Sw-motors.ru

Автомобильный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Стук в двигателе

Стук в двигателе

Сту́к в дви́гателе (англ. engine knock ) возникает при быстром (взрывном) сгорании топливо-воздушной смеси в цилиндре двигателя внутреннего сгорания. На слух он воспринимается как металлический «звон» или стук. Это нежелательный режим работы двигателя, так как в цилиндре возникает повышенное давление и перегрев, и элементы конструкции цилиндра испытывают повышенные нагрузки, на которые они не рассчитаны, мощность двигателя снижается, а выбросы вредных веществ возрастают. При интенсивном воздействии эти нагрузки быстро приводят к повреждению цилиндра и неисправности двигателя.

Стук в двигателе иногда называют детонацией или детонационным сгоранием смеси, однако это название не отражает физику явления. Сгорание смеси в цилиндре двигателя, как при поджигании искрой, так и при преждевременном самовоспламенении смеси в горячих очагах, как правило, не сопровождается образованием детонационных волн. В соответствии с амплитудой волн давления, возникающих в цилиндре при быстром сгорании смеси, различают нормальный режим горения (без стука) и режим, в котором возникает стук. Последний режим, в свою очередь, подразделяется на обычный стук (англ. conventional knock) различной интенсивности и детонационный стук (англ. super-knock или deto-knock) согласно пиковым значениям давления [1] . Детонационный стук является особенно нежелательным, так как давление, возникающее в волне детонационного сгорания, может сразу разрушить цилиндр.

Возникновение стука связывается с эффектами аномального горения смеси в цилиндре: самовоспламенением смеси до её зажигания искрой или пристеночным воспламенением горячими элементами конструкции или посторонними частицами в цилиндре [2] . Вероятность возникновения стука повышается с увеличением степени сжатия и нагрузки на двигатель, а также с уменьшением октанового числа топлива. Для предотвращения стука применяются электронные системы управления зажиганием, а в топливо добавляют антидетонационные присадки, такие как ММА (монометиланилин) или МТБЭ (метил-трет-бутиловый эфир).

Содержание

  • 1 Причины
  • 2 Датчики стука
  • 3 Детонация и иные явления
  • 4 См. также
  • 5 Примечания
  • 6 Литература
    • 6.1 Обзоры

Причины [ править | править код ]

При сжатии поршнем топливовоздушная смесь значительно нагревается (адиабатическое сжатие), что и обеспечивает лёгкость её воспламенения электрическим разрядом на свече зажигания. При нормальном характере горения в цилиндре фронт воспламенения распространяется в заряде топливовоздушной смеси за счёт тепловой конвекции: свежие слои топливовоздушной смеси воспламеняются за счёт нагрева фронтом реакции, кроме того процесс горения инициируется свободными радикалами — продуктами реакции во фронте воспламенения. Это относительно медленный процесс, поэтому фронт спокойного горения стационарной смеси распространяется не быстрее 0,2—0,3 м/сек, то есть, с дозвуковой скоростью.

В работающем двигателе смесь не является стационарной, она очень быстро и турбулентно перемещается со скоростями, имеющими тот же порядок величины, что и скорости движения сопряжённых деталей (поршней, или их аналогов). Поэтому фронт горения фактически распространяется от свечи к периферии со скоростью порядка единиц-десятков метров в секунду (дозвуковая скорость). При этом, естественно, повышается температура и давление в камере сгорания, но повышаются равномерно по всему объёму.

При детонации начало распространения фронта горения также повышает температуру и давление в камере сгорания, но этот скачок вызывает воспламенение топливовоздушной смеси уже не теплопроводностью от фронта пламени, а от самого скачка температуры и давления (ударной волны), которая двигается со сверхзвуковой скоростью (относительно скорости звука в воздухе, в цилиндре воспламенение происходит со скоростью звука в сжатом и нагретом газе камеры сгорания), поэтому повышение давления не успевает равномерно распространиться по всему объёму, а концентрируется в зоне фронта ударной волны, где достигает очень больших величин, поддерживающих эту волну далее. Скорость фронта ударной волны составляет порядка сотен и тысяч метров в секунду. Явление сходно со взрывом, близким к бризантному. Эта ударная волна, натолкнувшись на стенки, создаёт очень большие локальные нагрузки в металле, характерный металлический звук, и при длительном действии может вызвать тяжелые повреждения в двигателе.

Детонационное сгорание возникает, если в силу каких-то причин чрезмерно повышается скорость движения фронта горения, который начинает самоускоряться, быстро доходя до сверхзвуковых скоростей. Такими причинами могут быть чрезмерный нагрев топливовоздушной смеси (в силу различных причин), а также свойства топлива (как изначальные, так и формируемые в ходе рабочего цикла), понижающие его температуру воспламенения (например, из-за накопления органических пероксидов в ещё несгоревшей части топливной смеси). Детонационное сгорание возникает, когда для воспламенения достаточно только фронта сжатия, идущего от воспламенённого участка (можно называть скачком давления, распространяющегося от точки инициации смеси).
Практически, факторами, приводящими к детонации, являются: слишком ранний момент зажигания (давление и температура избыточны); перегрев двигателя, недостаточная детонационная стойкость моторного топлива; снижение детонационной стойкости топливовоздушной смеси при значительном попадании моторного масла в камеру сгорания; избыточные отложения нагара, который может увеличить степень сжатия.
Стойкость топлив к детонации повышают антидетонаторы (например, метил-трет-бутиловый эфир — который разрешён к применению, или тетраэтилсвинец, который запрещён для автомобилей, и другие добавки).

