Detonación

Es un fenómeno que puede aparecer en los motores de explosión, caracterizado por golpes intermitentes similares a los del tipo metálico y que coinciden con una elevación muy acusada de presión y temperatura de la mezcla en la cámara de combustión lo que motiva un menor rendimiento térmico

La hipótesis más generalizada de la causa de la detonación es la que admite que la combustión regular se transforma en onda explosiva por la formación de peróxidos que aparecen por reacciones de oxidación entre los hidrocarburos del combustible y el oxigeno del aire. Estos peróxidos son cuerpos muy inestables, cuya descomposición exotérmica al inflamarse hace aumentar la velocidad de combustión.

La detonación da origen a una velocidad de combustión tan rápida que es imposible transformar en trabajo útil la energía tan rápidamente desarrollada, y los repentinos choques transmitidos a los émbolos, bulones, bielas, etc., conducen a fallo de tales elementos por fatiga.

La detonación motiva además una elevación rápida de temperatura de culatas y quedan pues aumentadas las circunstancias que la motivaron, produciendo rotura de émbolos.

La combustión regular cuya velocidad de propagación de llama es de 10 a 20 m/s, pasa 1800 o 2000 m/s, desarrollándose una onda de choque o superficie de discontinuidad de presiones que recorre rápidamente la cámara de combustión y vuelve hacia la zona de bujías.

El diseño de cámaras de combustión que produzcan turbulencia para romper la onda de choque, hace disminuir la detonación, así como también disminuye cuando mas revolucionado sea el motor.

La detonación afecta mucho a la reducción de la vida en servicio del motor, dado que impone efectos anormales, especialmente sobre cilindros y cigüeñal, y puede ser causa de pre ignición de la mezcla con el consiguiente fallo de pistones o válvulas en un periodo de tiempo corto. LA detonación es muy difícil de detectar, sin embargo, si ocurre en un cilindro provisto de termopar, podría detectarse por un rápido aumento de la temperatura. En general, si afecta a todo el motor, se caracteriza por una fuerte trepidación.

Las posibilidades de detonación aumentan cuanto mayor es la potencia siendo mas probable que ocurra en los regímenes de despegue. Los carburadores están diseñados para suministrar un enriquecimiento de mezcla a partir de potencias superiores al 70% de la normal para subida, estableciéndose de esta forma un margen de seguridad entre la combustión normal y la detonación. La detonación puede ocurrir en la gama de altas potencias si por alguna razón la mezcla fuera demasiado pobre, por disminución o perdida del flujo de combustible.

Las principales variables que afectan al posible régimen detonante son:

a) Índice de octano: la detonación tiene un campo más propicio cuando menor es el índice de octano del combustible

b) Temperatura de admisión de aire: cuando aumenta, disminuye el margen de seguridad entre la combustión normal y la detonación. Esto indica que es probable que ocurra detonación cuando opera con calefacción de carburador o en condiciones tropicales.

c) Temperatura de culatas del cilindro: existe menor margen de seguridad entre la combustión normal y la detonación cuanto mayor es la temperatura de las culatas de los cilindros. Este es un fenómeno similar al anterior, puesto que la mezcla absorberá más calor que las culatas en contacto con ella, y el efecto es el mismo que le dé una carga caliente.

d) Riqueza de mezcla: la relación combustible/aire tiene un efecto bien definido en la detonación, pudiendo decirse que el margen mínimo entre la combustión normal y la detonación ocurre en la zona comprendida entre la proporción de máxima economía y mezcla estequiometria, esto es, en donde las temperaturas son mayores, siendo efectivo para alejarse enriquecer por encima de la mezcla de máxima potencia. Cuando se aumenta la potencia por encima de un valor, aproximadamente del 67%, del que corresponde al régimen máximo continuo permisible, es de buena práctica al aumentar la riqueza de mezcla.Las gamas combustible/aire que pueden producir régimen detonante se determinan por ensayo, y la curva limite de riqueza a partir de la potencia máxima continua es similar a la que se indica en la fig. XI-2.

e) Presión de admisión: una excesiva presión de admisión produce una presión en los cilindros aumentada por la compresión y, en definitiva, ocurre un aumento de temperatura, decreciendo, pues, la seguridad de no tener régimen detonante.

f) Consumo de aceite: si la cámara de combustión pasara una excesiva cantidad de aceite, el efecto será el mismo que disminuir las características antidetonantes del combustible, decreciendo entonces el margen de seguridad

Pre ignición

Es el encendido de la mezcla en un punto antes del normal, y es debido en general a la existencia de puntos calientes en la cámara de explosión que adelantan el encendido.

