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.

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.

Наши преимущества

В течение 14 дней после покупки вы можете вернуть любое устройство для экономии на авто без объяснения причины.

На всю продукцию даем 1-2 года гарантии. В течение срока бесплатно обменяем или отремонтируем приборы.

Большая часть наших товаров для авто устанавливается без нарушения заводской гарантии на машину. Вам не обязательно обращаться в дорогой фирменный сервис.

Почти все товары для тюнинга и экономии мы выпускаем сами. Поэтому вы купите эмуляторы и другую продукцию по минимальной стоимости, получите консультацию по установке и использованию устройств. Кроме того, мы регулярно проводим новые акции.

up