Cosa è il knock / battito in testa e un metodo per determinarne le oscillazioni di pressione

Curve di pressione con e senza knock - fonte

Uno dei principali fenomeni che limitano i progettisti dei motori alternativi a combustione interna ad accensione comandata è quello comunemente noto con il termine anglosassone knock o con l’equivalente italiano battito in testa o, più impropriamente, con il termine denotazione:  l'effetto di  una combustione anomala che può avvenire all'interno dei motori alternativi ad accensione comandata e che, qualora non controllato, può portare a seri danni al motore fino alla rottura di alcune parti fondamentali. La definizione più propria di knock (battito in testa) è presente nel testo Internal Combustion Engine (ICE) di Heywood a pag. 450 e può essere riassunta con la frase: "knock" è il rumore metallico trasmesso attraverso la struttura di un motore quando una porzione di miscela aria-combustibile brucia improvvisamente. Cosa possa effettivamente causare il fenomeno della detonazione nei motori non è stato scientificamente accertato ma la teoria maggiormente accreditata in letteratura afferma che il battito in testa nei motori "Spark Ignition", a bassa velocità, è causato dall'autoaccensione di una porzione di "end-gas" prima che questi siano raggiunti dal fronte di fiamma.  Il fenomeno tende ad avvenire nelle zone periferiche della camera di combustione di un motore alternativo ad accensione comandata, qualora le reazioni di pre-knock negli end-gas siano più rapide della propagazione del fronte di fiamma. Quando questo processo di combustione anomala ha luogo, c’è un rilascio estremamente rapido di energia nella zona degli end gas che causa pressioni localmente molto alte e la propagazione di onde di pressione all’interno della camera di combustione. La detonazione si presenta quando il tempo di induzione per l'autoaccensione degli end-gas è minore di quello richiesto dalla carica per bruciare attraverso un fronte di fiamma che si è propagato partendo dalla scintilla scoccata agli elettrodi della candela. Se si verifica in condizioni di funzionamento a velocità elevata, il battito in testa (knock) è maggiormente dannoso, anche perchè meno facilmente individuabile attraverso i sensori tradizionali e può causare gravi danni al motore fino alla rottura. L'incremento di velocità, infatti, se da un lato ha un effetto positivo sulla velocità della propagazione della fiamma, dall'altra ha un effetto negativo sull'inizio dei fenomeni di autoaccensione.
Qualunque sia la causa che può essere attribuita al fenomeno, quel che è certo è che il knock nel motore ha la sua origine da una rapida combustione locale. Il rapido rilascio di energia che ne consegue innesca fenomeni di risonanza acustica (che si manifestano con il caratteristico rumore martellante) che danno origine a componenti in alta frequenza nei segnali forniti dal sensore di pressione e/o da quello di corrente di ionizzazione affacciato nella camera di combustione. Già nel 1933 Draper fornì una descrizione matematica delle oscillazioni di pressione basate sulla teoria delle onde acustiche, derivando la soluzione generale dell'equazione delle onde per onde cilindriche in uno spazio fissato. Tale approccio costituì un semplice ed utile metodo analitico per calcolare le frequenze di risonanza ed i modi vibrazionali all'interno del cilindro motore. Questo approccio bidimensionale applicato ad un volume cilindrico fissato potrebbe sembrare limitativo ma trova giustificazione grazie ad alcuni buoni argomenti:

1.  il knock avviene in prossimità del punto morto superiore (PMS, TDC l'acronimo anglosassone) quando la velocità del pistone è molto bassa e la dimensione prevalente è la “bore” del motore. 
2. La velocità del suono è dell'ordine dei 1000 m/s e pertanto è ragionevole considerare che le onde stazionarie avvengono principalmente in direzione radiale, mentre in quella assiale la propagazione del disturbo è così rapida da far sì che le onde stazionarie possano essere trascurate. 

Esistono approcci innovativi in grado di fornire una simulazione realistica delle oscillazioni di pressioni basata su un approccio quasi dimensionale. Nel modello cui si fa riferimento nel link in fondo al post,  le oscillazioni di pressione sono predette mediante l'integrazione esplicita della PDWE (Partial differential Wave Equation), equazione delle onde alle derivate parziali, simile, nella struttura, a quella che comunemente è nota come equazione del telegrafo. L'equazione differisce dalla classica formulazione dell'equazione delle onde a causa della presenza di un termine di smorzamento.

Con questo modello è stato possibile simulare le oscillazioni di pressione smorzate legate al knock in camera di combustione, assunta di geometria cilindrica, ponendo che l’eccitazione avvenga in un punto o in un volume finito di essa. Pur demandando per quanto riguarda una completa visione della descrizione del modello e dei risultati ottenuti all'articolo pubblicato nel circuito SAE di seguito riportato, si può anticipare che una delle indicazioni concrete di questo studio è che è preferibile una collocazione laterale del sensore, in modo da fornire informazioni abbastanza complete sulla presenza del knock. Qualora invece la posizione centrale fosse l’unica consentita, sarebbe consigliabile amplificare e filtrare il segnale nell’intervallo di frequenze tra i 12 ed i 25 (kHz), altrimenti si rischia di non "vedere" le oscillazioni legate alla detonazione.

Per maggiori informazioni su questa parte di attività svolta si rimanda alla consultazione del SAE Paper num. 2010-01-2185:

DI GAETA A, GIGLIO V, POLICE G, REALE F., RISPOLI N (2010). ModelingPressure Oscillations under Knocking Conditions: A Partial Differential Wave Equation Approach. SAE TECHNICAL PAPER, ISSN: 0148-7191