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 бензинового двигателя

 

Причины детонации двигателя

 

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.

 

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

 

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.

При перегонке нефти получается бен­зин с диапазоном кипения 40-215 °С. Его удельная теплота сгорания составляет Н_u ~ 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 ROZ_Mин = 91, бензин высшего качества ROZ_Mин = 95 и бензин наивысшего качества ROZ_мин = 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 ROZ_Мин = 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.

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».

 

 

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

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.

 

 

 

 

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).

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.

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 Н_u ~ 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.

Цетановые числа современного дизель­ного топлива составляют 50-55 единиц.