Датчики стука [ править | править код ]

Для обнаружения стука в двигателе внутреннего сгорания, на блоке цилиндров размещаются специальные датчики детонации [en] * (англ. knock sensor ). Часто роль датчика детонации исполняет пьезоэлемент, который, фактически, представляет собой акустический микрофон. Сильные колебания, возникающие при детонации, передаются через стенку блока цилиндров на датчик, и, чем сильнее вибрация, тем больше амплитуда генерируемого электрического сигнала. Сигнал с датчика обрабатывается электронным блоком управления двигателя [en] (ЭБУ) на двигателях с инжекторной системой подачи топлива. В случае обнаружения детонации, ЭБУ уменьшает угол опережения зажигания (УОЗ) до более безопасного значения.

Электронный блок управления выбирает оптимальный УОЗ исходя из октанового числа топлива, нагрузки на двигатель и наблюдаемых условий возникновения детонации, что позволяет добиться наиболее полного сжигания топливо-воздушной смеси в цилиндрах и увеличения мощности.

Детонация и иные явления [ править | править код ]

Детонацию не следует путать с другим отчасти похожим процессом, который носит название калильного зажигания. В отличие от детонации, возникающей на переходных режимах работы двигателя при разгоне, калильное зажигание возникает при постоянной работе двигателя в режиме, близком к полной мощности. Симптомы его отчасти схожи — стуки в двигателе, внезапные провалы тяги под нагрузкой. Однако природа его иная и состоит в спонтанном самовоспламенении топлива без участия искры при контакте с раскалёнными до температуры в 850…900° С тепловым конусом изолятора свечи зажигания, другими её частями, тарелкой выпускного клапана, локальным дефектом обработки или скоплением нагара на стенке камеры сгорания. Детонационного сгорания при этом не происходит, а происходит лишь смещение момента воспламенения рабочей смеси, примерно как при неправильно выставленном опережении зажигания, а также нарушение предусмотренного конструкторами характера распространения фронта пламени в камере сгорания (из-за того, что её поджиг производится в другой точке). В пределе это может привести к повреждению двигателя — оплавлению свечи, перегреву поршня, прогару выпускных клапанов, но в целом калильное зажигание не столь разрушительно, как детонация. Калильное зажигание устраняется установкой более «холодных» свечей зажигания (с высоким калильным числом, коротким тепловым конусом и хорошим теплоотводом).

Не следует путать детонацию и с иногда встречающимся на карбюраторных моторах явлением самопроизвольной работы двигателя с неустойчивыми оборотами после выключения зажигания (самовоспламенение топлива, «дизелинг»). Сущность его в самовоспламенении подаваемой в цилиндр топливовоздушной смеси, происходящем при вращении коленчатого вала с низкой частотой, продолжающемся после выключения зажигания по инерции. При такой низкой частоте вращения коленвала и, соответственно, скорости движения поршня парам бензина в цилиндре порой хватает времени для того, чтобы самовоспламениться в конце такта сжатия. Их вспышка толкает поршень, который в свою очередь проворачивает коленчатый вал ещё на несколько оборотов. После замедления его вращения возможно повторение процесса, в результате чего возникает иллюзия, что мотор продолжает работать, хотя на самом деле зажигание выключено и частота обращения коленчатого вала намного ниже, чем при холостом ходе, да к тому же не постоянна, поскольку вспышки в цилиндрах (или даже одном единственном цилиндре) происходят нерегулярно. Особенно вероятно возникновение данного явления на новом или недавно отремонтированном двигателе с хорошей компрессией либо на моторе, у которого степень сжатия по причинам технологического характера немного отличается от паспортной в большую сторону (находится в верхней границе технологического допуска). Ничего общего с детонацией или калильным зажиганием это явление не имеет и, в отличие от них, практически безвредно для двигателя, хотя и доставляет беспокойство водителю. Наиболее радикальный способ борьбы с ним — отключение подачи топлива после выключения зажигания за счёт клапана в топливной магистрали.

См. также [ править | править код ]

  • Октановое число
  • Детонационная стойкость топлив
  • Разнос двигателя

Примечания [ править | править код ]

  1. ↑Reitz e.a., Knocking combustion in spark-ignition engines, 2017, p. 87.
  2. ↑Heywood, Internal combustion engine fundamentals, 1988, p. 450.

Литература [ править | править код ]

Heywood J. B. Internal combustion engine fundamentals. — McGraw-Hill, 1988. — 930 p. — ISBN 978-0070286375.

Что такое детонация и как она влияет на двигатель

Начнем с того, что ряд неисправностей двигателя опытные автомеханики и сами водители могут определить по звуку работы ДВС. Как правило, появление «звона» при резком нажатии на газ на повышенных передачах или «бубнящий» звук после выключения зажигания не сильно пугает начинающих автолюбителей, однако зачастую это звук детонации двигателя.

