Il fenomeno detto “detonazione” rappresenta una delle forme di combustione anomala più importanti, perché di fatto limita le prestazioni ed il rendimento dei motori (non permette di superare, in fase di assetto delle specifiche del propulsore, certi valori di rapporto di compressione e di anticipo all’accensione) e nello stesso tempo impone vincoli restrittivi alla formulazione dei carburanti. I principali sintomi attraverso i quali si manifesta all’esterno sono: emissione di un rumore metallico caratteristico, simile ad un martellamento (per questo motivo si dice comunemente che il motore picchia in testa), perdita di potenza, vibrazioni, riscaldamento accentuato, danneggiamento delle parti meccaniche del motore in condizioni particolarmente severe. Due diverse teorie sono state avanzate per spiegare l’origine del fenomeno. Secondo la prima, la quale costituisce quella maggiormente verificata sperimentalmente, la detonazione sarebbe dovuta all’autoaccensione di una o più parti della miscela che brucia per ultima, prima che venga raggiunta dal normale fronte di fiamma. La seconda presuppone che il fronte di fiamma acceleri fino a raggiungere la velocità del suono, trasformandosi in un’onda d’urto che accende la restante miscela, propagandosi in essa con una velocità nettamente superiore a quella di normale avanzamento della fiamma.

Premettendo che l’autoaccensione della miscela costituisce fisicamente l’accensione spontanea della carica all’interno della camera di combustione per raggiunta “energia di attivazione” del processo di sviluppo della catena di reazione di ossidazione allo stato della formazione di composti decisamente instabili (perossidi, aldeidi, ecc.); che essa dipende dalle concentrazioni dei reagenti, dalla pressione e soprattutto dalla temperatura presenti all’interno del cilindro. Premesso ciò, si supponga che il fronte di fiamma (confine fisico tra l’ultimo strato di miscela accesa e lo strato fisicamente successivo ancora spento ma che sta per essere acceso) venga avviato regolarmente dallo scoccare di una scintilla tra gli elettrodi della candela. Con la sua avanzata esso comprime e riscalda la miscela fresca che trova davanti a sé. Siccome quest’ultima non è mai perfettamente omogenea, né in termini di temperatura (a causa del miscelamento con i residui del ciclo precedente o del contatto con parti più o meno calde della camera di combustione), né in composizione, le reazioni di prefiamma si svilupperanno con una diversa velocità nei vari punti della carica fresca, che dovrebbe essere investita per prima dal fronte di fiamma. Può quindi accadere che uno o più volumi infinitesimali di miscela si autoaccendano prima di essere raggiunti dal fronte di fiamma principale. Si libera allora localmente una grande quantità di energia (dipendente dalla massa di miscela interessata), che produce un brusco picco di pressione. Questo si propaga all’intorno con velocità sonica stimolando l’autoaccensione di quella parte di carica per cui le reazioni di prefiamma erano quasi terminate. Le onde di pressione si riflettono ripetutamente alle pareti del cilindro producendo vibrazioni nelle parti metalliche che si trasmettono all’esterno sotto forma del caratteristico battito. L’andamento della pressione all’interno della camera di combustione presenta quindi una serie di oscillazioni con picchi di ampiezza decrescente nel tempo. La frequenza di tali oscillazioni è la stessa del rumore metallico udibile all’esterno e dipende dalla velocità con la quale si propagano le onde di pressione e dal cammino percorso tra due riflessioni consecutive (proporzionale all’alesaggio del motore). Da tenere presente che nel caso di detonazione debole il fenomeno non appare in tutti i cicli che si susseguono e, un numero più o meno elevato di tali cicli presenta un processo di combustione normale; le oscillazioni presenti nei cicli detonanti mostrano un’ampiezza decisamente modesta. Di contro, in caso di detonazione intensa, le oscillazioni di pressione sono presenti in tutti i cicli e la loro ampiezza è ciclo dopo ciclo più grande.

I danni prodotti dalla detonazione dipendono ovviamente dalla sua intensità nonché dalla durata. La forma di detonazione più insidiosa è certamente quella ad alta velocità perché, mascherata dal rumore generale del motore, può perdurare a lungo nel tempo. Le onde di pressione, rimuovendo in tal caso lo strato di gas aderente alle pareti della camera di combustione, incrementano in modo decisamente sensibile il flusso di calore verso l’esterno. Gli accresciuti carichi termici, uniti alle sollecitazioni meccaniche variabili nel tempo, possono quindi portare alla rottura di qualche parte (pistone, fasce elastiche, guarnizione della testa) per un fenomeno di fatica a caldo.

Spesso compare anche un’intensificata usura della parte superiore delle canne del cilindro dovuta al fatto che le oscillazioni di pressione portano alla rottura del film di lubrificante ed al contatto diretto tra metallo della fascia e canna, cui si unisce un’usura corrosiva esercitata da sostanze acide (come gli ossidi di azoto) contenute nei prodotti della combustione. Se si formano poi punti caldi in grado di dare origine a forme di preaccensione, gli effetti combinati di detonazione e preaccensione possono diventare, esaltandosi reciprocamente, letali in poco tempo per i componenti più delicati del motore. Ad ogni modo, attualmente, la detonazione non presenta la pericolosità di un tempo grazie alla sempre più frequente adozione di un sistema elettronico atto a controllare il fenomeno. In esso un apposito sensore di tipo acustico od accelerometrico (tarato sulla banda tipica di frequenza) rileva l’apparire del battito. L’istante in cui il rumore metallico viene avvertito, permette di risalire al cilindro che detona (quello che in quel momento è in fase di combustione). L’unità di controllo (centralina) provvede quindi a diminuire l’anticipo all’accensione di quel cilindro e/o aumentare la ricchezza della miscela di alimentazione. Siccome il rischio di detonazione è limitato ad un ristretto numero di punti del campo di funzionamento, in questo modo si consente al motore di utilizzare, con tutta sicurezza e senza un’apprezzabile scadimento delle prestazioni e dei consumi, benzina con “numero di ottano” (principale indice del potere antidetonante di un combustibile) inferiore di qualche punto alla sua normale richiesta ottanica, oppure di operare con rapporto di compressione o grado di sovralimentazione più elevato.

dott. ing. Viscuso Dario