Как проявляется детонация в двигателе: Причины детонации двигателя и их устранение

Причины детонации двигателя и их устранение

Владельцы автомобилей порой сталкиваются с неисправностями в работе своих авто, в том числе и в сердце машины — моторе. Одна из них может проявляться резким взрывом топлива в рабочей камере, стремительном выбросе энергии, появлении ударной волны. Причины детонации двигателя связаны со многими факторами, которые следует обязательно изучить и устранить. Опытные водители сами разберутся в этом процессе, а вот новичкам лучше обратиться на СТО.

5 причин детонации двигателя

Для мотора такое явление весьма нежелательное, так как оно представляет собой неконтролируемую нагрузку на детали, кривошипно-шатунный механизм, цилиндро-поршневую группу. Этот эффект, по сути, является взрывом со всеми последствиями и разрушительными действиями. Если пренебрегать таким «симптомом», в конечном итоге станет необходим ремонт двигателя в Минске.

Если произошло неконтролируемое самовозгорание в цилиндрах топливовоздушной смеси значительно раньше, чем необходимо, следует выявить, чем вызвана взрывная волна.

Бензин

Частой причиной проявления детонации двигателя называют низкое содержание октана в топливе. Поэтому, во избежание повторения этого неприятного события, заправляйтесь бензином с высокооктановым показателем. Современные авто оборудованы двигателями повышенной степени сжатия, что требует применения топливных материалов с высоким октаном.

Раннее зажигание

Возможно, причины детонации двигателя заключаются в раннем зажигании. Водители сознательно выполняют эту операцию, стараясь обеспечить повышенное реагирование мотора на открывание дроссельной заслонки. Фактически этот трюк возможен, однако в нем скрыт один секрет. При установке раннего зажигания провоцируется преждевременное возгорание воздушно-топливной смеси. Это происходит в момент движения поршня в ВМТ. Такое возгорание дает на этот механизм ударную нагрузку. На данном этапе происходит повышение степени перегрева внутренней части цилиндра.

Обедненная смесь

Детонации в двигателе вызывает и топливная смесь, называемая обедненной, в составе которой недостаточное содержание бензина, зато повышенный содержание воздуха. Такое соотношение может возникнуть при допущенных ошибках при регулировке или преднамеренно с целью увеличить мощность мотора.

Если заправлять машину качественной смесью, рекомендуемой изготовителем, то обеспечивается плавное воспламенение горючего. Это дает возможность осуществлять контроль за температурой горения. При заправке обедненной смесью перегреваются детали двигателя, расположенные внутри. Последующие впрыскивания топлива вызывают неконтролируемое возгорание смеси, что вызывает детонацию.

Нагар

Взрывная волна в моторе может быть связана с появлением в камере сгорания слоя отложений. Нагар способен создать внутри «тепловую рубашку». Это фактор может привести к росту уровня рабочей температуры, а, следовательно, к возгоранию смеси.

Свечи зажигания

Иногда автовладельцы игнорируют рекомендации относительно подбора свечей зажигания, подыскивая менее дорогие. Параметры этой детали предназначены под конкретный двигатель в соответствии с тепловыми характеристиками. Свечи эффективно работают в точных значениях, контролируя среду внутри этого сложного механизма. Если комплект свеч подобран неправильно, возникает рост температуры нагревания ходовой части, что приводит при выключении зажигания, к взрыву.

Часто возникающие детонации двигателя вызывают прогорание поршневых днищ и клапанов. Сильный износ агрегата определяют и ударные нагрузки, на уровень которых внутренние детали мотора не рассчитаны.

Как предупредить неисправность?

При неравномерном сгорании смеси топлива и воздуха появляется характерный звук, вызванный давлением от вибрирования стенок цилиндра при сгорании. Высота этой звуковой волны зависит параметров и форм камеры сгорания. Если в таком режиме эксплуатировать мотор хоть на несколько секунд, можно нанести повреждения внутренним деталям.

Возникновение этого явления должно насторожить автовладельцев, особенно, если оно часто повторяется. Необходимо немедленно выявить причины детонации двигателя и серьезно заняться их устранением.

Чтобы найти автосервис, если вам понадобился ремонт автомобилей в Минске, заходите на TAM.BY.

Детонация двигателя, что это такое, причины, методы диагностики

С детонацией двигателя сталкивался каждый автовладелец. Чаще всего она возникает сразу же после выключения зажигания. Почему это происходит и как устранить детонацию?

Что такое детонация двигателя

По своей сути, это микро удары внутри двигателя, которые приводят к резкому увеличению нагрузки на цилиндры и поршни мотора.

Поэтому детонация является нежелательным явлением, приводящим к дополнительным нагрузкам на двигатель. В ходе данного явления топливо сгорает не контролировано и это негативно влияет на всю работу двигателя.

Температура в камере сгорания в этот момент может достигать до 3500 градусов.

Причины детонации

Причин может быть много, но к основным можно отнести следующие:

1. Некачественное топливо;
2. Ранее зажигание;
3. Перегрев мотора;
4. Образование большого нагара в цилиндрах;
5. Не правильный стиль вождения автомобиля;
6. Продолжительные холостые обороты двигателя под нагрузкой;
7. Обедненная топливная смесь (характерно для карбюраторных автомобилей).

К чему может привести детонация

1. Резкий перегрев двигателя;
2. Снижению мощности мотора;
3. Повышенный расход топлива;
4. Выход из строя цилиндропоршневой группы;
5. Коррозии цилиндров и поршней двигателя;
6. Прогорание прокладки головки блока цилиндров;
7. Трещины поршня;
8. Пробитие головки БЦ;
9. Повреждение вкладышей.

Некачественное топливо

Если показатель октанового числа залитого топлива меньше, чем необходимо для данного двигателя, то процесс детонации неизбежен.

При несоответствии октанового числа топлива (как правило, оно меньше чем нужно), происходит процесс его активного сгорания, этот процесс настолько быстрый, что сгорание напоминает небольшой взрыв внутри камер.

К примеру, по инструкции положено заливать в бак бензин АИ-98, а водитель заливает АИ-95.

Происходит выделение большого объема тепловой энергии, и под давлением выброс энергии приводит к детонации, т. е. внутреннему микровзрыву, который ощущается водителем в виде детонационных толчков.

Кроме несоответствия октанового числа топлива, детонацию может вызвать просто некачественное топливо, которое произведено с нарушением всех требований и норм.

Некоторые водителя, чтобы не использовать более дорогое высокооктановое топливо, но при этом не допустить детонации двигателя, устанавливают более позднее зажигание.

По отзывам экспериментаторов, данное действие спасает ситуацию, так как топливная смесь начинает воспламеняться вовремя, полностью сгорает без выделения лишнего тепла и создания большего давления в цилиндрах.

Но каждый водитель делает это на свой страх и риск.

Читайте также:

Ранее зажигание

Другая причина, по которой может происходить детонация может являться ранее зажигание.

Настройки зажигания таковы, что происходит слишком раннее возгорание воздушно-топливной смеси, что ведет к перегреву и провоцирует внутренний перегрев двигателя и деталей, приводя тем самым к процессу детонации.

Для устранения такой детонации, нужно отрегулировать зажигание, проверить его угол. Причина детонации может быть в свечах зажигания.

Если они не соответствуют по своим техническим характеристикам, рекомендованным производителем двигателя, либо просто являются некачественными.

Для этого необходима их проверка и при необходимости замена.

Перегрев мотора

Третья причина, которая может вызывать детонацию – перегрев мотора. При соответствии топлива и нормально выставленном зажигании, проверьте уровень охлаждающей жидкости в расширительном бачке, работу термостата, радиатор.

Образование большого нагара в цилиндрах

Причиной образования нагара на стенках цилиндра двигателя является использование не качественного масла и топлива.

Если это произошло, то проводится раскоксовка двигателя.

Не правильный стиль вождения автомобиля

Игнорирование переключением передач с повышенной на пониженную при выходе из поворота.

При преодолении подъема средней продолжительности, когда в начале подъема 5-й передачи вроде бы как хватает, а в конце подъема нет, но водитель все равно продолжает выжимать из двигателя последние силы, не удосужившись перейти на 4-ю или 3-ю передачи.

Вот и получите стук металла об метал (похож на стук металлических шариков) внутри двигателя, именно так в основном проявляется детонация последнего.

В некоторых моделях авто устанавливаются специальные датчики, которые информируют водителя через электронные устройства об самом этом явлении и его частоте.

Холостой режим работы двигателя

Многие водителя совершают ошибку, двигаясь на автомобиле, при этом держа обороты двигателя в пределах холостого хода.

Это же происходит зимой, с целью прогрева двигателя и трансмиссии.

Причина этого лежит либо по незнанию, что так делать нельзя, либо по стремлению таким образом сэкономить топливо.

Именно в этот момент увеличивается вероятность возникновения детонации двигателя.

Детонация или самовоспламенение смеси

По неопытности можно перепутать эти два явления.

Самовоспламенение смеси происходит в результате сильного перегрева двигателя. При этом в конце такта сжатия температура топливной смеси становиться выше нормы, и она не контролировано вспыхивает.

