La detonazione nei motori aeronautici a pistoni. Parte 4

A circa 20º/25º di anticipo nella corsa che il pistone fa per raggiungere il punto morto superiore (PMS), la scintilla della candela si accende. Il fronte di fiamma inizia a diffondersi, da ogni candela, prima lentamente, poi più rapidamente, all'interno del cilindro.

Questo fronte di fiamma gioca un ruolo fondamentale.

Avete mai avvicinato la mano ad a una fiamma? Non sulla fiamma, solo vicino?

Sentite un forte calore fino a scottarvi. Sono i raggi infrarossi che emette.

La camera di combustione diventa velocemente calda. Tantissimo calore, sotto forma di raggi infrarossi, viene sprigionato da quel fronte di fiamma.

Esso viaggia alla velocità della luce. Forse un paio di milioni di volte (o giù di lì) più veloce del fronte di fiamma che è in viaggio attraverso il cilindro. La radiazione infrarossa riscalda quelle piccole sacche locali di combustibile e aria.

Inoltre, dato che il pistone è in rapida ascensione nel cilindro, quelle piccole sacche locali remote di carburante e aria subiscono anche un improvviso aumento di pressione.

Ancora di più, poiché il fronte di fiamma, che è un processo di combustione, genera un'ulteriore e ancor più grande aumento di pressione nel cilindro.

Fermiamoci un attimo e ricapitoliamo la scala temporale di questo processo.

Durante l'evento di combustione, la velocità del suono (alle temperature elevate di una combustione gassosa, nell'ordine dei 2000ºC) è tale che un'onda sonora può rimbalzare attraverso le pareti del cilindro in circa 1/5000 di un secondo, o circa 1/5 di un millisecondo.

Si vede la prova di ciò nella grafica raffigurante la detonazione media e pesante.

Sono quelle piccole onde d'urto di detonazione che rimbalzano avanti e indietro oltre il trasduttore di pressione, sul lato posteriore della rampa di discesa dove si rileva l'effetto di pressione dovuto alla combustione.

L'albero motore ruota a circa 45 giri al secondo, il che vuol dire circa 22 millisecondi per ogni rotazione dell'albero motore, o circa 16 gradi di rotazione dell'albero motore per ogni millisecondo.

Così nel tempo necessario perché un'onda d'urto viaggi avanti e indietro attraverso l'interno del cilindro (1/5 di millisecondo), l'albero motore ha ruotato di soli circa tre gradi.

Quindi, ora che abbiamo la scala dei tempi bene in mente, torniamo indietro per capire ciò che sta succedendo: l'aria bella fresca e il carburante entrano in un cilindro; Il cilindro si trova ad avere pareti molto calde; quelle pareti calde iniziano a scaldare, per induzione, quell'aria bella fresca.

Ma non succede in modo uniforme.

Inoltre, appena si spegne la scintilla delle candele , abbiamo un paio di fronti di fiamma che emettono un sacco di radiazioni infrarosse che si aggiungendo al carico termico assorbito da quelle piccole tasche remote di carburante e di aria che sono in attesa di essere accese e consumate dal fronte di fiamma che non le ha ancora raggiunte; la miscela incombusta sta subendo, nel frattempo, un rapido aumento della pressione, a causa di due cose:

1. Il pistone è in rapida salita, durante la fase di compressione;
2. i prodotti della combustione del fronte di fiamma stanno rilasciando un enorme aumento di energia e di conseguente pressione del gas turbolento, entrambi ben misurati sulle tracce di pressione che vedete nella grafica di accompagnamento.

Alcune di quelle piccole "sacche locali" di miscela incombusta hanno esattamente la giusta miscela di carburante e aria ma sono più distanti dal fronte dell'accensione.

... se il carburante ha un numero di ottano sbagliato (scarso potere antidetonante), o se il momento dell'accensione è stato regolato troppo anticipato, o se la pressione nel collettore è troppo alta (MAP), oppure se la temperatura della testa del cilindro è troppo alta ... allora una o più di quelle piccole "sacche locali", di carburante incombusto, "esplodono" prima che il fronte di fiamma le raggiunga, sovrapponendosi all'energia prodotta dai gas già combusti.