Las principales causas de existencia de tales puntos calientes pueden ser:

1. Rotura de la cerámica de la bujía, formándose bordes agudos en los cuales la conducción del calor es lenta; una rotura de la cerámica en el extremo del recubrimiento impide un adecuado flujo de calor, pudiendo encender prematuramente la mezcla.

2. Cualquier defecto de la cámara de combustión, tales como muescas en el pistón, culatas de cilindros o válvulas.

3. La detonación puede amortiguar un aumento de la temperatura en la cámara de combustión creando puntos calientes, en donde pueden originarse pre ignición. Al mismo tiempo la detonación puede provenir del pre ignición que puede motivar a la salida brusca de presión en el cilindro; es decir, la detonación y lapreignicion están íntimamente ligadas y un fenómeno puede traer el otro.La pre ignición es extremadamente perjudicial para la vida del motor, por la excesiva elevación de presiones en los cilindros que motivan grandes esfuerzos. En los cilindros donde ocurre la pre ignición aparecen esfuerzos en el cigüeñal que tienden a hacerle girar en sentido opuesto a su rotación normal. La presión y la temperatura suben durante la pre ignición y motivan grandes sobrecalentamientos en las culatas y émbolos.La pre-ignición puede ser detectada por una elevación de temperatura de culatas de cilindros o por una acusada vibración. Para mantener un margen adecuado de seguridad, tanto para detonación como para pre. Ignición, se recomienda lo siguiente:3.1 Hacer uso del combustible especificado 3.2 Utilizar las bujías recomendadas por el fabricante del motor 3.3 Operar con la presión media efectiva, presión de admisión, revoluciones y

temperatura en general, dentro de los limites aprobados y especificados en las instrucciones operativas del fabricante del motor

ANTIDETONANTES

Son combustibles o productos de adición que se añaden al combustible básico, que tienen la propiedad de atenuar o suprimir la detonación de los motores alternativos de explosión.

Combustibles antidetonantes son: El alcohol, el tolueno, el benzol, cuya adición permite elevar la relación de compresión sin incurrir en detonación.

También tienen poder antidetonante determinados compuestos órgano-metálicos, entre los que destacan: El hierro, pentacarbonilo, el yodo-metilo, el níquel tetracarbonilo, el celenio-dietilo y el plomo tetraetil. El producto antidetonante más utilizado es el plomo tetraetilo (C2H 5 ¿4 Pb ,pues añadido en proporciones pequeñas (1/1000 en volumen), permite elevar las relaciones de

compresión del valor 5 al 7.5 sin detonación. Tiene la particularidad además de aumentar el poder antidetonante cuando aumenta la temperatura del motor.

Los inconvenientes de los antidetonantes son que por lo general producen depósitos metálicos, tiene poder corrosivo y su toxicidad es elevada.

Los antidetonantes no tienen acción sobre las modalidades de la combustión.

INDICE DE OCTANO

Es un número que mide el poder antidetonante de un combustible para utilización en motores alternativos de explosión. Tiene carácter relativo respecto al n° 100, que corresponde al del octano normal con adición de un 40ª un 50% de asotano, y .9 cm3de plomo treta etilo por cada litro de mezcla.

En muchas partes del mundo los usuarios tienen que utilizar a veces una gasolina de índice de octano diferente a la que fue proyectado el motor.

Los medio ordinarios de reparto de combustible son deficientes en muchos sitios creando problemas de abastecimiento y almacenamiento de combustible que puede dar origen a los problemas utilización del mismo.

Las gasolinas de aviación se controlan estrechamente mientras son refinadas. No obstante, de muchas características que deben controlarse, tales como la presión de vapor, el contenido de sulfuro y el índice de octano, esta es la más influyente en la limitación de potencia a desarrollar por el motor.

El índice de octano y el contenido de plomo varían conjuntamente, ya que el plomo se añade para elevar el rendimiento de cualquier tipo de gasolina.

Si esta se refina con buenas cualidades base en su origen, se necesita añadir menos plomo para conseguir un número determinado de índice de octano que la cantidad de plomo necesaria para una gasolina base de características mas pobres.

Hay un gran numero de gasolinas base disponibles en todo el mundo, variando considerablemente su índice de octano sin plomo. En general, es mas costoso refinar gasolina para obtener un alto índices de octano a partir de gasolina sin plomo que obtener esos mismos índices de octano con gasolinas que lo contengan en pequeña cantidad en pequeña cantidad. Por esto, en las refinerías elaboran las gasolinas partiendo de que tengan ya básicamente un índice de octano, aun cuando sea bajo y se eleve paulatinamente añadiendo plomo tetrástilo.

El siguiente cuadro muestra el contenido de plomo máximo permitido a la especificación en las gasolinas de aviación de diferente índice de octano, expresado en proporción volumétrica, es en cm3 de plomo tetraetilo por cada litro de combustible.

