determi- nadas condiciones opera tivas del motor.
Según lo indicado en la tabla 2.1, el tiempo de retraso decrece con la temperatura de los gases no quemados. Para evitar la detonación se deben controlar los factores que eleven la temperatura en la cámara; se debe limitar la relación de compresión y se debe dotar de una buena refrigera- ción en la parte superior del bloque y de la culata. Por el mismo motivo, la sobrealimentación en los MEP no es siempre adecuada y, en caso de que exista, la relación de compresión debe ser inferior a la de los motores de aspiración natural.
La temperatura de los gases no quemados también se puede controlar a través del avance del encendido y del grado de carga. Con un encen- dido adelantado el aumento de la presión y de la temperatura es mayor que con uno retrasado, por lo que el control electrónico del motor puede
retrasar el encendido en caso de que detecte la presencia de combustión detonante. Por otro lado, la reducción del grado de carga aumenta el contenido de gases residuales en la masa fresca, lo que hace disminuir su temperatura.
El otro factor que determina el tiempo de retraso es el combustible empleado. Como norma general, no siempre cierta, los combustibles com- puestos por hidrocarburos de cadenas cortas, ramificadas y saturados (parafinas) —químicamente más difíciles de atacar—, tienen menor ten- dencia a la detonación que los de alto contenido en hidrocarburos lineales, de cadenas largas, con enlaces dobles y triples (olefinas) o los aromáticos. Para medir la tendencia a la detonación de un combustible se emplea el
índice de octano.
El índice o número de octano de un combustible (NO) es un número que se corresponde con la proporción (en %) de isoctano que debe haber en una mezcla de isoctano-heptano5 que tenga la misma tendencia a la detonación
que el combustible. El índice de octano de un combustible puede ser mayor de 100 o menor de 0. Las gasolinas comerciales, gracias a los aditivos que se les incorporan, suelen tener un índice de octano que varía entre 90 y 98. El metanol, por ejemplo, tiene un NO = 105, y el gas natural tiene un NO = 120. Es importante resaltar que el empleo de un combustible de mayor o menor índice de octano no mejora o empeora el comportamiento de un motor con- creto en cuanto a prestaciones o rendimiento. Sin embargo un alto número de octano reduce la tendencia a la detonación, por lo que los motores que sean diseñados específicamente para utilizar combustibles con alto índi- ce de octano pueden tener mayor relación de compresión o un punto del encendido mejor optimizado sin que aparezcan problemas de detonación, por lo que sus prestaciones, debido a estas diferencias del diseño y de los reglajes, sí pueden ser mayores.