Детонация в двигателе

Детонация в двигателе

 

При быстром, взрывном сгорании топлива в цилиндре бензинового двигателя можно услышать характерный звон, а в дизельном двигателе — глухой стучащий шум. Часто из-за этого говорят, что бензиновый дви­гатель «звенит», а дизельный двигатель «стучит». Такие звуки характерны для яв­ления, именуемого детонацией, которая возникает в тот момент, когда скорость рас­пространения пламени приближается к ско­рости звука. Чаще всего это происходит бли­же к концу процесса сгорания. Детонация характеризуется очень высоким (пиковым) давлением в цилиндре, что может в итоге привести к повреждению поршня, цилиндра и головки блока цилиндров.

При сгорании рабочей смеси с детона­цией поршень подвержен тепловым и механическим нагрузкам.

Постоянная детонация способна при­вести к «задиру поршня», поскольку вслед­ствие чрезмерного подвода тепла поршень расширяется, и масляная пленка вытесня­ется из зазора между поршнем и поверхно­стью (зеркалом) цилиндра. Вследствие «су­хого» трения поршня о зеркало цилиндра в местах контакта возникают очень высокие температуры, что приводит к износу порш­ня и цилиндра, поскольку их поверхности становятся шершавыми. Поршень может за­клинить в цилиндре, что приводит к серьез­ным повреждениям двигателя. Даже при от­сутствии «задира поршня», работа двигателя с детонационным стуком сопровождается неприятными сопутствующими явлениями, такими, как сильный нагрев элементов кон­струкции, соприкасающихся с отработавши­ми газами, и снижение мощности двигателя. Появившаяся детонация требует немедлен­ного устранения.

 

Детонация в бензиновом двигателе

 

Причины детонации

 

В обычных условиях рабочая смесь топлива с воздухом воспламеняется от свечи зажига­ния, после чего пламя равномерно распро­страняется в камере сгорания со средней скоростью около 20 м/с. При неравномер­ном воспламенении рабочей смеси темпе­ратура и давление воспламеняющейся сме­си резко повышаются, так же, как давление и температура невоспламененной смеси. Если при этом в нескольких местах превы­шается критическая температура, возникают очаги самовоспламенения, вызывающие не­равномерное ударное возгорание остатка рабочей смеси. Неравномерный процесс сгорания образует сильные ударные волны, вызывающие звонкий детонационный звук при достижении поверхности цилиндра.

Пример HTML-страницы

 

Способы предотвращения детонации

 

На практике существуют три вида мероприя­тий по предотвращению детонации.

  1. Предотвращение детонации при экс­плуатации двигателя, когда она возникает во время движения автомобиля и необходимы срочные меры для предотвращения силь­ных повреждений двигателя.
  2. Предотвращение возможной детона­ции при разработке двигателя, когда исполь­зуется комплекс мер для противодействия появлению детонации.
  3. Предотвращение возможной детона­ции путем разработки топлива с высокой де­тонационной стойкостью.

 

Предотвращение детонации при эксплуатации двигателя

 

Во время движения автомобиля детона­ция может возникнуть при разгоне или дви­жении с большой скоростью. В обоих случа­ях двигатель сильно перегружается.

Детонация при разгоне возникает при ускорении транспортного средства с низких оборотов коленчатого вала путем резкого нажатия на педаль «газа». При этом резко увеличивается подача рабочей смеси в ци­линдры, избыток смеси не успевает сгорать вовремя и догорание смеси вызывает дето­национные процессы. В таком случае помо­гает переключение на следующую передачу (при наличии механической коробки пере­дач), когда при той же мощности двигателя повышается частота вращения коленчатого вала, а крутящий момент уменьшается. На­полнение и вентиляция цилиндров двигате­ля происходят более равномерно, не оста­ется сгорающих избытков рабочей смеси и детонация исчезает.