Questo è ciò che si definisce "detonazione".

Ogni esplosione crea un'onda d'urto che viaggia alla velocità del suono (ricordate, la velocità del suono all'interno del cilindro, a temperature intorno ai 2000ºC., è molto molto più veloce rispetto a quella nella nostra normale atmosfera!) e rimbalza sulle pareti della camera di combustione ogni 1/5 di millesimo di secondo o giù di lì (emettendo un "battito" ("knock" o "ping" in inglese) ad una frequenza da 5KHz a 15KHz che non si sente nella cabina di guida).

Ognuna di quelle esplosioni crea un forte aumento della pressione e scatena una onda d'urto, che vibra avanti e indietro attraverso il cilindro.

L'onda d'urto può sviluppare proprio quella giusta quantità di pressione aggiuntiva per far esplodere, a catena, altre piccole tasche di combustibile e di aria, aggiungendosi al problema.

Man mano il livello di detonazione cresce, esso diventa udibile.

Questo è il "battito in testa" che sentivate in quel vecchio motore automobilistico che arranca, in salita, con il rapporto del cambio lungo e l'acceleratore tutto pigiato.

Ricordiamoci che, in aereo, non si sente.

Parliamo di temperatura Sappiamo che le temperature di combustione variano tra i 1500ºC e i 2200° C, ma EGT misura temperature nell'ordine degli 800ºC (1.500ºF), e CHT molto meno, nell'ordine del centinaio di gradi

Come può essere? 2200ºC sono più che sufficienti a fondere l'acciaio.

Come fa la camicia del cilindro a resistere?

Perché non leggiamo queste temperature sui nostri strumenti?

Perché il pistone di alluminio non fonde, dal momento che la sua temperatura di fusione è inferiore ai 500ºC.?

C'è un "strato limite termico", dell'ordine di un millimetro di spessore, che agisce come un cuscinetto per proteggere le pareti del cilindro di acciaio e la superficie del pistone di alluminio.

Pensatelo in analogia allo strato limite aerodinamico della nostra ala.

Il metallo e le molecole accanto ad esso hanno più o meno la temperatura letta su CHT o poco più, gli strati successivi saranno sempre più caldi, fino allo strato a contatto con la combustione che sarà alla temperatura di combustione.

Questo strato molto sottile che funge da limite termico agisce in maniera funzionale come barriera isolante e limita la velocità alla quale il calore si trasferisce dai gas di combustione turbolenta alle pareti interne della testa del cilindro, della sua camicia e del pistone.

Il trasferimento di calore è continuo e passa, attraverso lo strato limite, alla parete del cilindro per essere, infine, trascinato dal flusso d'aria che fluisce intorno alle alette di raffreddamento sui cilindri o dal flusso dell'acqua nei motori così raffreddati.

Ogni corsa di aspirazione trasporta una nuova carica fresca, che avvia il processo che si ripete ciclicamente.

Vi è anche una questione di tempo di esposizione.

Il momento di alta pressione della fase di combustione occupa solo circa 40 gradi di rotazione dell'albero motore e il momento di massimo calore solo 20 gradi circa, quindi durante gli altri 700 gradi di rotazione della manovella, prevalgono temperature più fredde.

Molti piloti sbagliano dando troppo peso alla temperatura dei gas di scarico misurate dalle loro sonde EGT.

L' EGT mostra una lettura che non rappresenta l'attimo momentaneo di calore che si genera in una piccola porzione del ciclo di combustione (quando la valvola di scarico si apre e i flussi di gas di scarico attraversano la sonda EGT), ma una temperatura che è già diminuita rapidamente dopo questo.

NON è la misura di quanto si scaldano le valvole di scarico durante il loro funzionamento.

Gli eventi che accadono prima, a pochi gradi di rotazione dell'albero motore, sono molto più significativi perché le temperature sono molto più alte di quei 7/800° misurati dalla sonda EGT.

Nel momento che la detonazione diventa sufficientemente pesante, questa interrompe l'organizzazione di quello strato limite termico e consente una notevole aumento del tasso di trasferimento termico dai caldissimi gas di combustione alla testa del cilindro e al pistone. Questa ultima fase del processo è quella che induce il danno e fa innalzare le CHT.

Segue