Mientras los máximos anteriores pueden remplazarse dentro de los límites de especificación, la mayoría de los abastecedores emplean normalmente menos del máximo en las gasolinas 91/98 y 100/130.

En los índices anteriores, el número a la izquierda indica el índice de octano con mezcla pobre y el número a la derecha de mezcla rica.

La mayoría de las gasolinas de aviación tienen poder calorífico independiente del índice de octano del combustible. Por lo tanto, si se utiliza gasolina de índice mayor que el especificado no aumento la potencia del motor.

EFECTOS DEL PLOMO TETRAETILO EN EL ESTADO DEL MOTOR

Aunque la mayor parte del plomo que pasa a través del motor sale por el escape con el flujo normal de gases, bastante queda atrapado dentro del motor durante su funcionamiento y se queda en las bujías, las cabezas del embolo, las culatas del cilindro, las válvulas y las guías de válvula y en los sitios en donde puede ser expulsado con el aceite del motor. Estos depósitos pueden producir gran numero de averías, tales como coto circuito de las bujías, ensuciar los embragues de los compresores y las cúpulas de la hélice y, generalmente el ensuciamiento interior del motor.

Para evitar en lo posible estos inconvenientes, debe procederse de la forma siguiente:

- Utilizar la gasolina del grado especificado. Si se tiene que emplear una de grado más alto, elegir la que tenga un contenido de plomo lo más bajo posible.

- Se debe examinar regularmente el motor y el dispositivo de cambio de paso de la hélice, si esta es del tipo hidromántico, para detectar cualquier depósito perjudicial antes de que se produzcan averías.

- Establecer periodos de limpieza regulares de las bujías- Mantener el aceite lubricante lo más limpio posible - Hacer uso de las técnicas de funcionamiento que ayudan a aminorar los efectos de plomo

del motor.

LIMITACION DE POTENCIA POR DETONCAION

Los fabricantes de motores fijan originalmente la relación de compresión, el avance de encendido, el ajuste del carburador y los límites de funcionamiento para hacer que el motor este fuera de los problemas de la detonación bajo todas las condiciones de funcionamiento, cuando se utilicé el combustible del grado adecuado, con potencias apropiadas. Así pues, solamente una dificultad mecánica, el empleo de combustible de grado bajo o empleo de potencias más altas de las calculadas puede producir la detonación bajo condiciones normales. Si las temperaturas de la culata o las temperaturas de admisión de aire al carburador son considerablemente más elevadas que los limites aprobados, puede producirse detonación. El funcionamiento compresión de sobrealimentación elevada es especialmente crítico. Para concluir, se deben evitar las temperaturas de funcionamiento elevados.

El motor hipotético de la figura XI-3 ha sido ensayado con gasolina de índice de octano 91/98 a 450 C.V. y 2200 rpm.

En dicha figura se muestran las potencias del motor para las alturas que se indican en condiciones estables. La línea inclinada a la derecha del diagrama, es la línea de alturas críticas o de apertura máxima de mariposa del carburador, la cual depende solamente de las características básicas del motor, tal como desplazamiento volumétrico, avance de encendido, grado de sobrealimentación, etc., y no está limitada más que por la detonación y los límites de esfuerzo mecánico. Como puede verse, la potencia obtenida es constante desde el nivel del mar hasta los 6500 pies, cuando la válvula de admisión de gasees al carburador está totalmente abierta. Cualquier aumento posterior en altura producirá la disminución de potencia y el descenso a lo largo de la line inclinada mientras las otras condiciones se mantengan constantes.

Si se utiliza en este motor gasolina de índice 80/87 la potencia debe limitarse a 400 C.V., para conseguir un funcionamiento libre de detonación. La potencia que produce cualquier motor con gasolina más baja que la especificada deben ser aprobadas por el organismo regulador gubernamental adecuando, antes de que puedan se legalmente empleadas. En el caso de este motor hipotético, se supone que el funcionamiento con una gasolina de 80/87 puede producir detonación con posible avería en las piezas del cilindro y pérdida de potencia. No obstante cuando se utiliza el índice especificado de gasolina 91/98, se consiguen 450 C.V. libres de detonación.

Si solo se dispone de gasolina de un índice superior a 91/98 este motor hipotético estará en teoría libre de detonación a potencia más altas que las aprobadas. Con gasolina 100/130, este motor no detonara incluso a más de 600 C.V. y con 115/145 no detonara a todo gas a nivel del mar, incluso se podrán obtener 660 C.V.

Estas potencias libres de detonación son únicamente teóricas, pues como el motor se construyó solamente para 450 C.V., cualquier potencia superior exigirá demasiado esfuerzo del motor y contribuirá a rebajar su vida en servicio.