Детонация при движении с большой скоростью возникает с выходом двигателя на излишне высокую частоту вращения ко­ленчатого вала. Ее можно легко не заметить, и так как не принимаются никакие меры, это нередко приводит к прогоранию поршня. В этом случае достаточно снизить скорость, то есть уменьшить подачу рабочей смеси в цилиндры. Двигатель выйдет на оптималь­ный режим работы и детонация исчезнет.

Если детонация возникает в двигателе, работающем на обычном бензине, поможет замена на бензин высшего качества.

Кроме того, можно снизить склонность двигателя к детонации, настроив угол опе­режения зажигание на «поздний». При «позднем» зажигании давление в цилиндрах остается низким, а топливо не так часто са­мовоспламеняется. Обратной стороной та­кого решения является снижение мощности двигателя и увеличения расхода топлива.

 

Предотвращение возможной дето­нации при разработке двигателя

 

Выбор степени сжатия

 

Степень сжатия следует выбирать на­столько высокую, насколько это возможно для работы двигателя без детонации на име­ющемся в продаже бензине.

Обычный бензин позволяет выбрать сте­пень сжатия ε ≈ до 9. Бензин высшего качества позволяет вы­брать степень сжатия ε ≈от 8,5 до 11.

При расчетах необходимо учитывать, что высокое значение степени сжатия увеличи­вает мощность двигателя и снижает расход топлива.

 

Положение свечи зажигания

 

Склонность двигателя к детонации сни­зится, если пламя будет распространяться от горячих частиц смеси к холодным. Самым горячим местом в камере сгорания является выпускной клапан. Рядом с ним должна уста­навливаться свеча зажигания.

 

Форма камеры сгорания

 

Хорошее охлаждение камеры сгорания предотвращает детонацию

Рис. Хорошее охлаждение камеры сгорания предотвращает детонацию

Форма камеры сгорания также влияет на возникновение детонации. Единая камера сгорания менее предрасположена к детона­ции, чем разделенная. Частицы рабочей смеси, которые поздно охватываются пламенем, должны сохранять низкую температуру с помощью хорошо охлажденных стенок камеры сгорания для предотвращения преждевременного вос­пламенения (рис. «Хорошее охлаждение камеры сгорания предотвращает детонацию»). Вихревое движение топливовоздушной смеси в камере сгорания поддерживает равномерный состав смеси и распределение температур. Пламя рас­пространяется по камере сгорания быстрее, что не вызывает взрывных реакции при сго­рании. Вихревое движение смеси обеспечи­вается геометрией впускного канала, а также соответствующей формой камеры сгорания и поршня, что закладывается на стадии про­ектирования двигателя. Во впускных каналах сложной геометрии увеличивается аэро­динамическое сопротивление движению потока рабочей смеси, поэтому наполне­ние цилиндров и, соответственно, литровая мощность двигателя снижаются.

 

Охлаждение

 

Посредством хорошего охлаждения дви­гателя снижается температура рабочей смеси и она остается менее склонной к самовоспла­менению. Жидкостное охлаждение двигателя имеет больше преимуществ, чем воздушное.

При использовании алюминиевых сплавов вместо чугуна температура головки блока ци­линдров остается низкой вследствие в три раза большей теплопроводности.

 

Электронная система предотвраще­ния детонации

 

Детонация исчезает, если установить угол опережения зажигания в «позднее» по­ложение. Для этого используется электрон­ная система предотвращения детонации в сочетании с электронной системой зажи­гания. Датчик детонации, установленный на двигателе (датчик ускорения), улавливает детонационные вибрации, например, бло­ка цилиндров двигателя. Сигналы датчика детонации анализируются микропроцес­сором, который при необходимости пере­страивает работу системы зажигания со­гласно уровню детонации, например, на 1 градус угла поворота коленчатого вала в направлении «позднее», пока детонацион­ные вибрации не перестанут улавливаться. Если детонация не улавливается, электрон­ная система зажигания управляет работой двигателя в обычном режиме. При этом, правда, возможно приближение работы двигателя к зоне возможного возникнове­ния детонации. В противоположность это­му в двигателе без электронной системы предотвращения детонации режимы рабо­ты удерживаются на относительно большой дистанции от зоны возможного возникнове­ния детонации. Следует, однако, учитывать, что работа двигателя вблизи этой зоны оз­начает большую литровую мощность двига­теля и меньший удельный расход топлива. В двигателях с электронной системой пре­дотвращения детонации также может уве­личиться степень сжатия; кроме того, они не чувствительны к топливу с незначительным октановым числом.

