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¿Qué es la detonación (cascabeleo/knock) y por qué es tan temida?

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Si eres entusiasta de los autos y los motores habrás escuchado términos como detonación, cascabeleo, preignición, knock. También habrás escuchado historias de terror sobre motores destrozados por su causa. Hay muchos mitos y desinformación al respecto así que en este texto esperamos aclarar esos conceptos.

Sabia virtud de conocer el tiempo…

Casi todos los motores de gasolina que equipan los autos funcionan bajo un ciclo “de cuatro tiempos”. Estas “etapas” son la admisión (cuando entra al cilindro una mezcla de aire y gasolina), la compresión (cuando el pistón sube reduciendo el volumen de esa mezcla), la expansión (cuando los gases que se producen en la combustión se expanden produciendo una fuerza) y el escape (cuando se desalojan los gases quemados). En algún momento durante la compresión, la bujía produce una chispa dentro del cilindro que inicia una reacción en cadena en la cual la gasolina se quema rápida pero ordenadamente.

Debido al tiempo que toma la propagación de esta flama, el chispazo siempre sucede algunos grados antes de que el pistón termine su recorrido hacia arriba (punto muerto superior). A esto se llama avance de la chispa o

tiempo de encendido. La cantidad de avance tiene efecto en la cantidad de torque que produce el motor. De hecho para cada condición de carga y RPMs hay una cantidad de avance óptima, que creará la máxima cantidad de fuerza sobre el pistón en la etapa de expansión, aprovechando al máximo la energía del combustible. A ese valor de avance ideal se le conoce como MBT (por las siglas de Maximum Brake Torque). Sin embargo los motores no siempre llegan a operar en esos rangos de avance, especialmente cuanto son sobrealimentados o de alta compresión. La razón es otro concepto llamado detonación.

Regresemos al punto en que aún no se quema toda la gasolina dentro del cilindro. La parte de la mezcla que ya se quemó se convierte en un gas que aumenta la temperatura y la presión dentro del cilindro. Esto se suma al aumento de presión provocado por la carrera ascendente del pistón. Puede llegar a un punto en el que la presión y temperatura sean tan altas que la gasolina restante, en vez de quemarse ordenadamente explota, provocando una onda de choque y ejerciendo un pico de fuerza en los componentes del motor. Para hacer una analogía imagínate que estás viendo al Tri en el Estadio Azteca y se arma la ola. La combustión normal es cuando esa ola va bien: todos se paran cuando les toca y se hace un bonito y divertido espectáculo. Ahora imagínate, que en vez de gritar algo “homofóbico” al portero cuando despeja, se ponen todos de acuerdo para brincar exactamente al mismo tiempo. La integridad estructural del estadio se vería mucho más comprometida en el segundo caso.

Daño causado por detonación

Pues en el caso de los motores sucede lo mismo. Puede detonar sólo la última parte del combustible (en cuyo caso no pasará nada) o puede detonar una mayor fracción del combustible, cuyas consecuencias serán ruido de cascabeleo perceptible. Si detona una fracción aún mayor se puede provocar una disminución de la vida del motor por desgaste de sus componentes internos e incluso daños catastróficos, como el desprendimiento de pedazos enteros del pistón.

Consecuencias de la detonación

Para distinguir el ruido que produce la detonación trae a tu mente la imagen de un Tsuru acelerando en segunda tras pasar un tope. Ese “tic tic tic” agudo como si estuvieran cincelando el bloque es la detonación.

Es sólo una imagen, pero casi puedo escuchar las detonaciones que producirá al acelerar…

La detonación estará determinada por diversos factores. El más importante es el octanaje de la gasolina utilizada, pero eso se abordará en un artículo futuro. Algunos otros son inherentes al diseño del motor, como la relación de compresión, el nivel de boost (sobrepresión) en motores sobrealimentados, la cantidad de recirculación de gases de escape (ya sea por válvula EGR o por traslape valvular), etc. Por otra parte, el motor será más propenso a acelerar cuando tenga mayor carga (la mariposa del acelerador está más abierta).

La forma más sencilla de controlar la detonación será reducir el avanceAcademy Negro marrones Oscuro Szf201960 Nike Jordan grises Niños OiulkZTPwX, ya que al retrasar la chispa se alcanzará una menor presión en el cilindro. En los motores modernos, el ECU (engine control unit o “computadora” de motor) tiene mapas con los valores de avance MBT y/o mapas con valores que están al límite de la detonación para la gasolina con la que se recomienda operar ese motor. El motor usará el menor de esos valores para cada condición de carga y RPMs. Ese dato será ajustado con base en la información de los sensores de detonación o knock sensor (presente en la mayoría de los motores modernos), que básicamente son micrófonos muy especializados pegados a la pared del bloque de tu motor y que detectan la detonación desde niveles no perceptibles para el conductor. Cuando el ECU “escucha” la detonación, retrasa un poco la chispa en los siguientes ciclos para controlarla. Y si no escucha nada… pues adelanta un poco para aprovechar mejor la energía (sin exceder el valor de MBT).