Читать еще:  Графический двигатель что это

При этом в ряде случаев такие звуки поголовно списывают на стук поршневых пальцев. Однако важно понимать, что зачастую дело не в пальцах, а в детонации, которая в скором времени может обернуться серьезными неприятностями и дорогостоящим ремонтом мотора.

Нужно учесть, что поршневые пальцы обычно стучат на сильно изношенных моторах, в которых уже давно имеются проблемы с поршнями, кольцами и т.д. При этом звонкие постукивания в относительно «свежем» силовом агрегате с нормальной ЦПГ никак не являются звуками ударов металла по металлу.

В этом случае металлический звон появляется в результате нарушения процесса сгорания топлива в цилиндрах. Далее мы поговорим о том, по каким причинам возникает детонация двигателя на холостых оборотах, при резком нажатии на педаль газа в движении и т.д. Также мы рассмотрим, что делать водителю для сохранения моторесурса и самого ДВС в исправном состоянии.

Причины детонации дизельного двигателя

При нормальной работе ДВС смесь возгорается, когда поршня находится в верхней точке ВМТ, при опережении угла зажигания в 2 – 3 °. Догорание смеси продолжается и после ВМТ при движении поршня в обратную сторону. Расчетная скорость перемещения языка пламени равна 30 м/сек. Во время взрыва данный параметр резко возрастает, достигая значения 2 тысячи метров за одну секунду.

Детонация двигателя возникает при:

  • постоянном движении машины;
  • возрастании нагрузок;
  • при работе на различных передачах;
  • в т. ч. на холостом ходу.

Она вызвана нарушениями параметров при сгорании топлива. Плавный процесс мгновенно сменяется сильным взрывом, что приводит к негативным последствиям:

  • разрушения поршней, цилиндров;
  • деталей кривошипно-шатунного механизма;
  • резкое возрастание температурного режима;
  • уменьшение мощностных характеристик;
  • возрастание потребления горючего.

Наиболее частые причины детонации двигателя:

  1. Нарушение регулировок.
  2. Некачественное смешение горючего с кислородом.
  3. Недостаточная эффективность охлаждающей системы.
  4. Нарушение эксплуатационных требований.
  5. Применение бензина низкого октанового числа.
  6. Конструктивные недоработки двигателя.

Причины возникновения детонации

Как показывает практика, чаще всего детонация возникает на старых карбюраторных двигателях, хотя в некоторых случаях этот процесс может возникнуть и на современных инжекторных моторах, оборудованных электронным блоком управления. К причинам, по которым может возникнуть детонация, относится:

  • Чрезмерно обедненная топливовоздушная смесь
    . Ее состав может воспламениться еще до того, как в камеру сгорания попадет искра. При этом высокие температуры провоцируют возникновение окислительных процессов, которые и являются причиной взрыва, то есть, детонирования.
  • Ранее зажигание
    . При увеличенном угле зажигания процессы воспламенения топливовоздушной смеси начинаются еще до попадания поршня в так называемую верхнюю мертвую точку.
  • Использование неподходящего топлива
    . Если в бак автомобиля был залит бензин с более низким октановым числом, чем это предписывает производитель, то велика вероятность возникновения процесса детонации. Объясняется это тем, что низкооктановый бензин более химически активен и быстрее вступает в химические реакции. Аналогичная ситуация будет, если вместо качественного бензина в бак будет залит какой-нибудь суррогат наподобие конденсата.
  • Высокая степень сжатия в цилиндрах
    . Другими словами, закоксованность или иное загрязнение в цилиндрах двигателя, которое постепенно накапливается на поршнях. И чем больше нагара имеется в двигателе — тем выше вероятность возникновения детонации в нем.
  • Неисправная система охлаждения двигателя
    . Дело в том, что если двигатель будет перегреваться, то давление в камере сгорания может расти, а это, в свою очередь, может стать причиной детонации топлива в соответствующих условиях.


Последствия детонации двигателя

Для осуществления разгона транспортного средства, водитель резко вдавливает педаль газа. При попадании топлива в условия с повышенным давлением, сверхвысокими температурами, происходит воспламенение. Внутри камеры генерируется дополнительное давление, создается взрывная волна с возрастающей амплитудой, возникает цепная реакция, не поддающаяся контролю, коленвал вращается с огромной скоростью.

Детонация приносит огромные разрушения элементам двигателя:

  1. Срываются и обламываются кромки поршней.
  2. Нарушается целостность цилиндров, разрушаются стенки.
  3. Прокладка головки ГБЦ полностью разрывается.
  4. Датчики дроссельные выходят из строя.