 

Предотвращение возможной дето­нации путем разработки топлива с высо­кой детонационной стойкостью

 

Горючее получают путем перегонки нефти, которая представляет собой множе­ственные соединения углеводородов, име­ющих различную детонационную стойкость (рис. «Детонационная стойкость углеводородов»). Дистиллят нефти подвергается хи­мическим процессам для обогащения анти­детонационными углеводородами.

Детонационная стойкость углеводородов

Рис. Детонационная стойкость углеводородов

При перегонке нефти получается бен­зин с диапазоном кипения 40-215 °С. Его удельная теплота сгорания составляет Нu ~ 43 000 кДж/кг. Бензин разделяют на обычный бензин (плотность р ~ 0,74 г/см3), бензин высшего качества (р ~ 0,76 г/см3) и бензин наивысшего качества. Детона­ционная стойкость разных сортов бензина различается вследствие различного со­става. Октановые числа бензина (см. раз­дел 6.1.3) по исследовательскому методу (ROZ) по меньшей мере, должны быть рав­ны следующим величинам: обычный бен­зин ROZMин = 91, бензин высшего качества ROZMин = 95 и бензин наивысшего качества ROZмин = 98. Раньше для увеличения дето­национной стойкости в бензин добавляли соединения свинца. Так как свинец и его соединения ядовиты и несут угрозу для окружающей среды, свинцевание бензина было запрещено на законодательном уров­не. Исключением является этилированный бензин высшего качества с октановым чис­лом ROZМин = 98 (максимальное содержание свинца 0,15 г/л). Так как все современные двигатели оснащены каталитическими нейтрализаторами для очистки отрабо­тавших газов, они не должны работать на этилированном бензине. Свинец и его соединения покрыли бы поверхность ней­трализатора и вступили с ней в химическую реакцию. Вследствие этого очистка отрабо­тавших газов стала бы невозможной.

Те соединения свинца, которые раньше добавлялись в бензин для повышения дето­национной стойкости, называются антидето­наторами.

В качестве антидетонаторов использо­вались тетраметилсвинец (Рb(СН3)4) и те­траэтилсвинец (Рb(С2Н5)4). Оба соединения свинца очень ядовиты. Их действие заключа­ется в том, что они вследствие высокой тем­пературы распадаются до воспламенения смеси в камере сгорания, и возникающий свинцовый порошок предотвращает пре­ждевременное самовоспламенение смеси. Чтобы во время сгорания не образовывался оксид свинца, который способен ускорить износ цилиндра, в бензин добавляют соеди­нения брома и хлора. При высокой темпе­ратуре в камере сгорания двигателя свинец образовывает бромид свинца или хлорид свинца. Эти два очень ядовитых соедине­ния свинца становятся газообразными при температуре около 800 °С и выводятся из двигателя вместе с отработавшими газами. Они считаются вредными примесями в от­работавших газах и приводят к загрязнению воздуха.

Пример HTML-страницы

Добавление в бензин спиртов, например, метанола, также повышает детонационную стойкость топлива. Разумеется, при добав­лении большого количества, равного 15%, топливная аппаратура системы питания дви­гателя должна быть специально настроена на смесь бензина и спирта.

