El autoencendido es el inicio espontáneo de la combustión de una mezcla de combustible y aire sin que sea necesaria una chispa eléctrica en el punto donde comienza la reacción. En un motor de gasolina de encendido provocado, este fenómeno adquiere especial importancia porque la combustión debería iniciarse de forma controlada por la bujía y propagarse progresivamente mediante un frente de llama. Si una porción de la mezcla alcanza condiciones suficientes de temperatura, presión y tiempo de reacción, puede encenderse químicamente por sí misma antes de que el frente de llama normal llegue hasta ella.
Este fenómeno se encuentra estrechamente relacionado con varias formas de combustión anormal, particularmente con la detonación o knock, el preencendido y fenómenos extremos como el super-knock. Sin embargo, estos términos no son sinónimos. Comprender sus diferencias es fundamental para diagnosticar correctamente los daños producidos por combustión anormal.
El autoencendido tampoco debe considerarse intrínsecamente perjudicial. Los motores diésel utilizan deliberadamente el principio de encendido por compresión, y diferentes estrategias experimentales de combustión controlada también aprovechan la autoignición. El problema aparece principalmente cuando ocurre de manera no prevista dentro de un motor diseñado para controlar el momento de combustión mediante una bujía.
Combustión normal
En un motor de gasolina convencional, el pistón comprime la mezcla de aire y combustible mientras se aproxima al punto muerto superior. Poco antes de alcanzar esa posición, el sistema de encendido genera una chispa entre los electrodos de la bujía.
La chispa crea un pequeño núcleo de combustión que crece progresivamente hasta convertirse en un frente de llama. Este frente se desplaza a través de la cámara consumiendo la mezcla que encuentra a su paso.
La combustión no ocurre instantáneamente. Necesita varios grados de giro del cigüeñal para desarrollarse, razón por la cual la chispa normalmente se produce antes de que el pistón alcance el punto muerto superior.
A medida que el frente de llama avanza, los gases que ya han ardido se expanden y comprimen todavía más la mezcla que permanece sin quemar en las regiones más alejadas de la bujía. Esta última porción recibe habitualmente el nombre de end gas, o gas final.
En condiciones normales, el frente de llama alcanza esa mezcla antes de que pueda iniciar una combustión independiente.
Cómo ocurre el autoencendido
Una mezcla combustible no necesita necesariamente una chispa para comenzar a reaccionar. Si permanece durante suficiente tiempo bajo determinadas condiciones de presión y temperatura, sus reacciones químicas pueden acelerarse hasta producir una liberación rápida de energía.
Existe, por tanto, un retardo de autoignición o ignition delay entre el momento en que la mezcla alcanza determinadas condiciones termodinámicas y el instante en que comienza una combustión rápida.
Este retardo no constituye una cifra fija. Depende del combustible, presión, temperatura, composición de la mezcla, gases residuales y numerosas variables químicas.
Durante la compresión y la combustión, la temperatura del gas final aumenta considerablemente. Si el tiempo requerido para que esa mezcla se autoencienda se vuelve menor que el tiempo que necesita el frente de llama para alcanzarla, aparece una combustión espontánea en una región que todavía debería permanecer sin quemar.
El Departamento de Energía de Estados Unidos describe precisamente el knock como una situación en la que las elevadas temperaturas y presiones del gas no quemado provocan su autoignición antes de que sea consumido por la llama normal.
Autoencendido y detonación
La relación entre autoencendido y detonación suele generar confusión.
En el uso automotriz, la detonación o engine knock normalmente comienza después de que la bujía ya ha iniciado correctamente la combustión. El frente de llama avanza desde la bujía, pero una parte de la mezcla situada por delante alcanza condiciones suficientes para autoencenderse.
El autoencendido del gas final libera energía rápidamente y puede producir fuertes ondas de presión dentro de la cámara. Estas ondas excitan la estructura del motor y generan el característico sonido metálico conocido como cascabeleo, picado de bielas, pistoneo o knock.