Детонирование при разгоне

Теперь нужно рассмотреть, как определить детонацию на двигателе, признаки ее проявления. При возникновении этого процесса происходит хаотичный звонкий металлический стук, отсюда и возникло распространенное среди автомобилистов выражение «стучат пальцы» (имеются в виду поршневые пальцы, другой устойчивый оборот – «звон клапанов»). При разгоне машины стук может быть отчетливо заметен при резком нажимании на педаль газа, и чем больше нагрузка, тем отчетливее прослушивается детонирование мотора. Причин, почему появляется цокот в движке при увеличении нагрузки, в целом на практике не так и много, и основные из них:

  • заправка автомобиля низкооктановым бензином или низкокачественным топливом;
  • отложение в камерах сгорания большого количества нагара (нередко в результате повышенного расхода масла на днищах поршней образуется кокс);
  • перегрев, здесь много разных факторов, влияющих на повышенную температуру ДВС;
  • некорректная система ЭБУ, в основном связанная со сбоями в программе, ошибками при перепрошивке.

Также звук детонации появляется, если выходит из строя ДД, в этом случае уже не происходит корректировка зажигания при резком ускорении. Настройка электронного блока может быть неверной, допустим, перепрошивка выполнялась в холодное время года без учета температурных перепадов погоды, поэтому в жару возможность появления детонации на прогретом двигателе вполне вероятна.

Влияние особенностей эксплуатации на силу детонации

Даже в исправном механизме велика вероятность, что произойдет детонация двигателя при разгоне или при эксплуатации машины с повышенными нагрузками. Топливо начинает детонировать при длительных подъемах, особенно если скорость превышает установленную передачу. Выражаясь иначе, водитель не должен давить на газ при преодолении подъема, пока не осуществит переход на понижение скорости.

В это время коленчатый вал имеет низкие обороты, не хватает мощности на подъем автомобиля в гору. В общее звучание работающего двигателя добавляются отчетливые детонационные стуки, вызванные высокочастотной взрывной волной.

Топливовоздушные смеси вызывают детонацию при недостаточном охлаждении и неисправностях в системе:

  • преждевременное раннее зажигание;
  • перегревание мотора;
  • наличие большого количества нагара в камерах;
  • закоксованность стенок цилиндров, приводящая к увеличению степени сжатия.

Интересно: Известны случаи, когда мастера тюнинга искусственно устраивают раннее преждевременное зажигание. Этим способом пытаются улучшить реакцию движка на нажатие педали газа при работе на уменьшенных оборотах. Смесь воспламеняется раньше, чем поршень достигает ВМТ, т. е. препятствует его движению. Здесь главное – не допустить перегрева.

Если накопилось много нагара, объем камеры резко уменьшается, а значит степень сжатия возрастает. Вредные отложения способствуют значительному повышению температурного режима . Случается, что нагар тлеет, в результате чего смесь самовоспламеняется в самый неподходящий момент (эффект калильного зажигания). Это неконтролируемое явление – детонация двигателя при выключении зажигания. При несанкционированном возгорании топлива двигатель несет серьезный ущерб, его моторесурс значительно сокращается.

Почему возникает детонация после выключения зажигания

Детонация при выключенном зажигании характеризуется тем, что мотор продолжает свою работу, даже когда водитель уже вытащил ключ из замка зажигания. Обычно, это происходит на протяжении 2-3 секунд, хотя в некоторых случаях бывают и поломки, которые заставляют работать двигатель даже спустя 15 секунд, после того, как зажигание было выключено. Не смотря на разную протяженность, детонация сама по себе не является нормальным режимом работы, поэтому необходимо своевременно принять правильные меры.

  • Первая причина детонации заключается в применении не той марки топлива, которая предписана заводом-изготовителем. Различные марки бензина имеют свое октановое число, которое характеризует степень сжатия топлива. Так вот, низкооктановый бензин обязательно должен применяться для двигателей с соответствующей степенью сжатия. То есть, если завод предписал заливать в бензобак бензин марки А-95, то данный бензин и должен попадать в цилиндры двигателя.
  • Вторая причина характеризуется неисправностью двигателя, а именно, слишком раннее зажигание. Обычно, такую регулировку осуществляют для того, чтобы увеличить чувствительность мотора к нажатию на педаль газа. Но стоит помнить, что при соответствующем угле опережения зажигания наступает слишком ранний момент, когда топливо начинает воспламеняться. Получается, что поршень движется в верхнюю мертвую точку, а в этот момент уже происходит воспламенений.

Рекомендуем: Низкопрофильная резина, преимущества и недостатки

Последние причины детонации двигателя – это использование свечей не соответствующей марки и характеристик, а также перегрев двигателя, когда воспламенение топлива происходит из-за слишком высокой температуры камеры сгорания.

Детонация при запуске двигателя

Холодный инжектор при запуске может детонировать при поступлении обедненного топлива в цилиндры. Как правило, это обусловлено засорением отверстий распыляющих форсунок. При их засоре топливо подается в ненадлежащем объеме. После прогрева детонация исчезает. Чтобы избавиться от негативного эффекта, рекомендуется регулярно проверять и очищать топливные фильтры. Засорение форсунок считается серьезным дефектом, избавиться от которого трудно без демонтажа.

Детонация дизельного двигателя

В отличие от инжекторов, в дизелях топливо не поджигается, оно самовоспламеняется при впрыске в цилиндр с раскаленным сжатым воздухом. Если объем горючего превышает установленную величину, в камере сгорания развивается ударная волна. Детонация двигателя на холостых оборотах сопровождается громким звуком, считается, что данный эффект не представляет опасности и постепенно исчезает с увеличением нагрузки.