Так же если двигатель сильно закоксован, то горячий нагар на его стенках в результате соприкосновения с топливной смесью может воспламенить ее.

Чтобы разделить эти два явления нужно заглушить двигатель отключив зажигание. Если мотор глохнет не сразу, то скорее всего внутри него происходит такое явление, как детонация.

Читайте также:

Подводим итог

Нет никаких сомнений, детонация двигателя, это вредное явление, которое требует комплексного подхода для его устранения.

Но в первую очередь следует выяснить его причины, которых может быть несколько.

Но все же для начала идите от простого к сложному и попробуйте заменить тип использованного топлива.

В большинстве случаев это снижает вероятность возникновения детонации двигателя и продлеваем его работу.

Детонация или калильное зажигание?

В статье «как предотвратить детонацию», я описал, что нужно делать, чтобы предотвратить детонацию, при переходе на другой бензин, и статью можно почитать вот здесь. В этой же статье мы более подробно разберём, что такое детонация и калильное зажигание (и не только это), и научимся отличать эти отклонения в рабочем процессе двигателя, от обычного стука клапанов (при повышенных тепловых зазорах) или звона пальцев, которые многие водители путают с детонационными стуками, более вредными для двигателя. Чтобы научиться отличать одно от другого, а так же уметь отличить детонацию от калильного зажигания, нужно знать самые азы, которые мы и рассмотрим в этой статье. 

При работе двигателя внутреннего сгорания, когда происходит нормальное сгорание топлива в цилиндрах, происходит химическая реакция в рабочей смеси воздуха и паров топлива. И чтобы нормальное горение смеси началось, мало простого смешивания воздуха и топлива в необходимой пропорции (соотношении), рабочей смеси кроме этого нужно ещё передать некоторую энергию.

Известно, что в дизельных двигателях, от более высокого давления сжатия, повышается температура топлива в конце такта сжатия до такого значения, что от этого происходит воспламенение топлива. Ну а в бензиновых моторах, для воспламенения рабочей смеси требуется электрическая искра.

И от электродов свечи зажигания, до стенок камеры сгорания, пламя распространяется со скоростью 50 — 70 метров в секунду, пока не сгорит топливо. Так происходит нормальное обычное сгорание топлива, которое отличается от ненормального (необычного) более быстрого сгорания топлива, которое мы рассмотрим ниже.

Но как же происходит детонация? Пока распространение фронта пламени происходит от электродов свечи зажигания до дальних зон камеры сгорания, температура в этих зонах может повыситься так, что может произойти самовоспламенение смеси, до прихода фронта пламени.

От этого возникнет небольшую ударную волну, как бы скачок давления, и этот резкий рост давления встретит на своём пути готовое к воспламенению топливо и сожмёт его.

От этого сжатия бензовоздушная смесь моментально вспыхивает и своей дополнительной энергией ещё более усилит скачок давления, ещё более увеличивая его мощность, разгоняя этот скачок давления до сверхзвуковой скорости. И проще говоря — этот сдвоенный эффект, состоящий из ударной волны большой скорости и догоняющего её фронта пламени и есть

детонация. 

А скорость распространения волны детонации в цилиндрах мотора может достигать от 800 до 1200 метров в секунду, что на много быстрее скорости распространения обычного фронта пламени (50 — 70 м/сек. от искры). И от этого детонацию многие называют быстрым сгоранием топлива. И когда при этом быстром горении топлива, детонационная волна ударяется о стенки камер сгорания, тарелок клапанов, донышек поршней или стенок цилиндра, вот тогда мы и слышим металлические стуки высоких тонов.

Естественно, что от ударов детонационной волны страдают детали двигателя (смотрите фото слева, на котором изображён поршень с трещиной на донышке), перечисленные чуть выше, но всё таки более других деталей страдают поршни. И как я уже говорил, причина детонации, это самовоспламенение рабочей смеси в самых удалённых от электродов свечи зонах камеры сгорания. А это значит, что чем больше объём двигателя и больше диаметры его цилиндров, тем лучше способность проявления детонации (при других равных условиях).

И от этого приходится уменьшать степень сжатия, так как в более большеобъёмных моторах (с большими диаметрами цилиндров) фронт пламени медленнее доходит до самых дальних зон камер сгорания, и это способствует самовоспламенению смеси и детонации. Причём детонация может проявляться сильнее или слабее, но только при средних и высоких нагрузках на двигатель.

Бывает кратковременная слабая детонация, например при резком разгоне машины, но она не оказывает особого вреда для двигателя. Причём чем ближе условия сгорания рабочей смеси к детонации, тем выше коэффициент полезного действия мотора. А это значит, что наиболее оптимальная регулировка двигателя (о регулировке здесь) будет соответствовать его работе на границе детонации.

И при такой оптимальной регулировке, на некоторых режимах (например при резком разгоне), слабая детонация будет возникать, но кратковременно. Это нормальное явление, не приносящее вреда двигателю, и кстати появляющийся при этом кратковременный металлический звук, к звону поршневых пальцев никакого отношения не имеет.

Как распознать и отличить звук от детонации от других похожих звуков?

Самый первый способ — это появление постороннего звука двигателя, сразу после совершённого вами какого то действия, например после неверной регулировки момента зажигания, или после заправки некачественным бензином (как определить качество бензина без лаборатории читаем вот тут). К стати и очень долгая работа мотора на малых оборотах или мощностях, тоже будет способствовать появлению детонации.

Например если вы долго ползли на малых оборотах и малой скорости по длинной просёлочной дороге. Или если долго ехали по загородной дороге на самой высокой передаче, но с небольшой скоростью. В таких случаях может появиться толстый слой нагара, в камерах сгорания и на деталях, и от этого слоя нагара, степень сжатия повысится, а теплоотвод деталей наоборот понизится. Как полностью избавиться от нагара на деталях и закоксовки колец, причём без разборки двигателя, советую почитать вот тут.

Второй способ определения появления детонации, это заметить реакцию двигателя на высокую нагрузку для него. Следует знать, что самые благоприятные условия для возникновения детонации, это когда на низких оборотах мотору дают большую нагрузку. При этом двигатель использует всю свою паспортную мощность на малых оборотах. И детонация чаще всего начинает проявляться при резком увеличении нагрузки на низких оборотах, и её легко услышать и снизить нагрузку, ведь обороты то небольшие.

Хуже всего, это когда детонация может возникнуть тоже на большой нагрузке, но на максимальной скорости, предельной для машины. В этом случае услышать детонационные звуки очень сложно, ведь двигатель  ревёт на скорости. В любом случае, до таких предельных скоростей и нагрузок двигатель доводить не следует.

Третий способ, помогающий определить детонацию, это по цвету газов, выходящих из выхлопной трубы (а как определить состояние двигателя по цвету выхлопа читаем здесь). И появление зеленоватого дыма, или чёрного, после того как были слышны детонационные звуки указывает на то, что детонация всё таки есть или была.

Причем появление зеленоватого дыма бывает при сильной детонации, и то что этот дым появился, говорит что алюминиевый сплав испорченных поршней уже вылетает через выхлоп. В этом случае ремонт двигателя с заменой испорченных деталей неизбежен. Но как правило это бывает редко, ведь чтобы довести двигатель до такоё сильной детонации, нужно позволить ему работать с детонационными стуками достаточно долго.

Если же после того как вы заправились, стали слышны слабые детонационные звуки, не следует сразу открывать капот и менять опережение зажигания. Залитый бензин может и не быть плохого качества, просто его октан немного другой, а у вас в камере сгорания достаточный слой нагара, чтобы этот бензин не подошёл для вашего двигателя. И прежде чем корректировать угол опережения зажигания, попробуйте поездить несколько минут (примерно минут 20), и может быть немного нагара выгорит, и эта слабая детонация прекратится.

Если же она не исчезнет, то придётся или избавляться от нагара (как это сделать без разборки мотора — кликаем по ссылке выше в тексте и узнаём), или менять угол опережения, и какой угол опережения выставлять, в зависимости от марки бензина я уже писал, и желающие могут почитать, кликнув на ссылку в самом начале этой статьи. Если после очистки нагара или после изменения угла опережения стуки исчезли, значит это точно была детонация и вы от неё благополучно избавились.

Детонация или калильное зажигание, а может это дизелинг ?

По приезду куда либо, может возникнуть ещё одно непонятное явление, когда вы выключаете зажигание, чтобы заглушить двигатель, а он ещё некоторое время дёргается. Кто то называет такое явление калильным зажиганием, а кто то детонацией, так что же это такое?

Многим известно, чем меньше нагрузка на мотор, тем меньше температура и давление в его цилиндрах. А это значит, что детонации на холостом ходу (когда мы глушим двигатель) НЕ БЫВАЕТ. Но всё таки почему после выключения зажигания и отсутствия искры на свечах двигатель продолжает дёргаться?

Чтобы ответить на этот вопрос, давайте немного вспомним как работает дизель и бензиновый мотор. В дизельном двигателе степень сжатия в камерах сгорания намного выше чем у бензомотора, и от этого высокого сжатия дизельное топливо нагревается до температуры его воспламенения в 600 градусов и воспламеняется без электрической искры.