 

Определение детонационной стойкости бензина

 

Детонационная стойкость бензина выражается в его октановом числе. Октановое число бензина указывает на то, что данный вид топлива обладает такой же детонационной стойкостью, что и эталонная сравнительная смесь углеводородов — изо­октана и нормального гептана. Так как изо­октан имеет октановое число 100, а нор­мальный гептан — октановое число 0, то октановое число 80 означает, что детонаци­онная стойкость бензина равна детонаци­онной стойкости смеси из 80% (объемных частей) изооктана и 20% (объемных частей) нормального гептана. Детонационная стойкость растет с увеличением октано­вого числа.

Определение октанового числа выпол­няется на соответствующем испытательном стенде с использованием эталонного двига­теля для оценки детонационной стойко­сти различных видов топлива. Эталонным в данном случае считается одноцилиндро­вый четырехтактный бензоиновый двига­тель с термосифонной системой жидкост­ного охлаждения, в которой отсутствует помпа, а охлаждающая жидкость испаряется, и пар низкого давления конденсируется в ра­диаторе, а затем в виде конденсата возвра­щается в рубашку охлаждения. Степень сжа­тия двигателя во время испытаний может изменяться в границах между 4 и 18.

Существует два стандартизированных метода испытаний: исследовательский метод и моторный метод. Соответственно, результатами являются исследовательское октановое число бензина (ROZ) и моторное октановое число бензина (MOZ). Различия основных параметров обоих методов указа­ны в таблице «Различия параметров исследовательского и моторного методов».

 

Различия параметров исследовательского и моторного методов

 

В моторном методе смесь воздуха и бен­зина нагревается позади карбюратора, а в исследовательском методе — воздух на­гревается перед карбюратором.

Пример HTML-страницы

Эталонный двигатель запускается и со­единяется с большим электрическим ге­нератором, в котором крутящий момент от эталонного двигателя возбуждает элек­трический ток, создающий тормозной мо­мент. Измерение октанового числа всегда проводится в режиме сильной детонации при сгорании рабочей смеси. При этом ко­эффициент избытка воздуха регулируется так, чтобы получить детонацию максималь­ной интенсивности. Индуктивный датчик и электронный усилитель сигналов замеря­ют уровень детонации и выводят показания на дисплей специального прибора — дето­нометра. Компрессия двигателя настраивается таким образом, чтобы показания дето­нометра исследуемого бензина находились в середине шкалы прибора. Затем в систему питания вводятся две сравнительные сме­си, чьи октановые числа различаются лишь на две единицы.

Одна сравнительная смесь должна вызывать более сильную, а вторая более слабую детонацию, чем бензин. По­средством линейной интерполяции опре­деляется и округляется до десятых долей октановое число бензина (рис. «Определение октанового числа бензина»). Один и тот же бензин, испытанный по моторному методу, имеет меньшее октановое число, чем выявленное по исследовательскому ме­тоду. Октановое число, определяемое по моторному методу, в современном бен­зине меньше примерно на 10 единиц, чем октановое число, определяемое по иссле­довательскому методу. Данная разница об­условлена тем, что соотношение олефинов и ароматических углеводородов в двух мето­дах испытаний отличаются. На сегодняшний день исследовательское октановое число в бензине равно приблизительно 92, а в бен­зине высшего качества — 95 единиц.

 

 

 

Определение октанового числа бензина

Рис. Определение октанового числа бензина

 

 

Октановое число, определяемое по ис­следовательскому методу, указывает на то, как ведет себя топливо при ускорении (дето­нация при разгоне).

Октановое число, определяемое по мо­торному методу, наоборот, указывает на пове­дение при большой нагрузке (детонация при высокой частоте вращения коленчатого вала).