Читать еще:  Что такое двигатель wti

Причины детонации дизельного двигателя на холостых оборотах – задержка возгорания топлива. Этот временной промежуток сокращается по мере возрастания температуры в системе.

Как снизить вероятность возникновения детонации:

  1. Уменьшить количество, впрыскиваемого горючего.
  2. Разделить камеры сгорания (предварительный отсек, рабочий).
  3. Впрыскивать топливо по методу MAN.
  4. Добавлять специальные присадки в дизтопливо, за счет которых происходит ускорение возгорания.

Детонация дизельного двигателя после выключения зажигания возникает по следующим причинам:

  • засорение отверстий форсунок;
  • отказ насоса ТНВД;
  • отложения нагара.

Детонация в двигателе — причины и последствия

Что такое детонация

Детонация — это нарушение процесса сжигания топливной смеси в камере сгорания, когда горение происходит не плавно, а взрывообразно. При этом скорость распространения взрывной волны увеличивается со стандартных 30…45 м/с до сверхзвуковых 2000 м/с (превышение скорости звука взрывной волной в том числе является причиной возникновения хлопка). При этом топливовоздушная смесь взрывается не от искры, идущей от свечи, а самопроизвольно, от высокого давления в камере сгорания.

Рекомендации опытных автомобилистов

При изготовлении автомобильных двигателей все детали имеют определенные параметры, рассчитанные на эксплуатацию в номинальных температурных режимах. При детонации двигателя транспортное средство подвергается ударным нагрузкам, превышающим допустимые значения. Неравномерное распределение горючего и кислородных масс приводит к неожиданным сильным взрывам.

Чтобы выявить и предотвратить случаи детонации, рекомендуется прислушиваться к равномерности звуков работающего двигателя. При выявлении нестандартных постукиваний, шумов, необходимо остановиться и выключить мотор. Далее нужно определить источник неизвестных звуков и попытаться ее устранить.

Во избежание разрушительных последствий, детонация должна быть под постоянным контролем. Главное помнить: при нормальной работе не должны возникать даже небольшие изменения в звучании мотора.

Влияние детонации на работу двигателя и её устранение

Нормальный процесс сгорания топливного заряда в цилиндре происходит следующим образом. Поршень приближается к верхней мертвой точке, рабочая смесь (пары бензина, воздух и какое-то количество остаточных продуктов горения) сжата. В нужный момент между электродами свечи проскакивает искра, и здесь образуется первичный очаг воспламенения объемом несколько кубических миллиметров, энергия которого складывается из энергии искры и энергии сгоревшего в этой зоне топлива. Скорость нормального горения рабочей смеси в цилиндре двигателя имеет определенную скорость — 30-40 м/с. Скорость ударных волн во время детонации может достигать 1500 м/с.

Детонация происходит, когда топливно-воздушная смесь в цилиндре вместо прогрессивного управляемого горения самопроизвольно взрывается. Это вызывает резкое увеличение давления и температуры в цилиндре, которое может повредить поршни, кольца и даже головку. Детонацию иногда можно услышать как посторонний металлический стук, исходящий от двигателя. Иногда детонация не выдаёт себя посторонними звуками, но проявляется в уменьшении мощности двигателя.

На рисунках представлены поврежденные под действием детонации поршень и головка.

Некоторое влияние на возникновение детонации оказывает нагар в камере сгорания. Дело в том, что отложения на стенках, во-первых, ухудшают теплообмен, а во-вторых — увеличивают фактическую степень сжатия. Иными словами, они создают условия для срыва нормального процесса горения. Более того, нагар может оказывать известное каталитическое действие и вызывать самовоспламенение рабочей смеси. И еще. При переходных режимах работы двигателя нагар иногда начинает разрыхляться и расслаиваться; тогда частицы, потерявшие плотный контакт со стенкой, легко перегреваются и могут провоцировать калильное зажигание. Бывает и так, что чешуйки нагара отрываются, но какое-то время не выносятся из камеры сгорания, а остаются в ней. Они легко нагреваются и поджигают рабочую смесь в самый неопределенный момент даже на впуске. Так порождаются; «дикие» стуки, не поддающиеся никакой логике и классификации.

Энергия, выделяющаяся при детонации, препятствует движению поршня в верхнюю мертвую точку, выполняя тем самым ОТРИЦАТЕЛЬНУЮ РАБОТУ. В момент долгожданной искры от настоящей свечи компрессии в цилиндре уже нет: часть топлива, не воспламенившись, ушла в выхлоп через неплотности посадки клапанов в седлах, основная часть топлива УЖЕ сгорела, воспламенившись от окалины. Достигнув верхней точки поршень получает слабый импульс и движется вниз, вращая, коленвал (полезная работа) и преодолевая сопротивление других поршней, тормозящихся «калильным зажиганием» («сизифов труд»). Таким образом, только 40% топлива выполняют в двигателе полезную работу. Безрадостная картинка, не правда ли?

Процесс сгорания с детонацией.

