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| Esquema del comportamiento de la presión en el cilindro, para combustión normal y anormal. |
Veamos los dos fenómenos principales que ocurren durante la combustión anómala: la deflagración y la detonación.
La detonación limita el rendimiento y la eficiencia de los motores de combustión de encendido por chispa, altamente comprimidos y de tamaño reducido. En este artículo, se analiza el efecto del encendido de primera etapa sobre la detonación utilizando un modelo de motor cuasidimensional. El modelo estándar de llama coherente se utiliza para la combustión turbulenta, y se aplican cinco mecanismos de cinética química reducida disponibles a la ignición térmica del gas final. Se utilizan mediciones en un motor CFR modificado que opera con dos mezclas PRF para comprobar la capacidad predictiva de los modelos e identificar las condiciones que provocan la detonación. Si bien los modelos de cinética química utilizados predicen curvas de retardo de autoignición similares, no producen las mismas predicciones de detonación. Los resultados muestran que la química debe capturar correctamente el rango NTC para predecir el inicio observado de la detonación. Además, los modelos químicos se utilizan para determinar los tiempos de retardo de encendido de primera y segunda etapa y su dependencia de la velocidad del motor y la relación de compresión. Los resultados muestran que las etapas de autoignición ocurren a temperaturas relativamente fijas, independientemente de la velocidad del motor y la relación de compresión. Un análisis de sensibilidad muestra que solo un conjunto de reacciones en la química de baja temperatura contribuye a la ignición de primera etapa, lo que a su vez determina la aparición de detonación. Esto sugiere que los aditivos para combustible que inhiben o retrasan la inflexión en la región NTC de baja a alta temperatura podrían prevenir la detonación en los motores de encendido por chispa.
1. Fenómeno de Deflagración (combustión normal)
Definición:
La deflagración es la combustión normal y controlada de la mezcla aire-combustible dentro de la cámara del ciclo del motor Otto.
Se produce a una velocidad de propagación subsónica, es decir, menor que la velocidad del sonido (≈ 340 m/s).
Proceso físico-químico:
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La bujía genera una chispa eléctrica → inicia la reacción química entre el combustible (hidrocarburos) y el oxígeno del aire.
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La llama se propaga de manera uniforme y progresiva a través de la mezcla.
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La presión y temperatura aumentan suavemente, empujando el pistón hacia abajo de forma eficiente.
Velocidad de Propagación: Típicamente entre 1 a 100 metros por segundo (m/s).
Expresión termodinámica:
El incremento de (temperatura) produce aumento de (presión), pero de forma controlada.
Velocidad de reacción:
Depende de la relación aire-combustible, turbulencia y geometría de la cámara.
2. Fenómeno de Detonación (combustión anómala)
Definición:
La detonación limita el funcionamiento de los motores de encendido por chispa (SI) de tamaño reducido y alta compresión. Comienza con una ignición térmica del gas final causada por el aumento de presión resultante de la propagación de la onda de deflagración turbulenta y la dinámica del motor. Normalmente, la temperatura..., presión, y la razón de equivalencia,
Las condiciones en el gas final pueden dar lugar a un régimen de llama fría. Esta llama fría tiene dos efectos principales: (1) precede al evento principal de autoignición y (2) afecta la propagación de la llama de deflagración. Además de la autoignición, la preignición de la mezcla también puede provocar detonación. Aquí nos centramos en la autoignición de dos etapas.
Combustión anormal
El golpeteo se refiere a la ocurrencia de la combustión espontánea de la mezcla aire-combustible, lo que provoca una oscilación de presión de alta frecuencia dentro de la cámara de combustión. Los tres pasos principales durante una combustión anormal se ilustran en la Figura. Estos son el régimen de inicio, que conduce a la autoignición del gas final, la discontinuidad de presión, debido a una fuerte liberación instantánea de calor, y las oscilaciones de presión, causadas por la reverberación de las ondas sonoras. Estos conceptos se abordan en la literatura mediante la identificación del mecanismo de autoignición, la definición de qué características físicas conducen a la formación de ondas de presión, y la determinación de qué efectos hacen que las ondas de presión alcancen altas intensidades.
La propensión al golpeteo del motor se ha modelado mediante ecuaciones algebraicas o diferenciales semiempíricas. Uno de los primeros modelos algebraicos fue propuesto por Douaud-Eyzat.
dónde r es el tiempo de retardo del encendido del motor,C1 son constantes ajustadas al motor y ON es el número de octano del combustible.
Encendido de primera etapa
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| Tiempo de retardo de ignición para un reactor adiabático e isocórico de mezcla estequiométrica homogénea de PRF00/aire, (a) tiempo de retardo de ignición y (b) historial de tasa de liberación de calor para autoignición a 650k, 750k y 850k. |
La detonación ocurre cuando parte de la mezcla no se quema de forma controlada, sino que explota espontáneamente debido a la alta presión y temperatura antes de que llegue el frente de llama principal.
En este caso, la onda de combustión viaja a velocidad supersónica (> 1500 m/s), generando golpes de presión dentro de la cámara. (resonancia del bloque motor, típicamente alrededor de los 6400 Hz.
Causa:
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Exceso de temperatura en la cámara.
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Relación de compresión alta sin combustible de suficiente octanaje.
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Puntos calientes (depósitos de carbón o bujías sobrecalentadas).