Определение октанового числа по дорожному методу

Рис. Определение октанового числа по дорожному методу

Наряду с исследовательским и мотор­ным октановыми числами существует также октановое число, определяемое по до­рожному методу (SOZ). Оно определяется методом дорожных испытания транспортно­го средства согласно «модифицированному дорожному методу». В прогретый двигатель подаются различные сравнительные смеси из изооктана и нормального гептана. Авто­мобиль сначала ускоряется до максималь­ной скорости на прямой передаче, позво­ляющей плавное движение без рывков. Угол опережения зажигания регулируется до тех пор, пока не исчезнет детонация. В результа­те данные испытаний образуют базовую кри­вую, отображенную на рис. «Определение октанового числа по дорожному методу». Затем по тому же методу определяется установка зажига­ния, при которой начинается детонация, для исследуемого бензина. По базовой кривой определяется октановое число бензина по дорожному методу. Эта величина в различ­ных двигателях будет иметь различные зна­чения для одного и того же бензина.

 

 

Детонация в дизельном двигателе

 

Причины детонации

 

В дизельном двигателе воздух сжимается в цилиндре так сильно, что его температу­ра превышает температуру воспламенения дизельного топлива. Незадолго до того, как поршень достигнет верхней мертвой точки (ВМТ), в камеру сгорания впрыскивается то­пливо, которое мгновенно воспламеняется. Если количество впрыскиваемого топлива из­быточно велико, в цилиндре возникают силь­ные ударные волны, вызывающие детонацию.

 

Способы предотвращения детонации

 

Громкий звук детонации в большинстве слу­чаев можно услышать при работе холодного дизеля на холостом ходу или с небольшой нагрузкой. В этом виновата большая задерж­ка воспламенения, которая, как известно, уменьшается при увеличении давления и температуры. Детонация вовремя холо­стого хода не опасна для двигателя и исчеза­ет при повышении нагрузки.

В двигателях с непосредственным впрыском дизельного топлива в воздух в камере сгорания детонацию можно устра­нить, уменьшив количество топлива, впры­скиваемого во время задержки воспламе­нения. Основное количество впрыскивается сразу после начала сгорания. Недостатком является невозможность полностью устра­нить выброс сажи, которая возникает, если у топлива перед воспламенением недоста­точно времени для испарения и смешивания с воздухом. Когда температура и давление высоки и нет достаточного количества воз­духа для сгорания, возникает реакция кре­кинга (расщепления молекул), которая при­водит к образованию сажи. Сажа сгорает не полностью и попадает в отработавшие газы.

Разделенная камера сгорания дизельного двигателя

Рис. Разделенная камера сгорания дизельного двигателя

Детонационное сгорание топлива мож­но также устранить с помощью разделе­ния камеры сгорания. Дизельное топливо впрыскивается в изолированную полость (предварительную камеру) в головке блока цилиндров (рис. «Разделенная камера сгорания дизельного двигателя»). Из-за недостатка воз­духа там может гореть не всякое топливо. Вследствие предварительного сгорания в предварительной камере повышаются тем­пература и давление. Топливо, которое не сгорело, через сужение попадает с большой скоростью в основную камеру сгорания, где и догорает до конца. Вследствие растяжения по времени процесса сгорания детонаци­онный шум подавляется даже при исполь­зовании топлива с большой задержкой вос­пламенения. Правда, при этом наблюдается повышенный удельный расход топлива.

Наряду со способами смесеобразова­ния, когда топливо впрыскивается в воздух, существует метод подачи топлива, разра­ботанный в компании «MAN», при котором дизельное топливо впрыскивается так, что тонкой пленкой оседает на поверхно­сти камеры сгорания. При использовании данного метода детонация не возникает, так как топливо сгорает в том объеме, в кото­ром оно испаряется со стенки и смешива­ется с воздухом. Двигатели, работающие по данному принципу смесеобразования, на­зываются многотопливными двигателями внутреннего сгорания, так в них можно ис­пользовать все виды топлива, от смазочного масла и дизельного топлива до бензина.