В бензомоторе степень сжатия примерно в два раза меньше и  температура в цилиндрах тоже. Да и способность к самовоспламенению у бензина меньше, чем у соляра, и поэтому бензин не успевает самовоспламеняться. И чтобы ему вспыхнуть требуется электрическая искра, появляющаяся в нужный момент в камере сгорания (на электродах свечи зажигания). И если отключить зажигание (эту искру) то помочь бензину воспламениться нечем, но вот если бы времени побольше, то тогда бензин может бы и воспламенился самостоятельно, без искры.

Вот в этом то и кроется ответ на вопрос, почему иногда бензиновый мотор начинает дёргаться, при отключении зажигания. Потому что при отключении искры, обороты двигателя падают, и при очень малых оборотах, когда коленвал почти остановился, времени для воспламенения у бензина становится намного больше, и он иногда успевает воспламеняться, даже когда искра отсутствует.

А когда в цилиндрах появляются вспышки от самовоспламенения бензина, обороты коленвала опять немного увеличиваются, и времени для воспламенения без искры, у бензина опять не хватает. И обороты мотора опять уменьшаются.В итоге это повторяется несколько раз, обороты то повышаются, то снижаются и двигатель дёргается. Причем самовоспламенение бензина похожее на самовоспламенение соляра в дизельном двигателе. Поэтому и прозвали это явление у бензиновых моторов — дизелинг.

А главное, что ничего общего дизелинг и детонация не имеют. Причём дизелинг может возникнуть не от плохого низкооктанового бензина, хотя при плохом бензине вероятность возникновения дизелинга всё же выше. Но прикол в том, что многие водители ничего подобного не слышали о дизелинге и путают его с калильным зажиганием. Хотя здесь также как и с детонацией — ничего общего дизелиг и калильное зажигание не имеют — это совсем разные вещи.

Чтобы понять почему это разные явления, давайте вспомним, что такое калильное зажигание? Калилка (калильное зажигание) — это воспламенение топлива от перегретых деталей, например от перегретых электродов свечи зажигания (см. фото слева, где центральный электрод свечи буквально сгорел, а боковой электрод поплавился) , от перегретой тарелки выпускного клапана или просто от раскалённых частиц нагара в камере сгорания. Ну а дизелинг — это воспламенение топлива от его сжатия (на очень малых оборотах), но вблизи тоже нагретых поверхностей деталей в камере сгорания, где топливо нагревается сильнее.

Естественно калильное зажигание и дизелинг это разные вещи, и их легко отличить, так как у калильного зажигания нет сильного дёрганья мотора, так как обороты двигателя не снижаются до очень малых оборотов (как при дизелинге) а потом опять повышаются. При калилке обороты более постоянны, мотор работает устойчивее, причём на разных режимах, и двигатель при калильном зажигании может проработать намного дольше, чем при дизелинге.

Кстати калильное зажигание намного опаснее, так как может возникнуть когда машина в движении (в отличие от дизелинга, который возникает только когда мы глушим мотор), и свечи зажигания работают, выдавая искру, и водитель может и не заметить калилки. Хотя нагар или нагретые части деталей могут воспламенять топливо немного раньше чем надо (когда возникает искра от свечи), или не в том месте в камере сгорания где надо.

И именно от этого и происходит оплавление или прогар поршня, оплавление тарелки клапана, или в лучшем случае оплавление электродов свечи зажигания. Но могут быть и другие вредные последствия для мотора. Поэтому калильное зажигание, возникшее на ходу машины или мотоцикла, и является самым опасным, его тяжелее заметить. Тем более, что чем дольше двигатель работает на калильном зажигании, тем больше нагреваются раскалённые детали, и устойчивее он работает, и выявить калилку уже сложнее.

Хотя калильное зажигание может произойти когда мы выключаем зажигание, но здесь его легко заметить (ведь мотор продолжает работать без электро-искры на свечах), а так же и отличить от дизелинга, так как мотор при калилке не дёргается и работает устойчивее, об этом я уже написал выше.

Ну и напоследок ещё немного интересного про дизелинг. Оказывается он возникает чаще на новых двигателях, и реже на изрядно пробежавших, а почему? Да потому что чем старее двигатель, то есть больше его пробег, тем меньше показатель компрессии в его цилиндрах. А значит и давление и соответственно и температура меньше в более старом моторе. А ведь именно температура и играет главную роль в возникновении дизелинга.

Кстати, возникновение дизелинга может подтвердить, что ваш двигатель, а точнее состояние его цилиндропоршневой группы и компрессии, пока в нормальном состоянии. И если после выключения зажигания, ваш мотор некоторое время трясётся, то наоборот не нужно беспокоиться, он в нормальном состоянии. Но и отсутствие дизелинга не означает, что ваш мотор убитый.

Ведь настоящее значение степени сжатия какого то мотора, может и отличаться от точных паспортных данных. И если показания компрессии будут отличаться от паспортной в большую сторону, то дизелинг может возникнуть на вашем двигателе, а если показания степени сжатия будут немного отлтичаться в меньшую сторону, то такое явление как дизелинг, вы можете и не увидеть на своем моторе.

Да и современные карбюраторы или системы впрыска топлива, имеют на большинстве современных машин и мотоциклов электромагнитный клапан, который при отключении зажигания отключает подачу бензина. И трясти мотор по любому не будет, так как сгорать в цилиндрах будет нечему.

Вот вроде бы и всё, что я хотел рассказать в этой статье. Надеюсь она будет кому то полезной и позволит многим водителям, особенно новичкам, вовремя определить детонацию, калильное зажигание, или дизелинг и отличить одно явление от другого, и эти знания я надеюсь позволят сберечь и двигатель и свои нервы; удачи всем!

 

причины, как устранить, последствия, видео

Неконтролируемое воспламенение топливно-воздушной смеси способно привести к разрушению деталей цилиндропоршневой группы. В статье рассмотрим, что такое детонация двигателя, причины, которые ее провоцируют, и последствия.

Горение топливно-воздушной смеси

Невозможно понять, почему происходит детонация, без представления о нормальном воспламенении топливно-воздушной смеси (далее ТПВС):

• за несколько градусов до ВМТ свеча подает искру, воспламеняя ТПВС;
• фронт пламени начинает расходиться от электрода, где был первоначальный очаг, к стенкам камеры сгорания;
• если угол опережения зажигания (далее УОЗ) был подобран верно, то примерно к 10º после ВМТ в камере сгорания образуется максимальное давление горения. В этот момент поршень занимает позицию, при которой воздействие энергии на плечо сформирует максимальную вращательную силу кривошипа.

Несмотря на то что поджигание смеси происходит до ВМТ, следовательно, на поршень действует замедляющая его энергия, положительная сторона гораздо более значительна. Ведь самый важный момент – приложить усилие к поршню в момент, когда рычаг позволит получить максимальный крутящий момент. Именно плавное возгорание смеси позволяет достигнуть такого эффекта.

Определение

Детонация двигателя – самопроизвольное воспламенение ТПВС, характеризующееся высокой скоростью распространения фронта пламени. Как вы можете теперь увидеть, «детон» имеет противоположную нормальному горению природу.

Основная характеристика детонационного воспламенения – скорость распространения волны (в этом случае очень удачно сравнение со взрывной волной). После подачи искры средняя скорость розростания горения 20-30 м/с. Скорость взрывной волны в момент, когда топливо детонирует, достигает 2000 тыс. м/с.

Разумеется, ничем хорошим для двигателя это не кончиться. Ударная волна «сносит» очаг воспламенения, спровоцированный свечей зажигания, ударяясь о стенки камеры сгорания. Взрывная волна создает резонирующее воздействие, которое проявляет себя звонким звуком во время работы двигателя. Именно по этому звуку можно понять, что в одном либо сразу нескольких цилиндрах происходит детонирование.

Природа возникновения

С тем, что такое детонация двигателя, мы разобрались. Но что служит предпосылкой для ее возникновения?

Детонирует в камере сгорание не только топливо, но и масло, которые при неполном сгорании топливно-воздушной смеси остаются в камере сгорания. Вернемся к процессу горения. Во время начала воспламенения топливно-воздушной смеси от искры, пропорционально распространению фронта пламени, происходит повышение давления в камере сгорания. Также неминуемо повышается температура. В этот момент на периферии, то есть в полости камеры сгорания, куда еще не дошла волна горения смеси, начинаются предпламенные реакции. Иными словами, молекулы бензина начинают распадаться под действием температуры и давления. Распавшиеся частицы топлива очень легко поджечь. Поэтому, если в каком-то месте камеры сгорания температура слишком высока, это провоцирует самопроизвольное воспламенение частиц топлива.

Теперь нам ясны причины детонации двигателя. Но почему скорость ударной волны в процессе детонации намного больше той, что мы имеем после подачи искры? В гражданском двигателе давление в надпоршневом пространстве в момент достижения поршнем ВМТ – порядка 12 атм. Распространяющийся от искры фронт пламени, приводит к увеличению давления оставшейся полости. Поэтому давление, к примеру, около верхней стенки цилиндра может достигать 50-60 Атм. Именно поэтому скорость самовоспламеняющихся частиц гораздо больше тех, которые поджигаются искрой.

