DETONACIONES EN MOTORES ALTERNATIVOS DE GAS

Por Santiago García Garrido

La detonación o knocking aparece cuando la mezcla gas-aire se inflama bruscamente antes de que salte la chispa en la bujía, cuando el pistón no ha alcanzado aún el momento preciso. Se provoca por tanto una fuerza que se opone al movimiento normal del cigüeñal.


Para entender mejor el fenómeno es necesario entender otros dos fenómenos asociados: el encendido superficial y la autoinflamación.

En el interior de la cámara de combustión pueden originarse puntos calientes que pueden llegar a ser fuentes de encendido y generar frentes de llama en cualquier parte del ciclo. Los puntos calientes más comunes que ocasionan preencendido son la bujía y restos de hidrocarburos inquemados. Estos últimos no son capaces de provocar preencendidos permanentes ya que se volatilizan a más de 1000 ºC, y se cree que son debidos a aditivos órgano-metálicos del aceite y combustibles. La formación de los frentes de llama puede darse antes o después de que salte la chispa. Si sucede después se origina el post-encendido que simplemente produce un gradiente de presión más fuerte con el giro del cigüeñal. Si sucede antes de que salte la chispa se origina el pre-encendido, que origina una fuerza que se opone al movimiento. El efecto es una combustión anormal caracterizada por un ruido sordo o marcha dura que si no va acompañado de detonación se denomina ‘rumble’.

La autoinflamación se produce cuando la mezcla aire-gas se inflama de forma espontánea, antes de que salte la chispa en la bujía. Para que la mezcla se autoinflame hace falta alcanzar una temperatura mínima para una determinada presión o viceversa, que se alcanza por reacciones en cadena originados por radicales libres que reaccionan con los productos quemados acelerando fuertemente el proceso de combustión. La autoinflamación no es espontánea y requiere un tiempo de retraso o de inducción, en el que tienen lugar las prerreacciones que dan origen a los primeros radicales activos (etapa se llama iniciación).
Tanto la autoinflamación como el encendido superficial pueden degenerar en detonación: al avanzar el frente de llama debido a la dilatación de los productos quemados, la mezcla sin quemar se comprime y en determinadas condiciones la restante parte sin quemar a su vez se autoinflama. Si los gradientes de presión que produce esta autoinflamación de la mezcla que quedaba sin quemar son lo suficientemente intensos (acompañados de un ruido audible característico y la posibilidad de dañar la superficie de la cámara) es cuando se produce el fenómeno conocido como detonación o knocking.
Cuando la autoinflamación es lo suficientemente rápida, se propaga a través de la cámara de combustión por ondas de presión, haciendo vibrar el gas con una frecuencia dependiente de la velocidad de las ondas y el tamaño y la forma de la cámara de combustión. Estás vibraciones del gas inducen vibraciones mecánicas en los elementos que configuran la cámara de combustión dando lugar al ruido característico que frecuentemente se denomina picado de biela..

Los factores que intervienen en el knocking son, pues, los siguientes:

- La instrumentación del sistema anti-knocking: esta instrumentación, como cualquier otra puede fallar e indicarnos que está habiendo un problema que en realidad no existe
- Fallo en el detector inductivo (pick-up) que indica la posición del volante de inercia: como ese sensor es el que determina el momento en que debe saltar la chispa, un mal funcionamiento provoca que la chispa salte en un momento diferente al óptimo
- El estado del aceite de lubricación. Un aceite 'sucio' tiene muchos restos de hidrocarburos inquemados
- La composición del gas. El gas con un número de metano bajo tiene una capacidad detonante mayor que un gas natural con un número de metano mayor, ya que produce los radicales libres necesarios para el inicio de la reacción a una temperatura inferior.
- El estado de las camisas. Si éstas han perdido el bruñido, es decir, la superficie rugosa que retiene el aceite, parte de éste puede pasar a la cámara de combustión y provocar puntos calientes
- Las bujías. La combustión detonante puede conducir a una elevación anormal de la temperatura de los electrodos de la bujía, con el consiguiente preencendido superficial. El preencendido producido por la detonación puede realimentar e intensificar ésta, pudiendo llegarse a producir un preencendido de avance creciente extremo y errático. Este fenómeno se conoce como wild pind

Las consecuencias del fenómeno de detonación son: degradación acelerada de pistón, camisa y válvulas, disparo del motor al activarse el sistema de protección anti-knocking, pérdida de rendimiento y de potencia, al tener que bajar la temperatura de cámaras de combustión para evitarlo.

Para corregir el problema, es conveniente realizar una serie de comprobaciones, en el orden descrito, para identificar la causa o causas principales del fallo:

- Comprobar la composición del gas y comprobar su número de metano. Si la detonación está provocada por la composición del gas, la única solución posible será la bajada de temperatura de la cámara de combustión
- Revisar y/o sustituir la instrumentación del sistema antiknocking
- Comprobar y/o sustituir el detector inductivo del volante de inercia
- Analizar el aceite de lubricación y sustituir si el análisis así lo indica
- Cambiar la bujía del cilindro en el que se detecta la detonación
- Realizar una endoscopia al cilindro que detona para comprobar el estado de la camisa (comprobar que no ha perdido el bruñido). Sustituir si es necesario.
- Rebajar la temperatura de la cámara de combustión afectada, empobreciendo la mezcla aire gas y/o rebajando la presión de la cámara de combustión. Esto hará disminuir el rendimiento y la potencia del motor
- Modificar ligeramente el avance de encendido. En determinados motores el propio sistema anti-knocking puede corregir automáticamente el avance hasta corregir el efecto.

Santiago García Garrido
sgarcia.power@gmail.com