domenica 14 giugno 2015

La Detonazione, un fenomeno da evitare!

Nei motori a ciclo otto (a "benzina") la Detonazione è un fenomeno nefasto che pone a rischio seriamente l'integrità del motore e che va evitata ad ogni costo, in quest'articolo vi spiegherò cos'è, come la si "sente" e come la si combatte, senza tralasciare i fattori che ne aumentano il rischio

La Detonazione è un fenomeno di combustione anomala molto negativo e che deve essere evitato il suo insorgere ad ogni costo, pena il serio danneggiamento del motore.

 Quando un motore in funzione, "detona", si sentono dei rumori caratteristici detti comunemente "battito in testa" sono simili al rumore che fanno due biglie di vetro quando le facciamo scontrare tra di loro.



Esempio di un software per l'analisi dei fenomeni di Detonazione

altro file video dove si può ascoltare ed analizzare con un analizzatore di spettro il rumore caratteristico della detonazione.

La "detonazione" è un fenomeno molto pericoloso per il motore, consiste in una combustione anomala e spontanea del carburante prima che la vera combustione sia innescata dalla candela, essa solitamente avviene nella periferia del cilindro, solitamente verso le zone più calde (il calore è un fattore di innesco) come la vicinanza alla valvola di scarico.

Di solito, la detonazione si verifica nelle zone di squish vicine alla valvola di scarico, ma in realtà, può avvenire in qualsiasi zona dove si presentano le condizioni favorevoli al suo sviluppo.

Durante la "detonazione", si verificano incrementi (velocissimi) di pressione nella camera di combustione che non solo comportano una perdita di potenza marcata, ma sopratutto, provocano danni ai pistoni fino alla loro rottura.
Pressione in camera di scoppio durante la detonazione
Grafico dove si rappresenta l'andamento della pressione in camera di scoppio durante la fase di "scoppio" (la traccia rossa) e quella in presenza di detonazione (traccia blu)
Nella figura precedente si può notare che la pressione di combustione (linea rossa) aumenta in modo progressivo raggiungendo il suo picco alcuni gradi dopo che il pistone ha superato il PMS (sui 12-20 gradi) e quindi nella corsa di discesa (fase di espansione).

Al presentarsi una detonazione, la pressione in camera di scoppio sale molto più velocemente, con quel caratteristico seghettamento al suo apice, questo provoca non solo il suono caratteristico, ma anche ingenti danni agli organi all'interno della camera di combustione come candele, pistoni ecc.

pistone completamente rovinato dalla detonazione
Pistone completamente distrutto dalla detonazione


In casi estremi, si può arrivare al grave danneggiamento dei pistoni e quindi la rottura del motore.

Sui motori aspirati la detonazione è molto più tollerata (ma comunque sempre da evitare), si ricordi le Fiat 500 (quella vecchia) quando ripartivano al semaforo nell'era post benzina super, con la verde erano propense a detonare leggermente.

pistone danneggiato dalla detonazione in prossimità dei bordi
Pistone danneggiato dalla detonazione in prossimità dei bordi (da sostituire)

Su motori turbo, non solo la detonazione è più forte, ma sopratutto, i danni che si possono subire sono molto più gravi, ho visto motori rompersi in pochi secondi mentre erano a pieno carico (e quindi piena pressione turbo) non dando nemmeno il tempo al pilota di rendersene conto del pericolo.   

testa pistone molto danneggiata da detonazione
Testa pistone molto danneggiata da detonazione, si faccia caso ai "puntini" lucidi, sono buchetti dove l'alluminio del pistone è stato "rimosso", a lungo andare, questo processo rischia di bucare il pistone con conseguenze nefaste per il motore

pistone molto danneggiato dalla detonazione, da sostituire
Pistone molto danneggiato dalla detonazione, a questo stadio, si rischia l'integrità del motore (da sostituire)

Quindi come visto, la detonazione va "evitata" come la peste! Ma quali sono i fattori che fanno insorgere questo grave fenomeno potenzialmente distruttivo?  Tra quelli più comuni troviamo:

  • Rapporto di compressione troppo elevato
  • Qualità benzina scadente
  • Miscela aria-benzina troppo magra
  • Troppo Anticipo di Accensione
  • Grado termico della candela sbagliato
  • Zone di squish troppo schiacciate
  • Zone di calore concentrato (spigolo vivi)
  • Depositi carboniosi
  • Temperatura aria troppo elevata
  • Temperature camera di scoppio troppo elevate
  • Testa Pistone non raffreddato adeguatamente
  • Valvole di scarico poco raffreddate 
In questo articolo ci concentreremo principalmente nei primi 4 tralasciando gli altri per un futuro articolo più approfondito.