Investigaciones ópticas realizadas durante décadas han demostrado que el autoencendido del gas final constituye un elemento central en el desarrollo del knock.
Un estudio del Massachusetts Institute of Technology publicado por SAE observó incluso que pueden producirse pequeños eventos de autoignición antes de que la intensidad de las oscilaciones alcance un nivel suficiente para generar un knock claramente audible.
Por ello, autoencendido y detonación están relacionados, pero no son exactamente lo mismo. El autoencendido describe el mecanismo mediante el cual una región de mezcla comienza a quemarse espontáneamente. El knock describe el fenómeno de combustión anormal y las oscilaciones de presión asociadas que pueden resultar de ese proceso.
Autoencendido y preencendido
También debe distinguirse el autoencendido del preencendido o pre-ignition.
El preencendido significa que la combustión comienza antes de la chispa programada. Puede ser iniciado por una superficie extremadamente caliente dentro de la cámara, por depósitos incandescentes, una bujía con grado térmico incorrecto, una válvula de escape sobrecalentada o, en ciertos motores modernos, mediante mecanismos más complejos relacionados con gotas de aceite y combustible.
Por tanto, preencendido describe principalmente cuándo comienza la combustión respecto de la chispa prevista, mientras que autoencendido describe un mecanismo físico-químico mediante el cual la mezcla puede iniciar su combustión espontáneamente.
Un preencendido puede involucrar autoignición de la mezcla, pero no todo autoencendido constituye preencendido.
En la detonación convencional, por ejemplo, la chispa normalmente ya ocurrió. Después, el gas final se autoenciende antes de que lo alcance el frente de llama. En ese caso existe autoencendido, pero no necesariamente preencendido.
Esta distinción ha sido estudiada por SAE desde mediados del siglo XX, precisamente porque los términos knock, pre-ignition y autoignition históricamente han sido confundidos incluso dentro de la literatura técnica.
Encendido superficial
Existe una forma de combustión anormal estrechamente relacionada denominada surface ignition o glow ignition, que puede traducirse como encendido superficial o encendido por incandescencia.
En este caso existe un elemento dentro de la cámara suficientemente caliente como para iniciar la combustión.
Puede tratarse de una bujía excesivamente caliente, una válvula de escape sobrecalentada, un depósito carbonizado incandescente o alguna superficie metálica con temperatura anormalmente elevada.
Motorservice describe daños severos en pistones producidos cuando estos puntos calientes superan las condiciones necesarias para iniciar la mezcla antes del encendido normal.
Una válvula de escape que no apoya correctamente en su asiento puede convertirse en un punto particularmente problemático. Al perder parte de su ruta de transferencia térmica hacia la culata, aumenta su temperatura y puede llegar a favorecer una combustión prematura.
Por ello, problemas aparentemente mecánicos como luz de válvula insuficiente, válvulas dañadas o deficiente refrigeración pueden terminar produciendo problemas de combustión.
Temperatura de autoignición
Es frecuente encontrar tablas que asignan a cada combustible una denominada temperatura de autoignición. Aunque estas cifras son útiles para comparar sustancias bajo condiciones determinadas, no debe interpretarse la autoignición dentro de un cilindro como si existiera una temperatura universal exacta que automáticamente encendiera cualquier gasolina.
La gasolina es una mezcla de numerosos hidrocarburos y su comportamiento depende de presión, composición, proporción aire-combustible y tiempo.
El Departamento de Energía estadounidense ha publicado valores orientativos de temperatura de autoignición de la gasolina que abarcan aproximadamente 230 a 480 °C, un rango muy amplio que demuestra precisamente la dependencia de las condiciones y la composición.
En estudios modernos de motores resulta más útil analizar el tiempo de retardo químico de autoignición a distintas combinaciones de presión y temperatura que utilizar una única temperatura aislada.
Relación de compresión
La relación de compresión tiene una enorme influencia sobre la tendencia al autoencendido.
Cuando se comprime una masa de gas aumenta su presión y su temperatura. Un motor con mayor relación de compresión puede aprovechar mejor la energía del combustible y alcanzar mayor eficiencia térmica, pero también somete la mezcla final a condiciones más favorables para la autoignición.