Причины

Факторы, провоцирующие появление детонации:

• несоответствие октанового числа топлива;
• несоответствие степени сжатия. Если вследствие проведения ремонтных работ, была увеличена степень сжатия, то заправка прежней маркой бензина может привести к детонации. Допустить такую оплошность очень легко, если шлифовать ГБЦ либо сам блок, а затем установить прежнюю по толщине прокладку ГБЦ. Если вы не хотите «умертвить» мотор, к вопросу степени сжатия стоит подходить очень серьезно. Учтите, что детонация двигателя может проявляться в жаркую погоду либо в определенном диапазоне оборотов;
• УОЗ. Слишком ранний угол может привести к «паразитному» давлению в некоторых местах камеры сгорания, что приведет к самопроизвольным взрывам;
• неправильное соотношение топлива и воздуха. Детонация мотора может возникнуть как в случае обедненной смеси, так и при переобогащении;
• нагар в камере сгорания. Образование отложений способствует закреплению частиц, которые после такта выпуска не покидают камеру сгорания. Сохраняя высокую температуру, они способствуют появлению в цилиндре детонации. Большое количество нагара приводит к заполнению полезного объема камеры сгорания, что может привести к появлению детонации.

Методы борьбы

Учитывая приведенные выше причины детонации, вам нужно следить за состоянием систем питания и зажигания. А также помнить о правилах выбора бензина.

Важнейшие составляющие топлива: изооктан и гептан. Изооктан, на противовес гептану, чрезвычайно устойчив к детонации. Именно соотношение изооктана к гептану и называют октановым числом бензина. Для большинства водителей выбор топлива стоит между АИ 92 либо АИ 95. Так вот 95 либо 92 и есть тем самым соотношением (к примеру, 92% изооктана и 8% гептана). Заправлять автомобиль нужно лишь той маркой бензина, которая рекомендована заводом-изготовителем. На рынке вы можете найти «Октан-корректор» либо «Октан-Бустер». Предназначение этих средств – повысить детонационную устойчивость топлива.

Среди прочих рекомендаций – периодически крутить двигатель до высоких оборотов. Постоянная езда «внатяг» либо работа двигателя  в диапазоне до 2 тыс. км приводит к ускоренному образованию нагара.

Последствия

К основным поломкам можно отнести:

• прогорание либо частичное оплавление поршня, вследствие аномально большой температуры. Также может произойти поломка перегородок между кольцами. Устранить неисправность поможет дорогостоящая капиталка;
• ускоренный износ ЦПГ. Детонация разрушает масляную пленку на стенках цилиндра, что приводит к сухому трению поршней;
• прогорание выпускных клапанов;
• перегрев двигателя;
• повышение температуры турбины, что может привести к ее поломке;
• высокая температура стенок цилиндра и поршня требует от колец проводить через себя большее количество тепла. Слишком высокая температура пагубно влияет на эластичность колец;
• оплавление электрода. Ситуация редкая и случается лишь в крайне запущенном состоянии.

Любителям экономить

Если вы заправляете современный автомобиль 92 бензином, в надежде сэкономить, то вас приятно удивит информация о системе зажигания инжекторного двигателя. Регистрируя возникновение детонации, ЭБУ «отодвигает» УОЗ. Такие меры помогают устранить детонацию, но приводят к потере динамических характеристик автомобиля. Соответственно, повышается расход, что сводит на нет все попытки экономии.

Тюнерам

Также будьте аккуратны с расчетами при форсировании мотора. В особенности детонации подвержены неправильно построенные турбированные моторы. Но не обходит стороной эта проблема и атмосферные ДВС. На отечественных просторах есть любители устанавливать 16-клапанные ГБЦ в моторы с поршневой от 8-клапанных двигателей. Многие даже не подозревают, что 16-клапанные Вазовские моторы имеют масляное охлаждение поршней. Поэтому установка одной лишь ГБЦ чревата увеличением температуры в цилиндре.

Езда внатяг

Движение внатяг – езда под нагрузкой на повышенной передаче. Случается такое, когда водитель резко добавляет газ, будучи на повышенной передаче, когда обороты двигателя не превышают 2500 тыс. Спровоцировать такую ситуацию может затяжной подъем, при котором водитель не сбрасывает скорость, а сильнее нажимает на педаль.

Езда внатяг, особенно на турбированном ДВС с малым объемом, создает благоприятные условия для возникновения детонации. Именно поэтому от такого способа вождения лучше отказаться.

Датчик детонации

Именно этот сенсор регистрирует посторонние резонансные частоты в цилиндре. Ориентируясь на показания датчика детонации, ЭБУ принимает решение о корректировании УОЗ. Если двигатель в исправном состоянии, а в баке правильный вид топлива, то поломка датчика не приведет к появлению детонации. Просто теперь ЭБУ не сможет адекватно реагировать на появление столь негативного явления.

Причины появления детонации в двигателях

Детонация двигателя — явление неприятное и если проблему не решить вовремя, то она может вылиться в дорогостоящий ремонт.

Что это такое? Что происходит при детонации с двигателем?

Обычно, нормальное сгорание бензина в цилиндре – это взаимодействие (на химическом уровне), протекающее в смеси бензиновых паров с воздухом. Чтобы процесс сгорания начался, этой смеси необходимо дать определенное количество стимулирующей энергии. В дизельных моторах для этого создается довольно высокое давление на горючее и температура. Два этих условия способствуют быстрому воспламенению топлива. Все бензиновые двигатели поджигают смесь искрой, которая возникает при помощи свечи. Далее сформировавшееся пламя распространяется по стенке всей камеры сгорания.

В процессе, пока пламя идет к отдаленным зонам камеры сгорания от свечи, может пройти ее самовоспламенение. В следствии, из-за этого может возникнуть небольшая ударная волна. Она встречает по пути подготовленное к сгоранию горючее. Это и есть детонация. Данное явление проявляется в двигателе при больших оборотах и средних. Слабая и не продолжительная нагрузка не оказывает особого вредного воздействия. Более того, чем ближе процесс сгорания в двигателе к детонации, тем больше его продуктивность. Но сильная детонация действует губительно на детали. Дизельные двигатели сжимают топливо намного сильнее, от чего оно невероятно сильно нагревается, и самовоспламеняется. В бензиновых автомобильных моторах сжатие горючего значительно меньше. И, соответственно, температура намного ниже. Следовательно, способность детонировать у дизеля выше, чем у бензиновых агрегатов.

Детонация при выключении.

Иногда, после выключения зажигания, мотор авто может продолжать работу и «дергаться». То увеличивается, то уменьшается частота вращения коленвала. Происходящее в камере может напомнить процесс самовозгорания горючего в дизельном двигателе. Данный процесс называется «дизелинг». Нельзя путать детонацию с дизеллингом. Это совсем другое явление. Причиной детонации современных двигателей, включая ВАЗ, часто является плохое качество горючего и количество в нем примесей. Прежде чем ехать на станцию обслуживания попробуйте сменить заправку. Возможно дело именно в ней.

Средства от детонации

Помогут Вам и дизельные присадки от Liqui Moly смотрите здесь. Топливные присадки из Германии поднимут цетановое число, уменьшат детонационные стуки, облегчат запуск двигателя.

Если детонация продолжается, то необходимо проверить всю топливную систему. Делают это специалисты авто сервиса при помощи компьютерной диагностики. Советуем обратиться в сервис, если детонация сильная. Медлить с этим крайне опасно для вашего двигателя.

Особенности развития процесса детонации в двигателях с искровым зажиганием Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.43.052

ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ ПРОЦЕССА ДЕТОНАЦИИ В ДВИГАТЕЛЯХ С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ

А.В. Мотлохов, к.т.н., НТУ «Х1111»

Аннотация. Рассматриваются физическая сущность понятия «границы» детонации, принцип используемый в основе способов устранения детонации, на конкретных примерах проанализированы причины и механизм разрушения поршня. Сделан вывод о возможности создания бензинового двигателя, не уступающего по экономичности дизелю.

Ключевые слова: двигатель, смесеобразование, сгорание, давление, детонация, разрушение.

Введение

Данная статья продолжает тему детонации в двигателях с искровым зажиганием [1]. В предыдущей части были рассмотрены положения действующей теории детонации, отмечено их недостаточное соответствие реальным процессам, в связи с чем была предложена гипотеза возникновения детонации, в основу которой положено сгорание неоднородной топливовоздушной смеси, при котором создаются условия для образования за фронтом пламени объемов смеси, сгорающих на такте расширения и являющихся очагами (центрами) детонации. Однако опубликованный материал не позволяет ответить на ряд вопросов, связанных с возникновением и развитием детонации. В продолжение предложенной гипотезы рассматриваются дополнительные положения, объясняющие закономерности протекания процесса детонации.

Цель и постановка задачи

В рамках предложенной гипотезы одним из факторов, влияющих на характер сгорания детонационно-опасной части заряда, рассматривается положение «границы» (или порога) детонации. Предполагается, что появление характерного стука при работе двигателя соответствует переходу от «бесшумного» сгорания данной части заряда к взрывному, сопровождающемуся образованием ударных волн, являющихся причиной появления внешних признаков сгорания. Оценка правомерности подобного предположения, определение физической сущности «границы» детонации, факторов, влияющих на ее положение, а также определение причины и механизма разрушения деталей камеры сгорания в процессе детонации является предметом данного исследования.