Il rapporto di compressione incide pesantemente sulla propensione o meno all'insorgere del pericoloso fenomeno della detonazione, più esso è elevato, più aumentano i rischi di incappare in tale temutissimo problema, più il rapporto di compressione è basso, più ci allontaniamo dal pericolo, ma come si sa, anche dalle prestazioni motoristiche pure (coppia e potenza).

combustione normale rispetto a fenomeno di detonazione
Differenza tra combustione normale innescata dalla candela (sx) e detonazione (dx)

La qualità della benzina è anch'essa influente nell'insorgere nel fenomeno della detonazione, vi è mai capitato di provare una macchina che è stata ferma molti mesi con della benzina vecchia? Si sente che "qualcosa" non va, spesso si perde di prestazioni ma anche è possibile che si presenti della detonazione (se il motore in questione è molto compresso).

Questo tipo di problema della volatilità dei componenti aromatici, è quanto più evidente quanto la benzina usata è da competizione. Infatti, queste benzine sono idonee per l'uso agonistico perché possiedono delle caratteristiche speciali che le rendono più performanti ma devono essere tenute dentro i loro fusti ben sigillate se le si vogliono stoccare per diversi mesi, altrimenti, si rischia di trovare...  aria o poco più!

Queste benzine hanno dei componenti (segreti) molto volatili e quindi lasciarla nel serbatoio dell'auto per mesi, significa farli evaporate, questo è molto più sentito con temperature ambientali estive. La stessa cosa però, può accadere alle benzine della "pompa", siano esse quelle a 95 ottani "verdi normali" siano le speciali a 98-100 ottani.

rifornimento alla pompa con carburante fresco
Rifornire con benzina fresca il nostro veicolo se questo è stato fermo per moltissimi mesi è sempre una buona idea
Quindi mi raccomando, se teniamo una macchina sportiva (o anche normale) che non viene usata regolarmente, prima di "tirargli il collo" richiedendogli il massimo dalle prestazioni che ci regala, controllare lo stato della benzina nel serbatoio, meglio ancora, estrarre quello vecchio (magari usandolo poi per lavare i pezzi) e rifornirlo di fresca benzina, il vostro motore gradirà di questa attenzione! 

vettura sportiva
Nella vostra sportiva o supercar che sia, metteteci sempre benzina fresca e di qualità

La miscela aria-benzina troppo magra anch'essa incide sul fenomeno della detonazione, normalmente, un motore sviluppa la potenza massima con un Rapporto Aria-carburante meglio conosciuto come Air Fuel Ratio (AFR) di 12,8-13,5:1 (può essere usato anche il rapporto Lambda, io qui preferisco l'uso del AFR).

Se un motore venisse fatto funzionare più magro, diciamo con un AFR di 14,0:1 esso svilupperebbe meno potenza (anche del 10-15% in meno) ma anche più calore nella camera di scoppio innalzando le temperature dei gas di scarico, quindi andrebbe ad incrementare uno dei fattori che innescano la detonazione e la preaccensione.


Su motori aspirati magari questa condizione di magrezza può essere tollerata (ma comunque va evitata quando possibile), mentre per motori turbo, è assolutamente deleterio, si rischia di rompere il motore se non si resta al di sotto della soglia di sicurezza di un AFR tra 11 e 12,5:1 (il primo è molto "sicuro" ma si perde potenza, il secondo ci da maggiore potenza ma ci mette un pelino a rischio su certi motori poco efficienti).  AFR molto magri si possono avere in sicurezza, solo durante il "filo di gas" ovvero, a carichi motore medio-bassi.


L'anticipo di accensione è un'altro importante parametro che incide pesantemente sia sulle performances del motore che dell'insorgere del fenomeno della detonazione.  Man mano che i giri del motore salgono, è necessario anticipare il punto in cui la miscela aria-benzina viene "accesa" tramite la candela.  Questo anticipo viene stabilito durante la mappatura della centralina, vi è un'anticipo massimo in cui si raggiungono le massime prestazioni, oltrepassato questo punto, si inizia a perdere potenza (e coppia ovviamente) e si ci avvicina al punto dove può insorgere la detonazione.

Grafico 3D mappa accensione
Rappresentazione 3D di una tipica Mappa Accensione di un motore turbo

Altra rappresentazione di una mappa di accensione

Sensore di Detonazione per rilevare il battito in testa
Sensore Battito, viene usato sulle vetture di serie per tenere sempre sotto controllo eventuali fenomeni di detonazione ritardando l'anticipo di accensione di vari gradi fino a quando il fenomeno anomalo cessa.