Por esta razón, históricamente el desarrollo de motores con mayores relaciones de compresión estuvo estrechamente ligado al desarrollo de combustibles con mejor capacidad antidetonante.
Un motor puede estar perfectamente diseñado para trabajar con una determinada relación de compresión siempre que utilice el combustible especificado. El problema aparece cuando la resistencia del combustible al autoencendido resulta insuficiente para las condiciones generadas dentro de ese motor.
Número de octano
El octanaje mide la resistencia de un combustible de encendido por chispa frente a la autoignición asociada al knock bajo condiciones normalizadas de ensayo.
Un combustible con mayor octanaje no posee necesariamente “más potencia” por sí mismo. Su característica principal es soportar condiciones más severas antes de que el gas final se autoencienda.
Esto permite que un motor diseñado para aprovecharlo pueda utilizar estrategias como mayor relación de compresión, mayor presión de sobrealimentación o avances de encendido más favorables sin entrar en detonación.
Oak Ridge National Laboratory explica que el knock aparece cuando una porción de combustible alcanza condiciones de presión y temperatura suficientemente altas para autoencenderse antes de que la llama en expansión llegue hasta ella, y que utilizar combustible con mayor resistencia al knock reduce la probabilidad de que esto ocurra.
Los números RON y MON constituyen métodos normalizados para caracterizar esta resistencia. Sin embargo, investigaciones actuales muestran que los motores turboalimentados modernos pueden funcionar bajo condiciones que difieren considerablemente de las pruebas tradicionales RON y MON, razón por la cual siguen desarrollándose índices más representativos.
Turboalimentación
La sobrealimentación incrementa la masa de aire introducida en el cilindro y puede elevar considerablemente la presión alcanzada durante la compresión y combustión.
Por ello, los motores turboalimentados de gasolina presentan condiciones especialmente exigentes respecto al control del autoencendido.
El problema no se limita al knock convencional. Los motores pequeños turboalimentados de inyección directa pueden experimentar LSPI, Low-Speed Pre-Ignition, un fenómeno de preencendido esporádico que aparece principalmente bajo elevada carga y bajas revoluciones.
La investigación moderna ha relacionado LSPI con diferentes mecanismos, incluyendo interacción entre aceite y combustible, depósitos y otras fuentes capaces de originar una llama antes de la chispa.
Un evento de preencendido puede comprimir violentamente el gas no quemado restante y desencadenar autoigniciones extremadamente intensas conocidas como super-knock o megaknock.
Por este motivo, el control de la combustión en motores turbo modernos exige considerar conjuntamente combustible, aceite, diseño de cámara, estrategia de inyección, refrigeración y gestión electrónica.
Mezcla y temperatura
La temperatura de los gases de admisión también influye en la probabilidad de autoignición.
Una carga más caliente comienza la compresión desde una temperatura superior y puede alcanzar antes las condiciones químicas necesarias para autoencenderse.
Esta es una de las razones por las cuales los motores turboalimentados utilizan intercooler. Al enfriar el aire comprimido después del turbocompresor se incrementa su densidad y también se reduce la tendencia hacia condiciones de detonación.
La proporción aire-combustible igualmente afecta la temperatura y la química de combustión. Una mezcla excesivamente pobre puede aumentar la temperatura de determinados componentes bajo ciertas condiciones y contribuir indirectamente al desarrollo de puntos calientes.
Motorservice identifica expresamente una mezcla demasiado pobre entre las condiciones capaces de elevar las temperaturas hasta favorecer encendido por incandescencia y daños térmicos.
Avance de encendido
Adelantar la chispa proporciona más tiempo para que la combustión se desarrolle antes y alrededor del punto muerto superior.
Hasta cierto punto, esto puede mejorar el par y la eficiencia. Sin embargo, un avance excesivo aumenta la presión y temperatura experimentadas por el gas final mientras todavía está esperando la llegada del frente de llama.