Оценка уровня давления как основного фактора определяющего характер сгорания детонационно-опасной части заряда

Влияние давления в цилиндре двигателя на участке расширения на характер сгорания отстающих объемов смеси, представляющих собой детонационно-опасную часть заряда, возможно оценить на характерном для рядовой эксплуатации примере — возникновении детонации при использовании топлива несоответствующего качества. В подобной ситуации детонационный стук возникает уже на частичных нагрузках по мере открытия дроссельной заслонки, увеличения действительной степени сжатия и возрастания максимального давления цикла Рг, при достижении которым определенного уровня появляются первые признаки детонации. В данном случае, на первый взгляд, ее появление противоречит положениям предложенной гипотезы, так как не связано с ухудшением дисперсности топливовоздушной смеси, а даже наоборот, с увеличением частоты вращения коленчатого вала увеличивается скорость воздушного потока в системе впуска, улучшаются условия смесеобразования, что сопровождается снижением влияния «внешней» причины, вызывающей нарушение однородности смеси. Однако остается неизмененным влияние «внутренней» причины, связанной с наличием в составе бензина фракций, выкипающих при различной температуре. Необходимо отметить, что влияние данной причины на характер работы двигателя учитывается на стадии проектирования и заключается в согласовании степени сжатия (е) и ОЧ бензина, что определяет требуемый уровень «границы» детонации для обеспечения нормальной работы двигателя на режимах внешней скоростной характеристики.

Следовательно «граница» детонации, по сути, является максимальным давлением при котором детонационно-опасная последняя часть заряда, состоящая из высококипящих фракций, сгорает с нормальной скоростью и не вызывает детонационных явлений. Так как высококипящие фракции (I — 200 °С) постоянно присутствуют в составе бензина и обеспечивают наличие детонационноопасной части в составе топливовоздушной смеси, автором сделано предположение, что при правильном согласовании степени сжатия двигателя и ОЧ топлива сгорание данной части заряда проходит «бесшумно» ниже границы детонации, тогда как в случае нарушения принятого соответствия сгорание проходит выше границы детонации и приобретает взрывной характер. В подобном случае появление детонационных стуков свидетельствует о фазовом изменении в процессе сгорания, вероятной причиной которого является повышение плотности и температуры продуктов сгорания с ростом Р2.

Определить пороговое значение давления соответствующего появлению детонации, а также подтвердить предположение о «бесшумном» сгорании последней части заряда ниже границы детонации, возможно при наличии серии осциллограмм, снятых на различных этапах развития детонации с одновременной регистрацией внутри-цилиндровых процессов и внешнего звукового проявления. Теоретически, по расположению детонационных пиков на линии расширения, они должны иметь следующий вид. На режиме, сопровождающемся интенсивной детонацией, «гребенка» пиков начинается от Р2 (диаграммы подобного типа являются наиболее распространенными и приведены в [1]). С уменьшением интенсивности детонации «гребенка» пиков будет смещаться от Р2 и на осциллограмме, соответствующей режиму на котором исчезнет стук, первый детонационный пик должен располагаться на существенном удалении от Р2, что будет соответствовать преддетонационному режиму работы с «бесшумным» сгоранием последней части заряда.

Подобную серию осциллограмм необходимо отснять, но предварительно характер изменения давления в цилиндре двигателя на такте расширения на преддетонационных режимах возможно оценить по серии осциллограмм, снятых автором при проведении исследований двигателя, оснащенного пневматической системой топливопода-чи, с разделенной камерой сгорания и повышенной степенью сжатия (е = 10) при работе на низкооктановом бензине, рис.1. Режимы работы двигателя на представленных осциллограммах являются преддетонационными, так как установка режимов осуществлялась по устранению детонационных стуков, возникающих при переходе к очередному режиму. Наличие детонационных пиков на осциллограммах режимов, не сопровождающихся внешним проявлением детонации,

подтверждает тезис о возможности «бесшумного» сгорания детонационно-опасной части заряда.

I 1“

ВМТ

Ре = 0,2 МПа 0з = 14° до ВМТ

отметка времени — 1 мс

Ре = 0,4 МПа 0з = 2° до ВМТ

Рис.1. Осциллограммы преддетонационных режимов работы двигателя, п = 2000 мин-1

Анализ представленных осциллограмм также показывает, что при изменении всех показателей цикла с изменением режима работы, остается постоянной длительность задержки сгорания отстающих объемов смеси тд, соответствующая промежутку времени от момента зажигания (МЗ) до подъема линии расширения в основании первого детонационного пика. Данная закономерность объясняет принцип устранения детонации путем коррекции угла опережения зажигания (УОЗ) — обеспечивается смещение сгорания детонационно-опасной части заряда ниже границы детонации.

Устранение детонации путем коррекции УОЗ является эффективным способом борьбы с данным явлением. Уточнив принцип, лежащий в его основе, логично предположить, что механизм действия антидетонатора при добавлении к бензину аналогичен применению поздних УОЗ и также смещает сгорание последней части заряда ниже границы детонации. Данное предположение возможно объяснить с точки зрения принципа действия веществ подобного рода, который заключается в замедлении протекания предпламенных окислительных реакций, препятствуя самовоспламенению топлива. Однако данный эффект при использовании высокооктановых этилированных бензинов оказывает положительное влияние не на этапе формирования первичного очага воспламе-

нения, как это принято считать, а на этапе подготовки к сгоранию отстающих объемов топливовоздушной смеси, сгорающих за ВМТ после достижения Рг, когда за счет замедления развития предпламенных реакций в них, давление в цилиндре двигателя успевает снизиться и последующее сгорание детонационно-опасной части заряда проходит ниже границы детонации, что объясняет механизм действия антидетонатора в составе бензина.

Рассмотрим особенность работы двигателя вблизи границы детонации, неоднократно отмеченную при исследованиях бензиновых двигателей и сформулированную в источнике [2] следующим образом «…достижение наивысшей мощности и наилучшей экономичности на пороге слышимой детонации». Положительное влияние преддето-национных явлений на показатели работы двигателя объясняется ускорением процесса сгорания вследствие «…возникновения ударных волн незначительной амплитуды». Однако причину улучшения показателей работы двигателя возможно объяснить с другой точки зрения. Прежде всего, на основании исследований проведенных автором, следует продолжить приведенный выше тезис об улучшении показателей с приближением к порогу детонации — тенденция роста сохраняется и после появления стука, что важно для выяснения причины их улучшения. В частности, сгорание последней части заряда независимо от его характера вызывает повышение давления в цилиндре на участке расширения и тем большее, чем оно (сгорание) ближе к Рг, что следует рассматривать дополнительным количеством полезной работы в цикле за счет увеличения полноты сгорания топлива. Данный вывод объясняет причину улучшения показателей работы с приближением сгорания последней части заряда к порогу детонации и выше к значению Р2 — растет эффективность сгорания отстающих объемов смеси, растет количество дополнительной полезной работы. В этой связи необходимо отметить, что неэффективное сгорание последней части заряда ниже границы детонации возможно является основным источником образования несгоревших углеводородов СпНт в продуктах сгорания.

Влияние конструкции камеры сгорания на характер протекания процесса детонации

«Граница» детонации для каждого типа двигателя имеет вполне определенный уровень, при этом, за счет турбулизации заряда в процессе смесеобразования, возможно некоторое ее повышение, что соответствует повышению антидетонационных качеств двигателя. Положительный эффект тур-булизации заключается в улучшении испарения топлива в составе смеси и ее гомогенизации, что уменьшает вероятность образования очагов детонации. Для обеспечения турбулизации заряда в

камерах сгорания предусматривается применение вытеснителей. В целом конструкция камеры сгорания, включающая вытеснитель и объем той или иной формы, обеспечивает определенный механизм смесеобразования, который влияет не только на смещение границы детонации, но и определяет длительность работы двигателя до его разрушения в случае возникновения детонации. Подобный вывод сделан автором на основании следующих предпосылок. В источнике [3] имеется информация о том, что только через «… 10 часов непрерывной работы экспериментального двигателя удалось обнаружить едва заметные следы эрозии на поверхности поршня, в то время, как интенсивность детонационного стука буквально пугала участников эксперимента». В другом случае, при проведении исследований в лаборатории кафедры двигателей НТУ «ХПИ», при переменной интенсивности детонации, поршень опытного двигателя прогорел через час работы. Вероятно, различие в последствиях детонационного сгорания смеси зависит от положения очага детонации относительно днища поршня, формирование которого зависит от механизма смесеобразования. В источнике [3] не упоминается конструкция камеры сгорания, в которой детонация не приводит к разрушению поршня, но важен факт, что это возможно.