Sensor de knock

Detonación vs preignición

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Es importante no confundir la detonación con la preignición. Este último fenómeno se da cuando la gasolina se enciende ANTES de que se produzca la chispa en la bujía. Generalmente es causada por “puntos calientes” dentro del cilindro, como depósitos de carbón o la propia bujía si no se usa el modelo adecuado. También llega a suceder de manera un tanto aleatoria en motores de inyección directa y con sobrealimentación. Debido a esto la preignición no se puede controlar retrasando la chispa. La preignición también origina un sonido agudo aunque distinto del de la detonación. También puede ocasionar daños al pistón.

Detonación en motores modificados

Modificar un auto para aumentar su desempeño siempre conlleva riesgos. Debemos de tener en mente que los automóviles son sistemas cuyos componentes tienen relaciones complejas, por lo que alterar uno o varios de ellos puede tener consecuencias poco previsibles. Mientras que los motores modernos rara vez tienen problemas de detonación si se les da el mantenimiento adecuado, muchas de las historias de terror que hemos escuchado acerca de la detonación se deben en mayor o menor medida a modificaciones.

¿Listo para hacer modificaciones serias a tu auto? Prepárate también para seguir un proceso de desarrollo

Ya sea que aumentes la relación de compresión, agregues sobrealimentación a un motor normalmente aspirado o aumentes el boost de un motor sobrealimentado, estarás aumentando la propensión a la detonación, por lo cual los mapas del ECU pueden dejar de ser los adecuados. Aun cuando el motor tenga sensores para mitigar la detonación, es posible que se llegue a los límites de control del software contenido en el ECU para adelantar o retrasar el avance de la chispa. También es posible que, debido a las modificaciones, cambien el sonido del motor y por lo tanto los sensores detecten falso knock. Si además cambias el sistema de control, es decir, migras a una computadora programable, es posible que el nuevo sistema aftermarket

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tenga estrategias de control mucho menos desarrolladas que las de tu OEM y renuncies por completo a cualquier estrategia para mitigar la detonación.

Lógicamente, sufrir detonación en un motor que ya está soportando mayores fuerzas que las originales por el aumento de potencia puede llevar a daños bastante severos, por lo que es un aspecto muy delicado en el cual poner atención y es muy probable que requieras una reprogramación de tu sistema de control.

Consulte a su tuner

Mientras que los fabricantes de autos recurren a equipos especializados para medir la presión dentro del cilindro y así detectar la detonación, los tuners que hacen tus nuevos mapas tendrán que recurrir a sistemas de detección más accesibles, como sistemas externos para detectar detonación, un oído altamente entrenado, la experiencia en modificaciones similares a motores similares o de plano correr mapas conservadores.

Sistema para detección de knock. Fuente: https://www.plex-tuning.com

Además de retrasar la chispa, otro método para controlar la detonación y que es utilizada por los tuners es recurrir a mezclas de aire/combustible más ricas para enfriar la cámara de combustión: la gasolina, como cualquier líquido, absorbe una gran cantidad de calor al pasar de estado líquido a gaseoso. Obviamente esto tiene consecuencias en cuanto a la emisión de gases contaminantes y consumo de combustible, por lo que gastarás más en gasolina y es posible que no pases “la Verificación” (o tu control de emisiones local).

Un último método para controlar la detonación sin renunciar a la potencia es utilizar un sistema de inyección de agua o de agua-metanol. De manera similar a lo que ocurre al inyectar un exceso de gasolina, cuando se inyecta agua líquida en la cámara de combustión ésta absorbe una gran cantidad de calor antes de convertirse en vapor, por lo que regula la temperatura dentro del cilindro. El agua también puede estar mezclada con metanol, que es un combustible menos sensible a la detonación. Aquí de nuevo es valioso tener un buen sistema de control para inyectar una cantidad adecuada de agua cuando sea necesario y compensar la presencia de metanol con menor inyección de gasolina.

Sistema de inyección de agua metanol de gama media. Fuente: https://www.summitracing.com

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Esos son los precios a pagar por tener un auto con mayor desempeño que el que le dio el fabricante, pero ya saben lo que dicen: “la vida es muy corta como para permanecer stock“.

En nuestro siguiente artículo hablaremos del octanaje de las gasolinas y cómo influye en la presencia de detonación en nuestros motores.

 

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