Производители горючего также прила­гают старания, чтобы устранить детонацию. Дизельное топливо после нефтеперегонки имеет диапазон кипения 160-90 °С. Оно содержит много насыщенных углеводоро­дов, которые легко воспламеняются. Плот­ность дизельного топлива составляет р ~ 0,83 г/ см3, а его удельная теплота сго­рания Нu ~ 42000 кДж/кг. При добавлении присадок для ускорения сгорания воспламе­няемость дизельного топлива еще больше увеличивается. Действие присадок заклю­чается в том, что топливо воспламеняется непосредственно при попадании в горячий воздух, а при повышении температуры за­держка воспламенения дизельного топлива уменьшается. Для этого достаточно добавить в дизельное топливо присадки для ускоре­ния воспламенения в количестве 0,1-1 объ­емного процента.

 

Определение воспламеняемости дизельного топлива

 

Воспламеняемость дизельного топлива вы­ражается с помощью цетанового числа (CZ). Оно означает, что дизельное топливо имеет такую же склонность к воспламенению, что и определенная сравнительная смесь из цетана и a-метилнафталина. Легковоспла­меняемым реагентом смеси является цетан. Он имеет цетановое число 100, в то время как a-метилнафталин — цетановое число 0. Таким образом, например, цетановое чис­ло CZ = 55 означает, что дизельное топливо имеет такую же склонность к воспламене­нию, что и сравнительная смесь из 55% (объ­емных долей) цетана и 45% (объемных до­лей) a-метилнафталина. Воспламеняемость повышается при росте цетанового числа.

Определение цетанового числа выпол­няется так же, как и определение октанового числа бензина с помощью эталонного двига­теля, специально предназначенного для этих замеров. Используются двигатель для оцен­ки детонационной стойкости бензинов по методу компании «BASF» и стандартный дви­гатель для оценки детонационной стойкости топливных материалов — одноцилиндро­вые четырехтактные дизельные двигатели с устройством для регулирования конечного давления сжатия. В то время, как в двигателе компании «BASF» конечное давление сжатия регулируется с помощью ограничения впу­скаемого воздуха, в стандартном двигателе регулировка выполняется путем изменения степени сжатия.

Ниже измерение цетанового числа 1952/54 описывается на примере испыта­тельного двигателя, разработанного компа­нией «BASF» — четырехтактного дизельно­го двигателя с вихревой камерой сгорания и системой испарительного охлаждения. Он работаете частотой вращения коленчатого вала приблизительно 1000 мин, а тормоз­ной генератор создает момент сопротивле­ния. Сначала в двигатель подается исследу­емое дизельное топливо. Впрыскиваемое количество должно быть отрегулировано согласно расходу 8 ± 0,3 см3/мин, а момент впрыскивания — на 20° угла поворота ко­ленчатого вала к верхней мертвой точке. Во впускном коллекторе двигателя установлена дроссельная заслонка, а перед ней — из­мерительный диффузор, подключенный к вакуумметру.

Дроссельная заслонка закры­вается, уменьшая тем самым давление сжатия, пока задержка воспламенения дизельного топлива не будет равна 20° угла поворота ко­ленчатого вала к верхней мертвой точке, а го­рение не начнется точно в верхней мертвой точке поршня. Величина разрежения отобра­жается на дисплее вакуумметра. Воспламеня­емость дизельного топлива высока, когда раз­режение имеет низкое значение. Тогда через диффузор проходит лишь небольшое количе­ство воздуха, и конечное давление сжатия — низкое.

По окончании измерения дизельного топлива впрыскиваются две сравнительные смеси при тех же условиях. Цетановое число сравнительных смесей должно различать­ся всего на четыре единицы. Кроме того, цетановое число дизельного топлива должно находиться в диапазоне между цетановыми числами двух сравнительных смесей. На ос­новании зафиксированных показаний ваку­умметра цетановое число дизельного топли­ва рассчитывается посредством линейной интерполяции и округляется до целого числа.

Пример HTML-страницы

Цетановые числа современного дизель­ного топлива составляют 50-55 единиц.

 

Пример HTML-страницы

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *