Originariamente Scritto da
FrancoRinaldi
Vorrei aggiungere qualche riflessione su questi deleteri fenomeni:
La camera di combustione di un motore a ciclo Otto presenta, come è noto una serie di fenomeni anomali, che è necessario evitare.
La PREACCENSIONE è una accensione prematura, provocata da punti caldi di qualsiasi natura (depositi carboniosi, elettrodi di candele con gradazione termica eccessiva, valvole di scarico troppo calde, etc.). Come tale equivale ad un aumento di anticipo , quindi, posto che il motore abbia l'anticipo ottimizzato (punto massimo delle curve "a ombrello) produce una perdita di potenza ed un avvicinamento alle condizioni di detonazione. E' un fenomeno auto-esaltante, in quanto, al suo insorgere, la temperatura dei punti caldi (ed in generale di tutte le pareti ) tende a crescere a causa dell'anomalo incremento di anticipo. Si può giungere alla foratura.
Piccolo excursus storico.
L'accensione a punto caldo venne utilizzata agli albori della motoristica, nel sistema cosiddetto "a cannello". Per gli amanti di archeologia industriale ricordo che si trattava di un funzionamento al quanto più sofisticato di quanto si possa immaginare a prima vista: l'accensione avveniva infatti solo quando, per effetto della compressione, la miscela fresca penetrava nel cannello fino a raggiungere il punto caldo. Variando la potenza della lampada riscaldatrice si poteva così controllare l'anticipo. Il sistema è ripreso negli attuali motorini per aeromodello a "candela incandescente" (glow plug)
L'AUTOACCENSIONE è l'accensione istantanea ("detonante" anziché "deflagrante") dell'intera carica di miscela. La causa è, in generale, un eccessivo rapporto di compressione, magari associato a pareti troppo calde. A parte un tipo di motori per aeromodello (impropriamente chiamati "Diesel"), ed un vecchio micromotore per biciclette (il Lohmann: ambedue a rapporto di compressione regolabile) che funzionano secondo questo principio, si tratta di un fenomeno del tutto anomalo. In un motore normale (di serie) esso non si verifica praticamente mai nella sua interezza, in quanto i progettisti conoscono bene i limiti di rapporto di compressione da non superare.
La DETONAZIONE è il fenomeno anomalo di gran lunga più importante nei motori a ciclo Otto. Esso è stato sconosciuto fino alla prima Guerra Mondiale. All'epoca le benzine avevano un numero di ottano nell'ordine di 50, tutto quello che si sapeva era che il motore "surriscaldava" ed il pilota si arrangiava ad orecchio con le manette del gas e dell'anticipo. In effetti l'orecchio serviva bene, dato il caratteristico rumore tintinnante del "battito in testa". Questo rumore, caro ai vecchi motoristi, si poteva ancora ascoltare qualche anno fa, vicino ai semafori dove in "500" (parlo della "vecchia" 500, quella bicilindrica giacosiana) transitavano belle ragazze o gentili signore fresche di patente e con il serbatoio pieno di "normale". In campo aeronautico stava nel "manico" del pilota limitare la potenza a bassa quota, sotto pena di distruggere il motore e con esso l'aereo e la pelle.
La detonazione si può definire una "autoaccensione parziale" della carica di miscela. La fenomenologia di base è ben nota. La frazione di miscela che, ad un certo istante, è stata bruciata, non solo ha aumentatola propria temperatura, ma anche, di conseguenza, il proprio volume, e perciò ha COMPRESSO la frazione di miscela che deve ancora bruciare. L'ultima frazione di miscela incombusta è quella che subisce la massima compressione, prima di essere raggiunta dalla fiamma. Può dunque succedere che essa si autoaccenda prima dell'arrivo della fiamma stessa, bruciando in modo istantaneo ("detonante") anziché graduale ("deflagrante"). Questo è il motivo per cui la detonazione avviene nella porzione di miscela che è stata raggiunta per ULTIMA dalla fiamma ("gas finale" o "end gas"). La combustione istantanea del gas finale produce una intensa onda d'urto nel gas stesso, che si propaga all'interno della camera di combustione riflettendosi molte volte contro le pareti, ed originando il caratteristico rumore.
Anche la detonazione è un fenomeno auto-esaltante: all'intensa onda d'urto è associata infatti un'intensa onda di velocità (cioè di elevati coefficienti di scambio termico) che spazza il cilindro avanti ed indietro, riscaldando in modo anomalo le pareti e generando punti caldi, che potranno poi attivare eventuali preaccensioni. A loro volta le preaccensioni (che equivalgono, ricordo, ad un aumento di anticipo) esaltano la detonazione. Si può giungere a funzioni parziali di materiale ("butteratura") nella zona del "gas finale" e alla foratura degli stantuffi.
Un'interessante proprietà della detonazione (ed in generale di tutti questi fenomeni) è che, per innescarsi, richiede un certo TEMPO di permanenza dei reagenti nelle condizioni adatte. Esiste cioè un tempuscolo di "ritardo di detonazione" ("detonazione delay"). Si tratta di un tempo di incubazione chimico-fisico molto simile a quello che presiede il "ritardo di accensione" dei Diesel.
La DETONAZIONE si combatte:
1) Minimizzando il TEMPO (assoluto) di combustione quindi:
- Camera di forma "compatta" (basso percorso di fiamma), Ciò è favorito da un ALTO rapporto Corsa/Alesaggio.
- Alta velocità di fiamma (miscela ricca, turbolenza).
- Candela in posizione centrale.
- Eventuale doppia accensione.
2) Mantenendo FREDDO il "gas finale" quindi:
- Pareti camera in zona "gas finale" ben raffreddate.
- Elevato raffreddamento generale.
- Condotti di aspirazione coibentati per tenere bassa la temperatura iniziale della miscela.
- Stratificazione (gas finale costituito da sola aria o gas combusti).
- Candela vicina al punto caldo (per i 4t le valvole di scarico) in modo che la miscela più calda (cioè più critica) sia la prima a bruciare.
- Iniezione di acqua, metanolo o altri composti raffreddanti (motori da corsa 4t).
- Data la sua interazione con la detonazione, sono da adottare infine quelle disposizioni che tendono ad impedire la preaccensione, cioè la formazione di punti caldi: candele di adeguato grado termico, corretta lunghezza di filetto (deve finire "a filo" della testa, senza sporgere o rientrare), arrotondamento e lucidatura degli spigoli vivi sporgenti (in particolare bordi di eventuali guarnizioni, sbavature, etc.), buon raffreddamento (sedi, guide, eventuale stelo cavo parzialmente riempito di sodio) delle valvole di scarico per i 4t, etc.
Nei moderni motori a 4t, la detonazione può essere tenuta sotto controllo da oppurtuni sensori di detonazione ("rondelle") posti sotto le candele. Tali rondelle sono in grado (nei motori da competizione), di fornire tra l'altro, l'intero diagramma delle pressioni, anche se in modo meno preciso rispetto ai veri e propri sensori di pressione.