Влияние конструкции мотора на детонацию

Можно выделить следующие основныеконструкционные факторы:

  • форма камеры сгорания и ее охлаждение;
  • размеры цилиндра;
  • число и расположение свечей;
  • конструкция выпускного клапана;
  • степень сжатия.

Влияние степени сжатия и давления наддува на датонациюСтепень сжатия является основныф фактором, влияющим на детонацию. Характерная зависимость порога появления детонации от степени сжатия и давления наддува показана на картинке.

Форма камеры сгорания и ее охлаждение

Чем больше время, в течении которого фронт пламени от свечи может достигнуть до наиболее отдаленных точек камеры сгорания и чем хуже охлаждаются эти точки, тем вероятнее возникновение детонации. Отсюда следует, что наиболее рацональной формой камеры сгорания является полисферическая и шатровая.

Здесь же можно отметить, что определенные дивиденды может принести механическая обработка камеры сгорания. Как то — скругление различных очагов детонации в виде кромок и углов, полировка.

Размеры цилиндра

При увеличении размеров цилиндра возрастает длина пути, проходимого фронтом пламени и, следовательно, вероятность возникновения детонации.

Влияние диаметра цилиндра на детонациюНа рисунке приведены значения наивысшей полезной степени сжатия в зависимости от диаметра цилиндра, полученные Рикардо. Верхняя кривая получена на двигателе с золотниковым распределением и свечей, расположенной в центре головки, а нижняя на двигателе с нормальным клапанным распределением. Меньшие значения степени сжатия во втором случае объясняются влиянием на детонацию горячего выхлопного клапана.

Число и расположение свечей

Увеличение числа свечей сокращает расстояние, проходимое фронтом пламени и тем самым уменьшает вероятность возникновения детонации. При существующих размерах цилиндров увеличение числа свечей свыше двух нерационально. Свечи располагают обычно так, чтобы обеспечить возможно малое расстояние до наиболее удаленной от них точки камеры сгорания.

На рисунке представлено влияние числа свечей на детонацию. Опыты производились при регулировке состава смеси на максимальную мощность (сплошные линии) и максимальную экономичность (пунктир). Нижние кривые в обоих случаях соответствуют работе на одной свече, расположенной со стороны выхлопа, а верхние — на двух диаметрально противоположных свечах. Двигатель доводился наддувом до начала детонации. Как видно, в обоих случаях среднее индикаторное давление, соответствующее началу детонации, получалось при двух свечах, примерно, на 15% выше. Сами свечи, точнее, их электроды, часто служат источником возникновения детонации и преждевременного воспламенения. Поэтому при конструировании свечей для сильно форсированных двигателей обращают особое внимание на возможность надежного их охлаждения.

Выпускной клапан

Наиболее горячей деталью в головке блока цилиндров является выпускной клапан, температура которого может достигать 750-800 градусов. Влияние выпускного клапана на образование перекисей, а следовательно, и детонацию, весьма значительно.

Большой эффект в смысле снижения температуры клапана и возможности соответствующего повышения степени сжатия или наддува дало применение выпускных клапанов, охлаждаемых изнутри металлическим натрием.

Влияние режима работы двигателя на детонацию

Из величин, определяющих режим работы двигателя, влияют на детонацию главным образом следующие:

  • температура смеси и стенок цилиндра;
  • давление наддува;
  • угол опережения зажигания;
  • обороты двигателя;
  • атмосферные условия и состав смеси.
Состав смеси

Изменение состава смеси влияет на скорость распространения пламени и величину максимальных давлений и температур в цилиндре. Изменение этих величин, а также соотношения между кислородом и топливом в смеси сказывается и на образовании перекисей. Опытом установлено, что при условии отсутствия перегрева двигателя максимальная детонация получается при составе смеси, лежащем в пределах между составами, соответствующими регулировке на максимальную мощность и максимальную экономичность.

Влияние состава смеси на детонациюНа рисунке представлена зависимость среднего индикаторного давления (эквивалентно мощности), соответствующего началу детонации, от коэффициента избытка воздуха. Опыты проводились на двигателе воздушного охлаждения. Как видно, обогащение смеси от а = 0,9 до a = 0,65 (AFR 13.3 — 9.6) позволило повысить среднее индикаторное давление (наддувом) от 10,5 до

17 кг/см2. Обогащение смеси до значений а =0,65 — 0,70 (AFR 9,6 — 10,4) является в настоящее время общепринятым методом устранения детонации при форсировании двигателей.Изменение состава смеси влияет на скорость распространения пламени и величину максимальных давлений и температур в цилиндре.

Температура смеси и стенок цилиндра

Увеличение температуры стенок цилиндра или смеси точно так же способствует образованию перекисей и, следовательно, детонации смеси.

Влияние температуры на детонациюНа рисунке представлены опыты, проведенные на одноцилиндровом двигателе Вокеша с переменной степенью сжатия. Опыты были проведены на четырех различных топливах при двух температурах охлаждающей жидкости — 100 и 145°, так что линейная зависимость степени сжатия от температуры является условной. Как видно, увеличение температуры охлаждающей жидкости на 45° снижает степень сжатия, соответствующую определенной интенсивности детонации, приблизительно на 12-16%.

