La detonazione nei motori aeronautici a pistoni. Parte 5

Quanto è dannosa la detonazione?

Ci sono nuovi "standard" che la classificano in "leggera", "media" e "pesante".

Come siano arrivati a questa catalogazione è troppo complesso per chiarirlo in questa sede (il che significa "non lo so"), ma è interessante il risultato per cui un po'di detonazione leggera, anche per ore consecutive, non può essere dannosa e, di fatto, porta addirittura vantaggi.

Questo livello di detonazione fa un lavoro meraviglioso di pulizia dei depositi che si formano sul cielo dei pistoni, per esempio!

In verità la maggior parte dei nostri motori possono operare in condizioni di detonazione leggera, come mostrato nella grafica, per diverse centinaia di ore senza danni rilevabili, a condizione che le CHT rimangono in temperatura e non si riscontri, in particolare, un anomala crescita di temperatura di una delle teste.

Il problema è come rilevarla e impedire che peggiori, perché da "leggera" può progredire rapidamente in "media" o peggio.

Si tratta di un processo che da un "feedback positivo", può raggiungere esiti molto negativi!

Il meccanismo che auto-alimenta il processo è che le onde d'urto dalla detonazione leggera tendono a rompere, a "macchia di leopardo", lo strato limite termico all'interno del cilindro.

Nel momento che ciò avviene, aumenta il trasferimento termico, al cilindro, del calore dei gas di combustione.

Cosa che fa aumentare il CHT.

Quando il CHT aumenta, esso tende a riscaldare più velocemente le cariche di aria nuova e carburante rispetto a quanto precedentemente fasato dalla rotazione dell'albero, il che aumenta le detonazioni leggere nei successivi cicli di combustione, che aumentano ulteriormente la disgregazione dello strato limite termico, che si scalda, peggiornado la situazione nel ciclo successivo e via andare ...

L'immagine credo sia chiara.

Se il cilindro non è ben raffreddato, con un po' di riserva di raffreddamento, l'intero processo può espandersi in un attimo e si finisce in pericolosissime fasi di profonda detonazione.

Questo è l'esito peggiore ma, senza giungere a tanto, la detonazione non è sicuramente dannosa nel lungo periodo.

Braly ha fatto funzionare il suo "piccolo motore finchè ha potuto", pesantemente, in condizioni di grave detonazione, per ore e ore, e ha sottoposto per un un sacco di tempo a simile trattamento un povero vecchio IO-470 e un IO-520 cercando di distruggere i motori. Funzionano ancora abbastanza bene... (ma non credo sareste tranquilli se li montassero sul vostro aereo).

Da questo sembra che io raccomandandi la detonazione?

Assolutamente no!

Comunque non è il mostro temibile che siamo portati a credere.

L'approccio alla detonazione è graduale e, anche una volta iniziato, non si sviluppa così rapidamente da non poter essere individuato e controllato.

Di massima alcune detonazioni leggere non causano guasti immediati.

Anche alcuni episodi di breve durata (pochi secondi?) di detonazione media, probabilmente, non causano un guasto "immediato "al motore, ma possono generare danni che causeranno un guasto serio nel futuro.

Penso che siamo tutti d'accordo che è meglio comunque evitare rischi. Molto meglio!

La detonazione è un problema molto serio alle corse di Reno.

Quei motori vengono utilizzati a valori di MAP fino al doppio dei limiti normali (che sono già abbastanza alti).

Alcuni li fanno funzionare a diverse centinaia di giri superiori al limiti di progetto, con tutti i tipi di dispositivi di fantasia per iniettare roba strana nel processo.

A tali impostazioni, qualsiasi guasto o errore di calcolo possono causare l'insorgere di una quasi istantanea detonazione pesante e distruggere un motore in pochi secondi.

Nel nostro mondo, è molto difficile indurre detonazione in qualsiasi motore senza un compressore.

Anche con sovralimentazione, è abbastanza facile da evitare con un po' di accortezza.

George Braly scrive: "La verità della questione è che se si analizzano, uno per uno, tutti i rapporti di servizio su emergenze e su incidenti NTSB e si mettono in ordine i dati, si arriva alla conclusione che le cause della quasi totalità degli episodi di detonazione sono:

• problemi di qualità del carburante;
• cortocircuiti su Magneti e connettori, o sfasamento dei tempi di accensione dei magneti;
• "alcune segnalazioni di detonazione sono, probabilmente, erronee classificazioni di eventi di pre-accensione a causa di candele danneggiate o problemi causati da inserti filettati nel cilindro.
• "E, ultimo, sì, ci sono alcuni, pochi, casi di detonazione che sono "per davvero" causati da una gestione sbagliata del motore da parte di piloti disinformati.

Se utilizzi un Cessna P-210, compresso, e decidi di decollare con miscela smagrita da una pista di montagna, perché questo è il modo che hai sempre usato col tuo aspirato C-210, allora puoi distruggere il motore con pura detonazione subito dopo il decollo.

"Tuttavia, in generale, la detonazione è un evento molto raro e di solito è causata da problemi di carburante o di accensione."

Fattori causali Se i magneti impropriamente manutenuti o starati e la contaminazione del carburante sono le cause più frequentemente rilevate di detonazione, ci sono una serie di fattori che entrano in gioco per creare, causare o prevenire la detonazione.

Un ulteriore elenco parziale potrebbe includere il numero di ottano del carburante, la regolazione della carburazione e della miscela, la temperatura dell'aria aspirata, il numero di giri, la pressione nel collettore (MAP), la temperatura della testa del cilindro, il rapporto di compressione e, probabilmente, qualcos'altro che ho dimenticato.