Esto incrementa la posibilidad de autoignición.
Por esa razón, uno de los métodos fundamentales utilizados por las unidades de control modernas cuando detectan knock consiste en retrasar el encendido.
El sensor de detonación detecta las vibraciones características del bloque y la ECU puede disminuir temporalmente el avance del cilindro afectado. Al hacerlo se reducen las condiciones que favorecen la autoignición, aunque normalmente con cierta pérdida de eficiencia o rendimiento.
El control electrónico permite que los motores modernos funcionen muy cerca de su límite de knock sin sufrir detonaciones continuas.
Depósitos de carbón
Los depósitos dentro de la cámara pueden favorecer la combustión anormal por diferentes mecanismos.
Primero, pueden disminuir ligeramente el volumen efectivo de la cámara y modificar la relación de compresión local. Segundo, determinadas acumulaciones pueden retener calor y crear puntos incandescentes. También pueden alterar el flujo y transferencia térmica dentro del cilindro.
Chevron señala que el aumento de carga, temperatura, compresión, avance del encendido y depósitos en la cámara incrementan la tendencia del motor hacia el knock.
Los depósitos procedentes del consumo excesivo de aceite son especialmente problemáticos porque pueden crear superficies calientes y participar en fenómenos de preencendido.
Esto explica por qué un motor con desgaste importante puede desarrollar problemas de combustión que no existían cuando era nuevo, aun utilizando aparentemente el mismo combustible.
Sobrecalentamiento
Un motor que funciona por encima de su temperatura de diseño presenta mayor riesgo de combustión anormal.
Una culata excesivamente caliente, válvulas de escape sobrecalentadas y superficies de la cámara con temperaturas superiores a las previstas reducen el margen disponible antes de alcanzar condiciones favorables para autoignición o encendido superficial.
Problemas de refrigeración, mezcla, lubricación o avance pueden contribuir a esta situación.
Una bujía incorrecta también puede convertirse en una fuente de calor. El grado térmico de la bujía determina su capacidad para transferir energía desde la punta del aislador hacia la culata. Una bujía demasiado caliente para la aplicación puede alcanzar temperaturas capaces de promover preencendido.
Por ello, utilizar una bujía físicamente compatible pero con un rango térmico incorrecto puede ser mucho más peligroso de lo que parece.
Daños en el pistón
Las consecuencias de un autoencendido severo dependen del momento y la intensidad con que ocurra.
El knock produce picos y oscilaciones rápidas de presión capaces de cargar intensamente la cabeza del pistón, los segmentos, cojinetes y superficies de la cámara.
Cuando existe preencendido persistente, el daño térmico puede ser todavía más grave. La mezcla comienza a quemarse demasiado temprano mientras el pistón todavía está subiendo. Esto provoca temperaturas y presiones anormales y expone la cabeza del pistón a la llama durante más tiempo.
Motorservice documenta casos en los que el material de aluminio de la cabeza del pistón se ablanda y llega a fundirse. En condiciones extremas puede formarse un orificio completo en la corona del pistón.
Las válvulas, bujías, segmentos, juntas de culata y cojinetes también pueden resultar dañados.
Dieseling después de apagar el motor
Otro fenómeno frecuentemente asociado al término autoencendido es el dieseling o run-on de antiguos motores de gasolina.
En algunos motores con carburador, el motor podía continuar funcionando durante unos segundos después de cortar eléctricamente el encendido.
Como ya no existía chispa en la bujía, la mezcla que seguía entrando debía inflamarse mediante alguna fuente diferente, frecuentemente depósitos incandescentes o superficies extremadamente calientes.
El motor comenzaba entonces a funcionar mediante combustiones irregulares independientes del sistema de encendido.
Este fenómeno se hizo mucho menos frecuente con la inyección electrónica moderna, ya que la ECU puede cortar completamente el suministro de combustible cuando se desconecta el motor.
Aunque suele describirse popularmente como autoencendido, el dieseling puede involucrar encendido superficial, compresión y condiciones térmicas residuales y no debe confundirse directamente con el funcionamiento normal de un verdadero motor diésel.