6 commenti:

  1. Risposte
    1. Grazie! mi fa piacere che ti sia piaciuto!

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  2. Complimenti per la tecnica con cui spieghi. 1 question: con AFR ti riferisci al rapporto stechiometrico suppongo....che io credevo fosse circa 14.5 /1 mi sbagliavo? Ciao e grazie Pasquale

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    1. Ciao Pasquale, scusa del ritardo nella risposta, non mi erano arrivate le notifiche, solo adesso mi sono reso conto della tua domanda.
      Grazie per i complimenti, fa sempre piacere riceverli!

      Rispondendo al tuo quesito, con AFR intendo il rapporto aria/combustibile (infatti, AFR sta per Air Fuel Ratio ovvero rapporto aria combustibile) e non rapporto stechiometrico.

      Il rapporto stechiometrico in realtà sta ad indicare solo il valore "ideale" di combustione di ogni molecola di combustibile (benzina,gasolio,metano,GPL,ecc) rispetto all'aria (o comburente) che per il caso della benzina è di 14,7:1 ovvero sono necessarie 14,7 parti di aria per bruciare 1 di combustibile.

      Un'alternativa all'uso del termine AFR è l'uso del rapporto Lambda, che ovviamente, rappresenterà la stessa cosa del AFR, ma il valore "stechiometrico" sarà pari a 1 e questo per ogni tipo di combustibile usato, mentre per l'uso del AFR si deve conoscere il valore stechiometrico per ogni combustibile utilizzato, la benzina per esempio ha un valore di 14,7:1 mentre il gasolio ne ha uno di circa 18:1.

      Il valore stechiometrico da te indicato è grosso modo giusto visto da un punto "pratico" perché in realtà, il valore di 14,7:1 è "ideale" ma nei motori, nulla è ideale e quindi si ottiene che il rapporto stechiometrico "reale" sia leggermente più grasso, ovvero 14,6:1 quindi molto più vicino al valore da te indicato.

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  3. Buongiorno, interessante discussione. Chiedo solo una delucidazione, nel grafico 3d della mappa di accensione qual'è l'unità di misura del carico (engine load).
    Grazie.
    Samu

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    1. Ciao Samu, mi scuso per il ritardo nella risposta, ma ho avuto problemi con le notifiche dei commenti.

      Nel grafico 3D della mappa di anticipo di accensione vengono usate normalmente i giri/min e il carico motore (load), il quale a seconda del tipo di sistema di misurazione del carico potrà essere:

      1- Alpha/n: Alpha = Angolo farfalla in % o gradi (0 a 90°) ed n = giri/minuto del motore
      2- Speed/density: Speed = giri/min e Density = pressione collettori con correzione temperatura aria.
      3- MAF = Flusso Massa aria

      Quindi in una mappa di accensione, possiamo trovarci 3 possibili tipi di carico motore, il caso 1 è indicato solo per motori aspirati, come motori da corsa e motociclette per esempio, si caratterizza per una risposta all'accelleratore migliore, ma una minore resa a carichi parziali dove la macchina potrebbe star girando con un piccolo carico motore e quindi risultare molto grassa rispetto allo stesso angolo farfalla ma in leggera salita dove magari risulterebbe ben calibrata.
      Per ovviare a questi inconvenienti, si usano sistemi speed/density, ed è anche il sistema per eccellenza per motori turbo. Usando la depressione nel collettore di aspirazione come mezzo di misurazione del carico motore, si rende più efficace la mappatura, perché la depressione cambierà in base allo sforzo che compie il motore.
      Infine, molti sistemi americani e giapponesi utilizzano il MAF come metodo di misurazione del carico motore, questi sistemi usano il sensore MAF anche chiamato debimetro o misuratore massa aria o anche flussometro per misurare la quantità di massa aria entrante nel motore, in questi sistemi, la pressione del collettore spesso non viene utilizzata, e su motori turbo (come i Mitsubishi EVO, Subaru Impreza ecc) la pressione turbo viene calcolata a partire da calcoli e tabelle memorizzate in centralina che gli dicono in ogni momento, in base a giri e massa aria, che pressione di sovralimentazione sta facendo il motore in quel momento. I problemi incominciano quando ci mettiamo ad elaborarli i motori mettendo turbine maggiorate, scarichi liberi, lavorazioni testata, intercooler maggiorati ecc, perchè spesso capita che si va oltre le capacità di misurazione del sensore MAF e quindi si richiede massicci interventi elettronici per adeguare il tutto.

      I le auto con sistemi speed/density spesso vengono convertite a Alpha/n quando esse vengono modificate per uso agonistico, si acquisisce maggiore risposta all'accelleratore e si è immune al problema della scarsa depressione a bassi giri dovuta all'uso di profili camme troppo esasperati che con sistemi originali a Speed/density (mediante sensore MAP, Pressione assoluta collettore) non vanno molto bene sviluppando vuoti a bassi giri.

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