Рассмотрим механизм смесеобразования в известной камере сгорания опытного двухтактного двигателя НТУ «ХПИ». При проведении исследований использовалась камера сгорания полусферической формы, расположенная в головке цилиндра со смещением относительно оси цилиндра, что позволяет получить в конструкции камеры вытеснитель достаточно большой площади. Подача топлива осуществлялась непосредственно в объем камеры сгорания, рис. 2. Двигатель имел высокую действительную степень сжатия, порядка е = 9,5 г 10, испытания проводились на низкооктановом бензине. В данном случае возможен следующий механизм смесеобразования — топливо при впрыскивании оседает на поверхность камеры сгорания в зоне А в виде пятна, примерно постоянной площади, но с различной толщиной пленки, зависящей от величины цикловой подачи. При незначительной толщине пленки топливо испаряется с горячей поверхности камеры к моменту воспламенения, что обеспечивает нормальное протекание процесса сгорания на режимах малой и средней мощности. При увеличении мощности более 0,6Летах работа двигателя начинает сопровождаться детонацией, появление которой связано с ухудшением испарения топлива при увеличении толщины пленки с ростом цикловой подачи. Частицы топлива уносятся воздушным потоком, движущимся вдоль образующей камеры сгорания и в зоне В, где поток меняет направление частицы, по инерции, оседают на днище поршня. Сгорание данной части топливного заряда происходит по мере испарения и сопро-

вождается задержкой относительно сгорания основной массы смеси в объеме камеры сгорания. При этом, если сгорание отстающей части заряда проходит выше границы детонации, то оно имеет взрывной характер и представляет собой совокупность отдельных микровзрывов от сгорания каплевидных объемов смеси образовавшихся на поверхности поршня после испарения частиц топлива, причем, каждый микровзрыв сопровождается выбиванием металла с поверхности поршня в зоне оседания, что привело к образованию сквозного отверстия в зоне В. О разрушении поршня подобным образом свидетельствует большое количество мельчайших частиц алюминия, покрывающих детали камеры сгорания. Необходимо отметить, что данный механизм разрушения аналогичен процессу, происходящему при схлопывании пузырьков воздуха на поверхности рабочих органов гидромашин, образовавшихся вследствие процесса кавитации.

Рис. 2. Механизм смесеобразования в камере сгорания двигателя, поврежденного детонацией

Оседание жидких частиц топлива на поверхность поршня в процессе смесеобразования следует рассматривать основным фактором, вызывающим его последующее разрушение. Подобный вывод позволяет объяснить причину, по которой поршень экспериментального двигателя (по материалам [3]) не разрушился в результате 10-часового воздействия детонации — испарение и сгорание последней части топливного заряда происходило в объеме камеры сгорания при взвешенном состоянии частиц топлива.

В отношении различных последствий детонации представляет интерес случай разрушения боковой поверхности поршня в зоне пояса колец. Вероятной причиной разрушений подобного рода является попадание топлива в канавки поршневых колец со стенки цилиндра, где за счет теплоты поршня происходит его испарение, а дальнейшее взрывное сгорание в ограниченных объемах технологических зазоров приводит к образованию трещин в перемычках между канавками колец. Попадание же топлива на стенку цилиндра при наличии капель в составе топливовоздушной смеси практически неизбежно, так как на входе сме-

си в цилиндр двигателя капли, двигаясь вдоль образующей клапана, как по трамплину, по инерции достигают стенки цилиндра.

Попадание топлива по приведенному механизму возможно и в зазор между блоком цилиндров и головкой на металлическую окантовку уплотнительной прокладки. Описание случая разрушения прокладки в непосредственной близости от тарелки впускного клапана и возможная причина разрушения приведены в источнике [2]. Альтернативной причиной разрушения может рассматриваться взрывное сгорание локальных объемов смеси, образовавшихся после испарения частиц топлива, попавших на торец прокладки. Факты, подтверждающие наличие жидких частиц топлива в зоне разрушения, приведены при описании обстоятельств разрушения — поступление топливной пленки из впускного коллектора.

Заключение

Использование положений рассмотренной гипотезы о причинах и особенностях развития детонации в двигателях с искровым зажиганием позволило автору обобщить имеющийся опыт конструирования камер сгорания и организации процесса смесеобразования и разработать высокоэффективный процесс, позволяющий получить однородную топливовоздушную смесь к моменту воспламенения, и исключить вероятность образования очагов детонации даже при работе двигателя на смесях мощностного состава. В случае реализации данного рабочего процесса становится реальной идея создания двигателя нечувствительного к изменению октанового и цетанового числа топлива, а также следует ожидать существенного улучшения эколого-экономических показателей двигателей с искровым зажиганием, за счет увеличения степени сжатия и (или) применения наддува, в сравнении не только с лучшими образцами выпускаемых бензиновых двигателей, но и с вихрекамерным дизелем.

Литература

1. Мотлохов А. В. К вопросу о причинах детона-

ции в двигателях с искровым зажиганием // Автомобильный транспорт. — 2005. — Вып.17. — С. 55-60.

2. Воинов А.Н. Сгорание в быстроходных порш-

невых двигателях. Изд. 2-е перераб. и доп. -М.: Машиностроение, 1977. — 277 с.

3. Топливная экономичность автомобилей с бен-

зиновыми двигателями / Под ред. Д. Хиллиарда / Пер. с англ. — М.: Машиностроение, 1988. — 504 с.

Рецензент: Ф.И. Абрамчук, профессор, д.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 2 марта 2006 г.

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.

Детонация и предварительное зажигание — Savvy Aviation Resources

Эти два аномальных явления горения, которые часто путают и неправильно понимают, столь же различны, как ночь и день.

Майка Буша

Хотя мы часто слышим, как люди описывают то, что происходит внутри цилиндров двигателя с циклом Отто, как взрыв, то есть насильственное, почти мгновенное событие, это не так. Воздушно-топливный заряд не взрывается при воспламенении от свечей зажигания, а скорее горит упорядоченным образом, начиная от свечей зажигания и продвигаясь по камере сгорания, пока он не гаснет при достижении стенок цилиндра и днища поршня в воздушно-топливном режиме. заряд полностью израсходован и гореть больше нечего.Событие возгорания занимает значительный период времени — примерно 6 миллисекунд или 90 ° вращения коленчатого вала, плюс-минус.

Очень важно, чтобы пиковое давление происходило за пределами ВМТ, потому что геометрия коленчатого вала и шатуна около ВМТ не позволяет преобразовать давление сгорания в полезную работу (например, вращение коленчатого вала), а просто создает чрезмерное напряжение в цилиндре, поршне , шатун и коленчатый вал. На рисунке 2 делается попытка драматизировать этот момент.

Детонация

Но если процесс сгорания протекает слишком быстро и пик давления возникает слишком рано, результатом может быть избыточное давление, чрезмерные температуры и нестабильные импульсы давления, известные как «детонация».Это потому, что, когда поршень находится в непосредственной близости от ВМТ, он не может двигаться вниз в цилиндре, чтобы сбросить давление (и в процессе выполнить некоторую полезную работу). Неровный вид верхнего следа на Рисунке 4 с шипами является характерным признаком давления детонации.

В автомобиле мы обычно слышим детонацию в виде слышимого «стука». В самолете мы не можем — слишком много шума — но мы можем наблюдать его на мониторе двигателя в виде чрезмерного CHT и пониженного EGT.

Детонация — это то, что происходит около точки пикового давления в событии сгорания, после того, как воздушно-топливный заряд нормально воспламеняется свечами зажигания. Он характеризуется аномальными скачками давления около точки пикового давления, вызванными самопроизвольным возгоранием конечного газа из-за чрезмерной температуры и давления.

Вопреки тому, что вам сказали CFI или A&P, детонация не обязательно опасна. Многие двигатели довольно регулярно работают в режиме легкой детонации, а некоторые могут выдерживать умеренную детонацию в течение продолжительных периодов времени без повреждений.Детонация — не оптимальная ситуация, но она не обязательно разрушительна. Чем выше удельная мощность двигателя, тем больше вероятность, что он получит повреждения от детонации. Двигатель, который производит 0,5 л.с. / дюйм3 (лошадиных сил на кубический дюйм рабочего объема) — что типично для большинства карбюраторных авиационных двигателей — обычно может выдерживать умеренные уровни детонации без повреждений, но двигатели с турбонаддувом с большим наддувом мощностью 0,625 л.с. / дюйм3 или более могут быть довольно быстро повреждены детонацией.

Когда происходит детонационное повреждение, оно обычно проявляется в виде трещин (электродов свечи зажигания и изоляторов, а иногда и поршневых колец и площадок), точечной коррозии (обычно головки поршня) и / или теплового повреждения (часто юбки поршня). задиров и оплавление углов поршня).

Как пилоты, мы обычно можем избежать таких повреждений, если будем предупреждать о чрезмерном CHT и пониженном EGT, которые характерны для детонации, и быстро реагировать снижением мощности и переходом на полностью обогащенную смесь. Здесь очень важен контроль двигателя — иначе вы не сможете увидеть CHT пяти из шести цилиндров, а программирование сигнала тревоги CHT на срабатывание при 400 ° поможет привлечь ваше внимание и предпринять соответствующие действия.

Предварительное зажигание

«Предварительное зажигание» — это еще одно событие ненормального возгорания, которое часто путают с детонацией, но на самом деле это совершенно другое.Предварительное зажигание — это зажигание топливовоздушной смеси перед зажиганием свечи зажигания. Каждый раз, когда что-то вызывает воспламенение смеси в камере до возгорания свечей зажигания, это классифицируется как преждевременное зажигание. Источником воспламенения может быть перегретый наконечник свечи зажигания, нагар или свинец в камере сгорания или (редко) сгоревший выпускной клапан — любая из этих вещей может действовать как свеча накаливания, преждевременно воспламеняя заряд.