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Mezcla pobre (poca gasolina) → más aire → más temperatura.
Reacción química:
El extremo opuesto a la deflagración:
donde la energía liberada () es instantánea y descontrolada.
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| Representación del modelo de combustión del motor. |
Consecuencias físicas:
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Golpeteo (“knock” o pinking).
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Ondas de choque que deterioran pistones, válvulas y cojinetes.
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Aumento brusco de presión (~60–80 bar) y temperatura (>2500 °C).
Comparativa general
| Característica | Deflagración (normal) | Detonación (anómala) |
|---|---|---|
| Velocidad de propagación | < 340 m/s (subsónica) | > 1500 m/s (supersónica) |
| Tipo de reacción | Controlada | Explosiva |
| Origen | Chispa de bujía | Autoignición |
| Presión en cámara | Aumenta gradualmente | Aumenta bruscamente |
| Efecto mecánico | Eficiente, estable | Golpeteo, daño |
| Combustible | Gasolina de alto octanaje | Gasolina de bajo octanaje |
En resumen:
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Deflagración: combustión deseada y controlada, base del funcionamiento del motor Otto.
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Detonación: autoignición no deseada, que provoca vibraciones, pérdida de potencia y daños.
Modelo termodinámico y cinético del Knock
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| Área del frente de llama turbulento. La letra B es el diámetro interior del cilindro Hp es la distancia desde la culata hasta el pistón, Rf define el radio del frente de llama, Rc es el centro del radio de la llama, y s describe el contacto de la llama con la pared opuesta. |
La detonación ocurre cuando el end-gas (mezcla no quemada) alcanza condiciones críticas:
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Temperatura > 850 – 900°C
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Presión > 25 – 30 bar
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Tiempo de reacción química menor que el tiempo de avance del pistón
Ecuación cinética de autoignición (Arrhenius)
Donde:
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τ = tiempo de autoignición
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Ea = energía de activación
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T = temperatura absoluta del end-gas
Cuando T sube, el tiempo τ se vuelve extremadamente pequeño → autoexplosión local.
Dinámica de gases en knock
Durante la deflagración normal:
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La llama avanza desde la bujía.
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El end-gas es comprimido suavemente.
Durante el knock:
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El frente de llama deja atrapada una porción final de mezcla.
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Esta pequeña zona se comprime como un “minicilindro virtual”.
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Si su temperatura sube lo suficiente → explota súbitamente.
Esa explosión genera ondas de choque reflejadas contra:
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la culata,
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paredes del cilindro,
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cabeza del pistón.
Por eso se escucha un golpeteo metálico.
Factores que inducen knock
1. Alta temperatura del end-gas
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mezcla pobre,
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alta carga,
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enfriamiento insuficiente,
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hot-spots (depósitos de carbón).
2. Alta presión
Directamente relacionada al avance de encendido:
Más compresión → más presión → más knock.
3. Avance de encendido excesivo
Produce la combustión muy cerca del PMS → alta compresión del end-gas.
4. Bajo octanaje (RON/MON)
Combustibles con baja resistencia a la autoignición.
5. Elevada relación de compresión
Motores turbo o alta compresión estática.
6. Carga térmica local
Puntos calientes de bujía, válvula o depósitos.
7. Turbulencia anómala
Desprendimiento del frente de llama en condiciones extremas.
6. Diferencia entre Knock, Pre-Ignición y Detonación
| Fenómeno | Causa | Velocidad | Daño típico |
|---|---|---|---|
| Knock (detonación) | Autoignición del end-gas | supersónica | hoyos en pistón, anillos rotos |
| Pre-ignición | Foco caliente (bujía, carbón) | normal o rápida | fusión del pistón |
| Deflagración | Combustión normal | sub-sónica | operación normal |
Efecto del knock en presión del cilindro
En un motor SI normal:
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Pmax ≈ 60–90 bar
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con gradual aumento.
En knock:
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Pmax puede subir +30–70 bar en milisegundos.
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Oscilaciones de 6–8 kHz (frecuencia típica de knock).
8. Cómo la ECU detecta y corrige el knock
Sensor de detonación (piezoeléctrico)
Capta vibraciones entre 6–15 kHz.
La ECU reacciona:
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retrasa el avance (4–15°),
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enriquece mezcla,
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reduce boost,
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baja temperatura del compresor (intercooler).
Motores modernos:
Algoritmos tipo:
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Ion-Sensing (en la bujía),
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Modelado termoquímico predictivo,
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Knock Windowing (ventanas de análisis).
Consecuencias mecánicas del knock
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| Esquema de los eventos clave de autoignición durante la combustión del motor. θsc Indica cuando la química está activada y las áreas marcadas presentan las regiones donde ocurren los eventos principales. |
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picado del cielo del pistón (pitting),
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rotura de anillos,
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daño de metales de biela,
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fusión de bordes de válvula,
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desgaste del cilindro.
En motores turbo:
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falla por fusión en corona,
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rotura del piston ring land.
10. Resumen técnico
El golpeteo del motor es un fenómeno termoquímico donde la mezcla final (end-gas) alcanza condiciones críticas de presión-temperatura, reduciendo el tiempo de autoignición según Arrhenius. Esto produce combustión supersónica por detonación, generando ondas de choque que causan picos brutales de presión y daño mecánico en cabeza de pistón, válvulas y metales.