Credo che sia stato Jimmy Doolittle a dire che il fattore più importante che ha fatto vincere la seconda guerra mondiale è stato l'uso del piombo tetraetile nell'avgas, che ha permesso la produzione di combustibili a 100/130 e 115/145 ottani. Fatto che, a sua volta, ha consentito l'uso di motori più potenti (e ha prolungato la TBO che, in certi casi, era inferiore ai tempi di una missione particolarmente impegnativa in termini di durata).

A parità di tutti gli altri fattori, un più alto numero di ottani significa un minor rischio di detonazione.

Tuttavia, posto che abbiamo fatto rifornimento con il giusto carburante, non ci sono strumenti in cabina che consentano di conoscere il numero di ottani.

Il rapporto di compressione del motore è un valore fisso e caratteristico di quel motore.

Dalla cabina di pilotaggio non abbiamo alcuna possibilità di intervenire su questo valore.

Invece la maggior parte degli altri fattori cono controllabili dal pilota, direttamente o indirettamente, quindi cerchiamo di metterli a fuoco.

La Combustione ideale

Per cominciare, ecco cosa accade durante un'ipotetica fase di combustione ideale.

La scintilla scocca a circa 20/25 gradi prima del punto morto superiore (PMS), a seconda del motore (la temporizzazione fissa è sempre un compromesso, per niente ideale).

Inizia l'accensione che impiega un po' di tempo da quel momento.

Dapprima il fronte di fiamma si muove ad una velocità molto bassa, solo circa 35 fps (10,7mps).

Poi inizia a bruciare sul serio quando il cilindro raggiunge il punto morto superiore e raggiunge la massima pressione (circa 800 PSI) e la massima velocità del fronte di fiamma (circa 150 fps, 45,7mps) intorno ai 15-20 gradi oltre il PMS.

Una volta raggiunta la pressione di picco, le pressioni e le temperature cadono rapidamente.

Ad un certo punto si apre la valvola di scarico e la fase di combustione è completa, il fuoco si spegne e rimangono soltanto gas freschi.

Sì. FREDDO.

Gli 800ºC (1500ºF) EGT sono una temperatura "fredda" rispetto a quello che succede all'interno del cilindro solo pochi millisecondi prima

Questa combinazione ideale può verificarsi a qualsiasi livello di potenza, se i molti fattori sono adeguatamente controllati.

Prendete i RPM, per esempio.

Riducendo il numero di giri, si rallenta il motore, quindi l'albero gira più lentamente.

La fase di combustione impiega più o meno lo stesso tempo per completarsi, ma l'albero non ha girato così in fretta.

Risultato, la pressione e la temperatura di picco si verificano in prossimità del punto morto superiore, diminuendo il rischio di detonazione.

Le cose si complicano un po' in un motore sovralimentato, perché il compressore (gear-driven) girerà più lentamente, producendo meno pressione nel collettore, il che riduce le possibilità di detonazione.

Ma, attenzione a non confondere il motore sovralimentato col motore turbo compresso, con un regolatore di pressione assoluta, che mantiene costante la pressione nel collettore stesso, o addirittura la aumenta, in alcune circostanze ad altitudini più elevate, quando il numero di giri viene ridotto.

La Miscela

La Miscela è protagonista in tutto questo.

Cambiando la miscela cambia la velocità di combustione (la velocità del fronte di fiamma), così come la temperatura e la pressione di combustione.

Partendo da una condizione data, cambiando la regolazione della miscela da 50 ROP in entrambe le direzioni (ricca o magra), si riduce il rischio di detonazione.

Questo non significa che la detonazione può verificarsi solo a 50 ROP, ma che è più probabile che avvenga in quella posizione.

Se la detonazione non si verifica a 50 ROP, è praticamente impossibile avere detonazione con qualsiasi altra taratura nella miscela, senza altri interventi.

Ad esempio, se la miscela è tarata a 50 ROP ed inizia la detonazione, spostando la miscela in qualsiasi senso la detonazione diminuisce.

Se siete a 100 ROP e riscontrate detonazione, smagrendo a 50 ROP aumenterà la detonazione, smagrendo ulteriormente, ridurrà di nuovo.

D'altra parte, arricchendo oltre 100 ROP, la detonazione diminuirà.

L'anticipo di accensione è forse il fattore più importante tra tutti e i tests hanno dimostrato che la fasatura di accensione può anche superare il problema del piombo e degli ottani ed è in grado di correggere i problemi causati da una miscela non corretta.

Si è ricercato molto in questo campo e ci sono buoni riscontri che indicano che tutti questi motori funzionano bene nella loro attuale configurazione, utilizzando della buona avgas 100LL - anche senza smagrire la miscela.

Il numero di ottano risultante sarebbe di circa 92, e potremmo chiamarla 92UL (suona familiare?

Ma questo richiede assolutamente che la fasatura di accensione possa essere controllata in tempo reale.

I risultati preliminari non mostrano alcuna riduzione significativa delle prestazioni e, in alcuni casi, può riscontrarsi un guadagno di prestazioni!

La CHT è controllabile dal cockpit, in larga misura.

Miscela, flabelli, manetta e velocità indicata sono tutti controllabili dal pilota che, attraverso le giuste regolazioni, può tenere sotto controllo la CHT, alla temperatura corretta o anche inferiore.

Segue