Такое горячее пятно в камере может воспламенить заряд, в то время как поршень находится на очень ранней стадии сжатия.Результат: значительную часть всего такта сжатия двигатель пытается сжать горячую массу расширяющегося газа. Это, очевидно, создает огромную механическую нагрузку на двигатель и передает большое количество тепла алюминиевой головке поршня и головке блока цилиндров. Существенный ущерб почти неизбежен.

Детонация вызывает очень быстрый скачок давления около точки пикового давления на очень короткий период времени. Предварительное зажигание вызывает огромное давление, которое присутствует в течение очень долгого времени — возможно, на всем такте сжатия.Мало того, что преждевременное возгорание гораздо опаснее, его гораздо труднее обнаружить. Фактически, обычно вы узнаете об этом только после того, как двигатель будет катастрофически поврежден.

Двигатели могут выдерживать детонацию в течение значительных периодов времени, но не существует двигателя, который мог бы прожить очень долго при преждевременном воспламенении. Двигатель не будет работать более нескольких секунд с предварительным зажиганием. Если вы видите коронку поршня, которая выглядит обработанной пескоструйным аппаратом, или трещину на кольце, вероятно, это было вызвано сильным детоатом.Если вы видите расплавленное отверстие в середине днища поршня, это, вероятно, было вызвано преждевременным зажиганием. Другими признаками преждевременного воспламенения являются свечи зажигания с расплавленными электродами или изоляторы, забрызганные расплавленным металлом. На рис. 5 показан пример серьезных повреждений, вызванных преждевременным зажиганием.

Предварительное зажигание, вызванное детонацией

Хотя детонация и преждевременное зажигание — это два совершенно разных явления, сильная детонация может вызвать преждевременное зажигание. Если двигатель работает в режиме сильной детонации в течение значительного периода времени, чрезмерные температуры и скачки давления (которые нарушают обычный защитный пограничный слой) могут вызвать перегрев электродов свечей зажигания и других предметов в камере сгорания до точки, при которой они запустятся. раскалиться докрасна.В этот момент светящийся предмет может вызвать преждевременное возгорание и быстрое разрушение цилиндра. После разборки судебно-медицинский анализ выявит явные признаки как детонационного, так и предварительного воспламенения повреждений, хотя в конечном итоге именно предварительное зажигание привело к неисправности двигателя.

В другой статье мы более подробно рассмотрим процесс нормального сгорания и исследуем, как использование нами элементов управления двигателем — дроссельной заслонки, смеси и пропуска — влияет на то, что происходит внутри цилиндра.

© 2007-2013 — Майкл Д.Busch — Все права защищены.

Детонация против преждевременного зажигания

Есть много способов испортить отличный двигатель, но сегодня я просто хочу поговорить о двух из самых жестоких. Детонация и предварительное зажигание, которые часто меняются местами и / или используются для описания одного и того же, на самом деле являются совершенно разными вещами, которые приводят к одинаковым результатам. Оба они называются ненормальным сгоранием, и они очень вредны для вашего двигателя. Чтобы лучше объяснить как детонацию, так и предварительное зажигание, мне нужно также объяснить нормальное горение.

Нормальное сгорание:

Нормальное горение — это горение топливовоздушной смеси в камере сгорания. Нормальное сгорание начинается с того, что фронт пламени возникает у свечи зажигания и равномерно и равномерно распространяется наружу по камере сгорания. Это очень похоже на надувание воздушного шара. Когда вы дуетесь, воздушный шар очень контролируемо и равномерно расширяется от источника воздуха. В идеальном мире сгорание сжигает весь воздух и топливо в цилиндре, не оставляя никого позади (это происходит со стехиометрической смесью лямбда-1).Тепло от сгорания передается от фронта пламени к поршню, от поршня к стенке цилиндра и оттуда в систему охлаждающей жидкости. Распространенное заблуждение о горении состоит в том, что речь идет о взрыве. Это просто неправда … В идеале, когда свеча зажигания зажигает смесь, пламя заполняет цилиндр очень быстро, но очень контролируемым образом.

Детонация:

Определение: Самовозгорание отходящего газа или оставшейся топливно-воздушной смеси в камере.

Детонация всегда возникает после того, как свеча зажигания начала нормальное сгорание. Обычное горение расширяется, но газы на краю фронта пламени сжимаются и начинают спонтанно воспламеняться. Вероятно, это вызвано чрезмерным нагревом и давлением. Однако самое важное, что нужно помнить о детонации, это то, что она возникает после того, как фронт пламени был инициирован свечой зажигания.

Есть много факторов, которые вместе создают идеальный сценарий взрыва.Хотя конструкция двигателя и октановое число топлива играют важную роль, наиболее распространенным причинным фактором является слишком большой опережение зажигания. Чрезмерно опережающий угол опережения зажигания приводит к слишком быстрому зажиганию, что приводит к слишком быстрому увеличению давления. Это очень высокий / очень резкий скачок давления, который часто приводит к повреждению двигателя.

Как вы можете видеть на изображении, график вверху имеет плавный профиль давления и может считаться нормальным сгоранием. Однако на нижнем графике показано нормальное повышение давления до тех пор, пока детонация не произойдет даже после искры.Затем вы видите большой скачок давления из-за ненормального сгорания. Этот скачок давления заставляет структуру двигателя резонировать, как будто это камертон. Этот резонанс улавливается датчиком детонации и передается в ЭБУ.

Датчики детонации

— большой повод для беспокойства у многих энтузиастов. Возможность видеть то, что они видят, с помощью устройства мониторинга, такого как Cobb Tuning AccessPort, дает людям возможность всегда видеть, что происходит с их движком. Это окно позволяет вам увидеть то, что вы обычно никогда не замечаете или о чем не заботитесь.Меня очень часто спрашивают о продолжающейся детонации при частичном открытии дроссельной заслонки. К счастью, детонация не всегда разрушительна. Низкие уровни детонации происходят постоянно и даже могут поддерживаться в течение длительных периодов времени без нанесения ущерба. Частичный стук дроссельной заслонки является нормальным явлением для различных автомобилей и, хотя иногда он может быть вызван фактической детонацией, в большинстве случаев это просто шум, поскольку двигатель резонирует при определенных оборотах в минуту. Это также будет проявляться в точках переключения передач, когда двигатель значительно перемещается между переключениями передач на WOT, и это не должно вызывать беспокойства.Однако детонация становится серьезным поводом для беспокойства, когда вы начинаете работать с более высокими нагрузками. Если вы видите значительный стук в широко открытой дроссельной заслонке (WOT), вам следует обратиться к своему тюнеру.

Повреждение: Есть несколько основных неисправностей, вызванных детонацией. Меньшей из точек неисправности является точечная коррозия или истирание днища поршня. Вы также увидите эту ямку на выпускных клапанах, так как это более горячая сторона цилиндра, при этом воздушно-топливная смесь охлаждает сторону впуска.Ямка выглядит так, как будто в поршень попала птица, выстрелившая из дробовика.

Еще одна точка повреждения от детонации — это приземление кольца. Часто под резкими скачками давления вы получаете раздавленные или сломанные кольцевые площадки. В менее тяжелых случаях вы все равно увидите разорванные кольца. Это часто случается с литыми поршнями, поскольку они никогда не были предназначены для того, чтобы выдерживать такое давление в цилиндре, особенно такие внезапные и резкие изменения давления.

Вместе с детонацией приходит тепло.Скачки давления разрушают пограничный слой газа, который гасит фронт пламени и защищает относительно холодный поршень от относительно горячего сгорания. По мере того, как этот пограничный слой разрушается и все больше и больше тепла поглощается поршнем, вы увидите деформацию поршня и задиры на стенках цилиндра, что неизбежно приведет к необходимости ремонта двигателя. Из-за этого вы также увидите более высокие температуры охлаждающей жидкости, поскольку системе охлаждающей жидкости приходится выполнять больше работы с избыточным теплом.

Индикаторы: Слышны более высокие уровни детонации, они будут звучать так, как будто четвертаки стучат по стеклу. Вы не можете услышать его в большинстве новых автомобилей из-за изолированной кабины, поэтому, когда вы его слышите, это, скорее всего, более высокий уровень стука. Если у вас есть устройство настройки, которое отслеживает замедление детонации, такое как Cobb Tuning Accesport, вы видите только реакцию двигателя на воспринимаемый шум. Однако стоит обратить внимание на то, что двигатель по какой-то причине пытается спастись за счет уменьшения опережения зажигания.

Предварительное зажигание:

Определение: Предварительное зажигание — это воспламенение топливно-воздушной смеси перед воспламенением свечи зажигания.