LIMITACIONES DE POTENCIA POR RESISTENCIA MECÁNICA

Los cilindros , válvulas, cojinetes, bulones, levas, engranaje reductor, el carter y sigueñal, son todos muy sensibles a los esfuerzos mecánicos y al calor, inducidos cuando el motor esta funcionando.

Su motor hipotético al que nos hemos referido fue fabricado para producir 450 C.V. a 2200 rpm no ah funcionado nunca a un nivel superior durante su vida en servicio, todos los esfuerzos que resultan de esta potencia están dentro de los experimentados. Las piezas que fallen o se deterioren, se refuerzan o modifican y asi se fija el potencial entre revisiones. Este es el procedimiento por el cual se asegura un funcionamiento del motor garantizado. No obstante, si el usuario tiene que emplear una gasolina de índice de obtano mas elevada que el especificado para el motor, puede usarla hasta la potencia libre de detonación. El motor le suministrara mas potencia aunque a una altura critica inferior; pero la garantía se vera comprometida. La razón es que la mayoría de las piezas sensibles al esfuerzo están construidas y probadas solamente para la combustión normal y los esfuerzos de las rpms especificadas. Si una u otra aumentan, estas piezas se verán afectadas adversamente.

REDUCCION DE POTENCIA CUANDO SE UTILIZA UN TIPO DE COMBUSTIBLE DE INDICE DE OCTANO MENOR AL ESPECIFICADO

Tomando como referencia la gasolina 115/145 octanos; si por la falta de este combustible, fuera necesario utilizar gasolina de 100 a 130 octanos, deberá reducirse la potencia aproximadamente a un 12% de la nominal este orden de magnitud de reducción es aproximado; debiéndose consultar para cada motor en particular con las especificaciones del fabricante del motor.

Además de la disminución de potencia, la utilización de gasolina de un índice de octano menor, impone por lo general no utilizar la alta sobrealimentación, esto es, solamente puede utilizarse un índice de octano menor con baja sobrealimentación.

Cuando después de aver actuado con gasolina de 100/130 octanos se pasa a operar con gasolina de 115/145 octanos, el sistema de combustible debe ser drenado antes de operar con potencias permitidas si se utiliza gasolina de 115/145 octanos siendo la proporción máxima permisible de mezcla de 100/130 con 115/145 octano, no superior al 2% de proporción volumétrica.Los régimen de potencia y la proporción de mezcla de combustible también son aplicables para la utilización de gasolina de 108/135 octanos en sustitución de gasolina 100/130.

En todo caso cuando se utiliza gasolina de un índice de octano menor no es permisible operar con mezcla pobre automática y riquezas menores.

INYECCION DE AGUA: CONSUMO DE AGUA Y ENRIQUESIMIENTO APARENTE

Método que permite la actuación de elevadas potencias en régimen de despegue, sin incurrir en el fenómeno de detonación.

El aumento permisible de potencia, es posible por dos razones:

- Se puede operar el motor con una mezcla mas pobre, esto es, mas próxima a la de mejor potencia en lugar de la mezcla rica utilizada normalmente, pues desciende la temperatura de la mezcla por vaporización del agua.

- El enfriamiento interno de los cilindros y la adición de antidetonantes al agua, hacen posible el aumento de la presión de admisión, y por lo tanto, una mayor potencia para las mismas rpm.

El agua para inyección es una mezcla de agua destilada y alcohol, y se prepara, aproximadamente, en una de las siguientes proporciones:

a) Alcohol metílico 50% Agua 50%

b) Alcohol metílico 25%Alcohol etílico 25%Agua 50%

c) Alcohol metílico 60%

Agua 40%

La terminología anglosajona se emplean las siglas ADI para indicar que se opera con inyección antidetonante. El incremento de potencia obtenida depende de la presión de altitud a que se opera, y para un motor muy característico, el PW-R-2800 sobre avión Convair Metropolitan 440, el efecto es como se indica en la figura 17-4. Para este motor el régimen de despegue de 2200hp al nivel del mar, el consumo de ADI durante 5min, es por cada motor aproximadamente de 5 litros lo que equivale teóricamente a pasar de una riqueza de mezcla de 1/12 a una riqueza de mezcla de 1/11.

En efecto: Consumo ADI al despegue (por cada motor):

1,25/5(gal/min)=1,25x3.87x60x2,2/5(lb/hr)=128 lb/hr

Consumo gasolina despegue:

1300 lb/hr/motor

Riqueza sin ADI al despegue:

R= 112

Riqueza aparente con ADI:

R=

1300+1281300

∗1

12=111

El hecho de que aumente la riqueza de mezcla funcionando al motor, ya con mezcla rica, no significa en este caso una disminución de potencia, pues la inyección de agua permite mayores valor de presión de admisión que contrarrestan en exceso la disminución de potencia por aumento de la riqueza de mezcla.