Влияние температуры поступающего воздуха на детонацию представлено на фиг. 10. При повышении температуры от 310 до 410°К (37-137°С) среднее индикаторное давление, соответствующее началу детонации, понизилось от 15,3 до 9,5 кг/см2 при а =0,9(AFR =13,3) и от 13,5 до 11,5 кг/см» при а = 0,67(AFR =9,9 ). Следует отметить сильное отличие в характере падения среднего давления при различных значениях коэффициента избытка воздуха. Опыты были проведены на двигателе авиационного типа воздушного охлаждения.

Читать еще:  Датчик массового расхода двигателя сузуки
Угол опережения зажигания

Изменение момента зажигания смещает сгорание рабочей смеси по отношению к положению поршня в цилиндре двигателя, вследствие чего изменяются давления и температуры процесса. Опыт показывает, что уменьшение опережения зажигания уменьшает детонацию рабочей смеси. Максимальная интенсивность детонации получается обычно при опережении зажигания несколько большем, чем соответствующее регулировке на максимальную мощность двигателя.

На рисунке приведены опыты автора(А. А. Добрынина) по влиянию угла опережения зажигания на максимальную мощность двигателя при работе на данном топливе. Опыт был проведен на авиадвигателе воздушного охлаждения. При постоянном составе смеси и различных углах опережения зажигания, определяли мощность двигателя, соответствующую началу детонации.

Водная инжекция может препятствовать появлению детонации и работает в трех направлениях. Во-первых, когда вода впрыснута в систему впускного коллектора до крышки цилиндра, небольшие капельки поглощают тепло из воздуха. Охлаждённый воздух имеет большую плотность, тем самым увеличивая количество кислорода, которое попадает в цилиндр. Вода имеет ту высокую теплоёмкость (может поглотить много энергии при незначительном повышении температуры). Затем, небольшие капли испаряются в цилиндре и охлаждают его, при этом, полученный пар увеличивает давление в цилиндре. Это действует как анти-детонант и также очищает полости камеры сгорания от нагара, таким образом устраняются нежелательные «горячие» точки.

На пути к детонационному двигателю

Неуправляемый детонационный срыв мягкого турбулентного режима горения – бич всех типов двигателей внутреннего сгорания. Использование контролируемого, непрерывного процесса генерации детонационных волн как основного элемента подобных двигателей приводит к качественно новому результату.

Наверняка многие из нас испуганно вздрагивали от громкого «хлопка» в двигателе проезжающего мимо автомобиля. Это — детонация. Непредсказуемость ее появления (практически взрыва) в камерах сгорания всех типов двигателей и энергетических установок, с последующим прогоранием и разрушением элементов конструкций, наводит на мысль: вместо того чтобы гасить процесс детонационного (взрывного) характера горения, не попробовать ли организовать его должным образом и использовать во благо?

Не секрет, что при достижении сверхзвуковых скоростей, например в воздушно-реактивных двигателях летательных аппаратов, а также в любых промышленных двигателях внутреннего сгорания, использующих турбулентное сжигание (а других практически и нет), существенная часть несгоревшего топлива выбрасывается в атмосферу, со всеми вытекающими отсюда последствиями для экологии. Сильно ядовитые присадки-антидоты, используемые для гашения детонации, усугубляют картину загрязнения.

В связи с этим внимание ученых всего мира привлечено к теме стабилизации детонационного горения.

Что касается реализации сжигания топливной смеси в поперечной детонационной волне (ПДВ), т. н. волне «спиновой» детонации, то приоритет в решении этой проблемы по праву принадлежит России, в частности Институту гидродинамики им. М. А. Лаврентьева СО РАН. Впервые в непрерывном детонационном управляемом режиме Б. В. Войцеховскому удалось осуществить сжигание ацетиленокислородных смесей в поперечной детонационной волне [1]. После проведения этих опытов за рубежом было оформлено несколько патентов на использование режима непрерывного детонационного сжигания в ракетных двигателях.

Иными словами, то, что считали вредоносным явлением и от чего пытались избавиться много лет, стало неотъемлемым элементом, входящим в основу проектирования нового типа двигателей внутреннего сгорания. Теоретический приоритет принадлежит Я. Б. Зельдовичу, впервые исследовавшему возможности использования детонационного сжигания топлива в энергетике [2].

Он показал, что детонационное сжигание топлива происходит при меньшем возрастании энтропии продуктов горения, а значит, с большей кинетической энергией, меньшей теплонапряженностью. Снимается и проблема борьбы с «хлопками», так как шумовые эффекты и вибрации в камере детонационного сгорания специальной конструкции не выше, чем для режима работы обычного двигателя внутреннего сгорания.

Преимущество детонационного горения в конкретных устройствах характеризуется меньшими габаритами камеры, определяемыми размером детонационной волны. Это приводит к более интенсивному и полному сжиганию широкого класса топлив с увлеченными продуктами детонации и обеспечивает повышенную тягу двигателя.

Авторами продемонстрировано применение оригинального фоторегистратора, позволяющего «заморозить» процессы микросекундного масштаба времени, протекающие в области ПДВ на протяжении длительного периода времени (до 1 секунды). Получен российский патент на способ сжигания топлив [3].