Autoencendido en motores diésel
En un motor diésel, el autoencendido constituye el principio normal de funcionamiento.
Durante la admisión entra principalmente aire. El pistón lo comprime hasta elevar considerablemente su presión y temperatura. Cerca del final de la compresión, el inyector introduce el combustible.
Las gotas comienzan a evaporarse y mezclarse con el aire caliente. Después de un determinado retardo de ignición, el combustible comienza a arder espontáneamente sin necesidad de una bujía convencional.
La diferencia fundamental es que el motor ha sido diseñado específicamente para controlar y aprovechar este proceso.
En un motor de gasolina convencional, por el contrario, se pretende que la bujía determine el momento inicial de combustión. Una autoignición no prevista significa que parte del control sobre ese proceso se ha perdido.
Por ello, la palabra autoencendido no significa necesariamente una avería: su interpretación depende completamente del sistema de combustión del motor.
Prevención
El control del autoencendido en motores de gasolina comienza utilizando el combustible con el octanaje especificado por el fabricante. Un combustible de mayor resistencia permite soportar mayores presiones y temperaturas del gas final antes de desarrollar knock.
También son fundamentales el correcto funcionamiento del sistema de refrigeración, la mezcla aire-combustible, el grado térmico adecuado de las bujías y la ausencia de acumulaciones anormales de carbón y aceite.
En motores modificados deben considerarse especialmente aumentos de relación de compresión, presión de turbo, temperatura del aire de admisión y avance de encendido. Una modificación que aumenta el par también suele aumentar las condiciones termodinámicas dentro del cilindro.
Los motores actuales cuentan además con sensores de detonación, control electrónico individual de encendido, inyección directa, estrategias de enriquecimiento, recirculación de gases y gestión térmica destinadas a mantener el funcionamiento dentro de márgenes seguros.
Importancia del fenómeno
El autoencendido permite comprender gran parte de los límites fundamentales de un motor de gasolina. Los ingenieros buscan aumentar relación de compresión, presión de sobrealimentación y eficiencia, pero todas estas estrategias tienden a elevar las condiciones de presión y temperatura que experimenta la mezcla.
Mientras el frente de llama de la bujía consiga consumir el gas antes de que su química alcance el punto de autoignición, la combustión permanece controlada. Cuando esa carrera se invierte y una región de mezcla comienza a reaccionar espontáneamente, pueden aparecer knock, preencendido severo o fenómenos todavía más destructivos.
La diferencia entre una combustión eficiente y una capaz de fundir un pistón puede depender de unos pocos grados de encendido, la temperatura de una válvula de escape, la resistencia antidetonante del combustible o algunos milisegundos de retardo químico. Por eso el autoencendido no es solamente una anomalía del motor, sino uno de los fenómenos físicos y químicos fundamentales que determinan hasta dónde puede llevarse el rendimiento de un motor de combustión interna.
Referencias
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Phenomena that Determine Knock Onset in Spark-Ignition Engines – Vikram Mittal, Brian Revier y John Heywood, Massachusetts Institute of Technology / SAE International. SAE Mobilus – Phenomena that Determine Knock Onset in Spark-Ignition Engines
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How Can Co-Optimized Fuels and Spark-Ignition Engines Enhance Efficiency While Reducing Carbon Emissions? – U.S. Department of Energy. U.S. Department of Energy – Co-Optima Spark-Ignition Engines and Knock
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Development of a Supercharged Octane Number and a Supercharged Octane Index – Alex Hoth, Christopher Kolodziej, Muhammed Waqas et al., Oak Ridge National Laboratory / SAE International. Oak Ridge National Laboratory – Supercharged Octane Number and Index
Damage Due to Abnormal Combustion – MS Motorservice International GmbH. Motorservice – Damage Due to Abnormal Combustion
Piston Damage – Recognising and Rectifying – MS Motorservice International GmbH / Kolbenschmidt. Motorservice – Piston Damage: Recognising and Rectifying