Tecnica

Detonazione: la grande nemica dei motori

- La detonazione limita il rapporto di compressione impiegabile e quindi il rendimento dei motori. La si contrasta così

Della combustione si è parlato più volte nei nostri articoli tecnici e in tali occasioni si è accennato anche alla detonazione, che ora è il caso di trattare in maniera più dettagliata. Vediamo dunque non solo di cosa si tratta ma anche quando, come e perché si verifica.

A fare iniziare la combustione provvede la scintilla che nel momento opportuno (variabile in funzione delle diverse condizioni di funzionamento) scocca tra gli elettrodi della candela.
Dopo un brevissimo tempo “di innesco” si crea un fronte di fiamma che attraversa la camera accendendo i gas freschi mano a mano che li incontra. Mentre la combustione si propaga in questo modo i gas non ancora raggiunti dal fronte di fiamma vengono riscaldati e compressi in misura sempre maggiore.
Se a un certo punto la loro temperatura e la loro pressione superano un determinato valore critico (legato in misura fondamentale alle caratteristiche del carburante impiegato), si verifica la detonazione.

Quella che ha luogo è una combustione improvvisa e brutale, quasi esplosiva, della porzione di carica non ancora raggiunta dal fronte di fiamma. Si incappa cioè nella detonazione, che va evitata perché può causare seri danni meccanici; se è intensa, una conseguenza tipica è lo sfondamento del cielo del pistone.

In effetti la situazione è complessa. La detonazione avviene in maniera così repentina da dar luogo alla formazione di un’onda di pressione che urta e rimbalza contro le pareti della camera di combustione (in certe condizioni ciò può dar luogo a una tipica rumorosità nota come battito in testa). Il grafico che mostra l’andamento della pressione in funzione della rotazione dell’albero a gomiti non ha più un andamento regolare ma mostra una serie di picchi molto acuti che si susseguono con grande rapidità.

Perché la detonazione abbia luogo non basta che la pressione e la temperatura dei gas non ancora bruciati superino un certo valore critico ma occorre anche un tempo tale da consentire lo svolgimento di determinate reazioni “intermedie” (o “preparatorie” che dir si voglia).

Dunque è vantaggioso avere camere compatte e percorsi del fronte di fiamma per quanto possibile brevi. In diversi motori si è fatto ricorso alla doppia accensione per poter adottare un anticipo di accensione minore, avere minori sollecitazioni termiche e allontanare il rischio di detonazione. In aggiunta alle dimensioni (alle quali è legato lo spazio che la fiamma deve percorrere per propagarsi) è molto importante anche la geometria della camera di combustione. E conta anche la posizione della candela. Un notevole vantaggio delle teste a quattro valvole per cilindro rispetto a quelle a due è costituito dalla disposizione della candela al centro della camera.

La pressione e la temperatura che vengono raggiunte all’interno della camera sono legate al rapporto di compressione, che dunque non può superare un determinato valore (non uguale per tutti i motori), pena l’insorgere della detonazione.

Ed è importantissimo che la combustione si svolga rapidamente. Questo significa che alla carica aspirata nel cilindro e quindi compressa deve venire impartita una adeguata turbolenza. Grazie a quest’ultima si ottiene una migliore miscelazione dell’aria e del carburante, con dosatura più omogenea in tutta la massa gassosa e il fronte di fiamma viene letteralmente “frastagliato”. L’estensione della superficie che separa i gas combusti da quelli che ancora devono bruciare aumenta notevolmente e ciò è ovviamente vantaggioso ai fini della velocità di combustione. Vi è inoltre una autentica azione di “trasporto” del fronte di fiamma che ha luogo grazie ai gas in vigoroso movimento.

Nei motori moderni una notevole turbolenza (che aumenta di intensità al crescere del regime di rotazione) è assolutamente vitale. Molto impiegata è quella detta tumble (movimento vorticoso con asse perpendicolare a quello del cilindro), che va ad aggiungersi allo squish. Quest’ultimo viene generato facendo sfiorare dal pistone, al Punto Morto Superiore, alcune zone la superficie inferiore della testa.

La turbolenza deve essere accuratamente dosata per ogni motore. Vanno cioè disposte e dimensionate come opportuno le aree di squish e vanno scrupolosamente calcolate l’inclinazione e la geometria dei condotti di aspirazione, che generano il tumble, per ottenere il quale si rinuncia a qualcosa in termini di rendimento volumetrico.

Quando si verifica la detonazione in un motore che in precedenza non aveva mai avuto problemi di questo genere, le cause possono essere fondamentalmente due. La prima è l’impiego di un carburante con un potere antidetonante, ovvero un numero di ottano, troppo basso.
La seconda è un anticipo di accensione eccessivo, cosa oggi estremamente improbabile grazie all’impiego dell’elettronica, ma tutt’altro che infrequente in passato. In diversi motori c’è un sensore di battito (knock sensor) che, in caso di detonazione incipiente, ovvero di eccessivo “irruvidimento” della combustione, avverte la centralina, la quale provvede a ritardare l’accensione. In questo modo si elimina il rischio che si verifichi la detonazione, anche se si penalizzano in una certa misura le prestazioni.

La pressione che i gas raggiungono durante la combustione è influenzata in misura fondamentale dal rapporto di compressione ma varia in funzione del grado di riempimento del cilindro, ovvero del rendimento volumetrico. A parità di rapporto di compressione risulta quindi più elevata nei motori che respirano meglio. E in uno stesso motore tale pressione cresce all’aumentare della apertura della valvola del gas. È per questa ragione che la detonazione si verifica più facilmente ai bassi regimi (ovvero con bassa turbolenza della carica aspirata nei cilindri) e con la manopola dell’acceleratore ruotata a fondo o quasi.
Più pericolosa è in genere quella che si può avere alle elevate velocità di rotazione.

Nei motori che raggiungono regimi altissimi (indicativamente, superiori a 14.000-15.000 giri/min) avviene però qualcosa di molto interessante: da un certo punto in poi la richiesta ottanica da parte del motore diminuisce e diventa sempre più difficile che possa avvenire la detonazione. Questo non tanto per la maggiore turbolenza derivante dalla straordinaria velocità di rotazione, quanto per il minor tempo a disposizione, che non consente alle reazioni che portano alla detonazione di completarsi!

  • giuliano canevazz, Grottaferrata (RM)

    Questo è il motivo per cui, contrariamente alle favole che ci vengono raccontate, la sovralimentazione, che provoca un aumento sia della temperatura che della pressione dei gas nella camera di combustione, non può in alcun modo ridurre né le emissioni inquinanti né i consumi.

    Per evitare la detonazione, nei motori sovralimentati a benzina (contrariamente a quanto accade nei motori diesel in cui la sovralimentazione è SEMPRE conveniente) è necessario ridurre il rapporto di compressione, e quindi il rendimento del motore, a scapito dei consumi e delle emissioni.

    Il problema può essere limitato recuperando l'energia dei gas di scarico con una turbina coassiale al compressore centrifugo (da cui il nome "turbocompressore"), ma per motivi di spazio e di erogazione tale soluzione non viene utilizzata sulle moto
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