Как выглядит замороженное пламя

Что может гореть в спиновых волнах, почему и как? Возникает уместный с экономической и практической точки зрения вопрос: будут ли смеси традиционных видов топлив и окислителей вообще гореть в столь необычных условиях, «иссеченные» жесткими фронтами непрерывной спиновой детонации? А если даже и будут, то насколько устойчиво, непрерывно и эффективно? Для ответа на этот непростой вопрос было проведено более сотен (если не тысяч!) экспериментов и расчетов, сделано столько же чертежей различных конструкторских решений, из громоздкого «железа» изготовлено множество модификаций камер сгорания различного типа ЖРД (жидкостный реактивный двигатель) и ВРД (воздушный реактивный двигатель).

Результаты превзошли все ожидания, правда, не обошлось без трудоемких, кропотливых и большей частью рутинных исследований. Оказалось возможным, при надлежащей организации процесса горения (ноу-хау!) в этих непростых условиях эффективно сжигать практически любые традиционные газообразные или жидкие углеводородные виды топлив в смеси с газообразным кислородом, воздухом и жидким кислородом в качестве окислителя.

Удалось предсказать и наблюдать (что происходит не так уж часто) не совсем обычный эффект трансзвукового перехода в потоке, при неизменной площади поперечного сечения (чего не бывает в обычной камере, которая не профилирована под сверхзвук). При этом, давление в камере, в зоне поперечных детонационных волн, пульсирует с частотой вращения ПДВ, достигая максимальных значений во фронте, в 3—5 раз превышающих среднее давление в обычных условиях.

Когда человек быстро поднимается в гору, он чувствует, как учащенно начинает биться сердце. Точно так же, чтобы сверхзвуковой лайнер не «схватил инфаркт», не сгорел в течение нескольких секунд от перегрева или не развалился от «фибрилляций», поднимаясь к разным слоям атмосферы, нужно провести очень ответственную работу по определению области существования устойчивой ритмической и непрерывной спиновой ПДВ — сердца двигателя. Вот почему с целью определения области штатных безопасных режимов варьировалась разница давлений в камере сгорания и в окружающей среде. Очень интересным оказалось то, что в камере с расширением канала процесс непрерывной спиновой детонации может протекать устойчиво даже при давлении в камере, меньшем, чем давление окружающей среды. Выявлено было и существенное влияние качества процесса смесеобразования на стабильность скорости ПДВ и устойчивость ее структуры (не считая моментов смены количества детонационных волн) в широком диапазоне соотношений топливных компонентов и разности давлений в камере и во внешней среде [3—5].

Изменение соотношений концентраций компонентов горючей смеси, конфигурации элементов подачи топлива и давлений снаружи и внутри камеры сгорания аппарата приводит к смене скорости ПДВ, образованию сложных режимов суперпозиции 1-2-3 и более волновых структур, а также к их затуханию, усилению и изменению частоты вращения спина.

Все полученные знания совершенно необходимы, прежде всего, для разработки новых типов двигателей летательных аппаратов.

Эпилог, оптимистический и всегда грустный

Все догадываются, что если бы архитектор строил дом по принципу «нарисовал да и живи», то последний непременно рано или поздно рухнул бы, несмотря на то что имеет теоретическое обоснование стоять вечно. При всем том, далеко не каждый знает, что после проведения расчетов обязательно строится макет из различных материалов, втыкается фундаментом в различные грунты и подвергается всевозможным жестоким испытаниям, чтобы оттянуть как можно на более длительное время печальный исход. Неизмеримо более сильные и разнообразные типы нагрузок, не сравнимые даже с земными стихиями, испытывают летательные и космические аппараты.

Несопоставимая стоимость этих двух, надежно защищенных от внешних и внутренних «стихий», проектов и их изделий, соизмеримых разве только по габаритам («земной дом» и «космическая ракета»), отражает несоизмеримость их сложности. Если первый проект может быть профинансирован небольшой группой даже не очень богатых частных лиц, то второй — только в масштабах целого государства. Наличие выделенных крупных инвестиций на аналогичный последний проект в конкурирующих зарубежных государствах требует своевременного выделения не меньших средств и в России.

1. Войцеховский Б. В. Стационарная детонация // ДАН СССР. — 1959. — Т. 129. — № 6. — С. 1254—1256.

2. Зельдович Я. Б. К вопросу об энергетическом использовании детонационного горения // ЖТФ. — 1940. — Т. 10. — Вып. 17. — С. 1453—1461.

3. Быковский Ф. А., Войцеховский Б. В., Митрофанов В. В. Способ сжигания топлива. Патент № 2003923. Заявка № 4857837/06 от 06.08.1990 // Бюллетень изобретений, 1993. — № 43—44.

4. Быковский Ф. А. Высокоскоростной ждущий фоторегистратор // Журнал научной и прикладной фотографии и кинематографии. — 1981. — № 2. — С. 85—89.

5. Быковский Ф. А., Ждан С. А., Ведерников Е. Ф. Спиновая детонация топливно-воздушной смеси в цилиндрической камере // ДАН. — 2005. — Т. 400. — № 3. — С. 338—340.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector