La detonazione nei motori aeronautici a pistoni. Parte 2

Torniamo al nostro tema principale - La detonazione.

Si sono scritti innumerevoli testi sull'argomento, ma il fenomeno non è ancora completamente chiaro e continuano ad emergere nuovi studi.

Ci sono riscontri certi che si verigicano frequenti fenomeni di detonazione, a basso livello, in uno o più cilindri di motori aeronautici ad alte prestazioni, anche certificati, anche se utilizzati all'interno dei parametri raccomandati dal costruttore.

Francamente, mi chiedo come mai siano stati certificati.

Nonostante i suggerimenti del costruttore, operare LOP a pari potenza (riducendo MP) elimina ogni rischio di detonazione e con ampio margine.

Ho sempre pensato che comprendere cos'è la detonazione fosse abbastanza semplice. La spiegazione classica è, più o meno, questa:

"la combustione inizia con una scintilla.

Nel momento in cui la quota di miscela aria / carburante non ancora bruciata subisce un ulteriore e rapido aumento di pressione, aumenta anche la temperatura.

Quando la temperatura raggiunge una certo grado, la miscela residua "esplode" causando quello che viene definito un "colpo di ariete" al pistone."

"L'Esplosione può causare un catastrofico guasto al motore, nel giro di pochi secondi." Beh, forse.

In effetti ci si possono porre numerose domande a fronte di questa spiegazione, ragionevolmente corretta ma estremamente semplicistica.

Evitate di cavillare sul fatto, o meno, che ci sia davvero una "esplosione". Comunque la vogliate chiamare, è una combustione estremamente ed eccessivamente rapida, e questo è abbastanza simile ad una "esplosione", secondo me.

Vediamo bene cosa è la Detonazione e i fattori che la favoriscono, o meno.

questa parte non è tratta dall'articolo tradotto dal testo di John Deakin Ho creduto necessario aggiungerla per una maggiore comprensione del fenomeno.

Ogni miscela portata a condizioni sufficientemente elevate di pressione e di temperatura si autoaccende solo dopo che sia trascorso un piccolo intervallo di tempo (piccolo, ma non nullo, detto tempo di autoaccensione) in cui avvengono le cosiddette pre-reazioni.

In tale fase non vi è apprezzabile sviluppo di calore, ma si avviano le prime sottoreazioni che sono propedeutiche alla combustione vera e propria.

Il tempo di autoaccensione di una data miscela dipende dalle condizioni di partenza a cui essa è posta, in termini di pressione e di temperatura: maggiori sono queste grandezza minore è il ritardo di autoaccensione.

L'autoaccensione di una miscela omogenea è perciò la rapida reazione chimica non causata da una accensione esterna.

Si può dire che la detonazione è il principale tipo di combustione anomala che si può realizzare nei motori con accensione a candela.

La detonazione è l'autoaccensione dei gas più lontani dal punto di accensione che, in un processo di combustione regolare, brucerebbero per ultimi (end gas).

L'autoaccensione è causata dal fatto che l'espansione dei gas già combusti comprime la miscela incombusta provocando un suo rapido ed ulteriore aumento di pressione e di temperatura fino al raggiungimento delle condizioni di accensione spontanea.

La reazione di autoaccensione è sufficientemente rapida, avviene infatti quasi a volume costante, e coinvolge una massa cospicua di miscela dando luogo ad elevati valori locali di pressione.

Facendo riferimento all'unità di tempo, rispetto alla massa di miscela che brucia nella zona del fronte di fiamma, la massa che si autoaccende per detonazione può essere ad essa comparabile o superiore, sicché l’energia rilasciata per unità di tempo nella camera di combustione sale considerevolmente, dando luogo a forti sollecitazioni. Si creano onde di pressione che, riflettendosi sulle pareti, causano il rumore caratteristico della detonazione (battito in testa o knock), in quanto hanno una frequenza tipica intorno ai 5-15 kHz (inversamente proporzionale alle dimensioni della camera: alesaggio)

Le Figure mostrano uno schema e i diagrammi relativi al problema della detonazione.

Affinché si verifichi la detonazione è necessario che:

• il tempo di pre-reazione della miscela incombusta (ossia il suo ritardo all'accensione) sia minore del tempo necessario alla fiamma per raggiungere tutta la miscela
• la reazione sia sufficientemente intensa da dare luogo ad onde di pressione apprezzabili (l’intensità di tali onde dipende infatti dalla quantità di carica coinvolta)

La detonazione è dunque influenzata da tutto ciò che modifica il tempo di ritardo all'accensione

• Anticipo all'accensione. All'aumentare dell'anticipo aumenta la tendenza a detonare. Infatti il picco di pressione è più marcato (effetto 1) mentre il tempo di compressione degli end gas, misurato dall'inizio della compressione, si riduce (effetto 2). In genere si ha che l'effetto 1 è predominante rispetto all'effetto 2
• Pressione in ingresso e rapporto di compressione. L'aumento di ciascuna di queste due variabili implica un aumento della tendenza alla detonazione per l'aumento della pressione di picco e quindi della temperatura
• Temperatura in ingresso. Anche all'aumentare della temperatura in ingresso aumenta la tendenza alla detonazione in quanto, ad una data pressione, aumenta la temperatura degli "end gas"
• Numero di ottano del combustibile. NO più alti significano migliori capacità antidetonanti a parità di motore.
• Rapporto aria / combustibile. Tale parametro influenza la tendenza a detonare in quanto fa variare la velocità di propagazione della fiamma. Si evidenzia che la massima tendenza alla detonazione (valori minimi del rapporto di compressione limite di detonazione) si ha in corrispondenza di rapporti  = 1,0–1,2 per cui è minimo il tempo di reazione della miscela
• Diluizione della carica. All'aumentare della diluizione della carica si ha una corrispondente diminuzione della tendenza alla detonazione.
• Raffreddamento pareti camera: un buon progetto del sistema di raffreddamento della camera contiene la tendenza alla detonazione perché abbassa la temperatura degli "end gas"

Inoltre la detonazione è influenzata anche da tutto ciò che modifica la velocità di propagazione del fronte di fiamma:

• Turbolenza nel campo di moto: aumentando l'intensità di turbolenza si velocizza il processo di miscelazione fra aria e combustibile e si aumenta la velocità d'avanzamento del fronte di fiamma. L'intensità di turbolenza in un dato motore è principalmente legata al numero di giri: ossia cresce con esso. Ne consegue un maggior rischio di detonazione a basso numero di giri, a parità di carico.
• Alesaggio: al crescere dell'alesaggio ovviamente si allungano i tempi perché il fronte partito dalla candela raggiunga tutti i punti della camera, facendo aumentare il rischio di autoaccensione degli "end gas".

Per completezza, si precisa che con "detonazione" ci riferiamo a un'esplosione anomala che avviene dopo l'accensione delle candele.

Se si verifica un'accensione spontanea prima della scintilla delle candele, che è una condizione diversa, il fenomeno è molto più pericoloso: è la "preaccensione".

Entrambe le condizione possono portare l'una all'altra e, una volta che si cumulano, è solo questione di secondi perché si generi un guasto catastrofico al motore.

Segue