Событие преждевременного воспламенения выглядит примерно так…

Топливо-воздушная смесь поступает в камеру сгорания, когда поршень находится на такте впуска вниз. Затем поршень возвращается вверх для такта сжатия. Чем более сжатая смесь, тем труднее ее зажечь, поэтому, когда поршень находится на нижней стороне такта сжатия, смесь фактически легче воспламеняется, чем когда она приближается к верхней мертвой точке (ВМТ).Горячее пятно в цилиндре, такое как раскаленный наконечник свечи зажигания, может воспламенить эту смесь с низким уровнем сжатия очень рано, до того, как загорится свеча зажигания. Теперь движение поршня вверх борется с расширяющейся силой сгорания. Это добавляет огромное количество тепла и нагрузки к двигателю, и по этой причине предварительное зажигание отвечает за гораздо более высокое давление в цилиндре, чем детонация. Давление от предварительного зажигания не такое быстрое, как при детонации. Напротив, давление очень высокое и длится гораздо дольше.

Повреждение: Повреждение от предварительного воспламенения намного более серьезное и мгновенное, чем от детонации. Как правило, при предварительном зажигании вы увидите расплавленные отверстия в поршнях, расплавленные свечи зажигания, а отказ двигателя происходит практически сразу.

Из-за большей продолжительности нагрева и давления, вызванных предварительным зажиганием, вы заметите намного больше расплавленных деталей, тогда как при детонации вы получите больше деталей, которые просто разнесутся на части.

Индикаторы: На самом деле нет никаких предупреждающих знаков с предварительным зажиганием.Лучшее, что вы можете сделать, чтобы предотвратить это, — убедиться, что двигатель настроен, а также минимизировать возможные горячие точки. От OEM-производителей автомобили поставляются с соответствующими диапазонами нагрева свечей зажигания и всеми настройками, позволяющими минимизировать / исключить преждевременное зажигание. Поэтому убедитесь, что у вас есть правильные свечи зажигания и правильные зазоры, важно при замене свечей и добавлении большего наддува и, следовательно, более высоких температур цилиндров в вашу камеру сгорания.

Неправильное понимание причин детонации в высокопроизводительных приложениях

В мире настройки двигателей детонация определяется как одно из следующих: возгорание, вызывающее повреждение двигателя; горение, вызывающее стук или звон; или возгорание, которое вызывает потерю мощности, раскачивание или толчки.Детонация не контролируется и часто нежелательна. Это происходит, когда топливо в цилиндре самовоспламеняется за пределами предполагаемого фронта пламени искрового воспламенения.

Детонация не всегда наносит урон. При более низких нагрузках на двигатель при частичном открытии дроссельной заслонки или низких оборотах может потребоваться детонация. Например, в конце 70-х и 80-х годах стук во время нормальной работы был обычным явлением для карбюраторных двигателей. Определенные компромиссы в конструкции впускного коллектора в сочетании с дымовым оборудованием приводили к тому, что обедненные топливные смеси горели за пределами контролируемого фронта пламени от свечи зажигания.

Иногда происходит небольшая детонация, которую не слышно через глушители при низкой нагрузке или даже при громком открытом выхлопе. Сильная детонация вызывает более сильный шум во время загрузки двигателя, когда дроссельная заслонка открыта и двигатель сильно крутится при большой нагрузке.

Детонация и преждевременное зажигание

Предварительное зажигание — это самовоспламенение топливно-воздушной смеси перед воспламенением свечи зажигания. Самовоспламенение происходит в месте цилиндра за пределами контролируемого фронта пламени от искрового воспламенения.

Точно так же детонация — это самовоспламенение топлива, обычно после возгорания свечи зажигания. Подобно преждевременному зажиганию, детонация происходит за пределами контролируемого фронта пламени от свечи зажигания. Термин детонация часто используется гонщиками как предварительное зажигание (до искры), так и неконтролируемое горение после искры. Такое же соглашение используется в этой статье.

Этот рисунок взят из 5000 лошадиных сил на метаноле (Боб Сабо, Szabo Publishing, 2006), на котором показаны температуры самовоспламенения для различных видов топлива для гонок.

И преждевременное зажигание, и детонация связаны с самовоспламенением топлива. У них есть общие характеристики, такие как очень высокая скорость горения, которые сопоставимы со скоростями взрывоопасного пламени. К ним относятся дульные скорости огнестрельного оружия или скорости сгорания взрывчатых веществ — обычно значительно превышающие 1000 футов в секунду. Высокая скорость вызывает шум из-за столкновения фронтов давления внутри цилиндра.

Детонация и частота вращения

Детонация может быть замаскирована на более высоких оборотах высокочастотным шумом, например, при открытии выпускного клапана.Это может быть настолько кратковременным явлением, что оно не приведет к повреждению до открытия выпускного клапана, сброса давления в цилиндре и прекращения детонации.

При более низких оборотах двигателя время между детонацией и открытием выпускного клапана больше, поэтому детонация более заметна. По мере увеличения числа оборотов может показаться, что детонация уходит из-за более коротких интервалов между детонацией и открытием выпускного клапана.

Двигатели

Racing в 30-40-х годах работали на бензине с более низким октановым числом, поскольку бензин с более высоким октановым числом еще не был разработан.Топливо с более низким октановым числом было восприимчиво к детонации, поскольку гонщики повышали степень сжатия двигателя для большей мощности. Детонация была особенно заметна при низких оборотах двигателя. Для борьбы с низкоскоростной детонацией эти ранние гоночные двигатели постоянно увеличивали частоту вращения до более высоких оборотов, чтобы подавить эффекты детонации.

Если двигатель по ошибке был затянут буксиром, детонация может привести к снижению производительности и возможному повреждению двигателя. В результате водители, приходящие в боксы для обслуживания, постоянно гасили свои двигатели.Для многих успешных гонщиков отключение сцепления при запуске из боксов стало настоящим искусством. При запуске в ямах был большой риск остановки двигателя из-за недостаточного пробуксовки сцепления, низкого крутящего момента двигателя на низких оборотах и ​​детонации на низких оборотах.

Наилучшие характеристики современных бензиновых двигателей достигаются при использовании смеси гоночных бензинов с октановым числом достаточно высоким, чтобы избежать детонации. Смесь бензина с более высоким октановым числом обычно не увеличивает производительность сама по себе.Вместо этого более низкая скорость горения высокооктанового бензина часто фактически снижает производительность двигателя без внесения других изменений, направленных на использование более высокого октанового числа.

Требуемое октановое число

бензина является характеристикой конкретного рабочего диапазона оборотов. Если этот диапазон изменить, может потребоваться гоночный бензин с другим октановым числом. Например, если двигатель проводит больше времени под нагрузкой при более низких оборотах двигателя, двигатель может столкнуться с детонацией, в то время как он не будет детонировать при той же нагрузке выше в диапазоне оборотов.Гоночный бензин с более высоким октановым числом может потребоваться для борьбы с потенциальной детонацией при работе в более низком диапазоне оборотов.

Иллюстрации из 5000 лошадиных сил на метаноле , показывающие зависимость давления в цилиндре от угла поворота коленчатого вала для хорошего сгорания слева и детонации справа.

Диссоциация от горения

Топливо диссоциирует или распадается на различные промежуточные химические вещества во время сжатия, нагрева и сгорания. Эти промежуточные химические вещества могут изменить температуру самовоспламенения смеси по сравнению с исходным топливом.Часто неправильный запрос на настройку делается из-за детонации, предполагая, что данные основаны только на свойствах основного топлива, когда следует учитывать изменения температуры самовоспламенения из-за диссоциации.

В дрэг-рейсинге с обдувом спиртом участники с более высоким статическим сжатием обычно должны использовать более богатую смесь, чем участники с более низким статическим сжатием, чтобы предотвратить детонацию. Однако есть момент, когда потребность в дополнительном обогащении снижается. Один из конкурентов сообщил, что после определенного момента увеличения компрессии дальнейшее обогащение не требуется, в то время как двигатель выдает больше мощности с большей степенью сжатия.Он продолжил улучшать компрессию и достиг национального рекорда. В какой-то момент сверхвысокое сжатие фактически предотвращало образование чувствительных к детонации диссоциатов.

Диссоциировать Причины детонации

При использовании различных видов гоночного топлива некоторые из ранее описанных диссоциированных образований могут быть более подвержены детонации, чем другие. Настройка может повлиять на сжатие и нагрев, что повлияет на то, какие диссоциаты образуются, даже с тем же топливом.Эти диссоциаты затем влияют на чувствительность к детонации. Кроме того, изменения плотности воздуха влияют на настройку, что, опять же, влияет на диссоциацию в порочном круге.

Например, изменение точки закрытия впускного клапана в гоночном двигателе с искровым зажиганием изменит эффективное динамическое сжатие. Изменение сжатия изменяет адиабатический нагрев и давление от сжатия. Чувствительность к детонации или от нее может быть вызвана чем-то столь же простым, как замена распредвала или даже просто замедление или опережение фаз газораспределения.

На этой иллюстрации из 5000 л.с. на метаноле показана взаимосвязь между степенью сжатия и соотношением воздух / топливо для работы без детонации для гоночного топлива на метаноле. Точки данных от (a) до (e) были получены для различных гоночных двигателей. Эта кривая также зависит от надлежащего уровня обогащения для замедления самовоспламенения, что дополнительно описано в справочной информации.

Изменения давления, вызывающие Зажигание

Давление изменяет температуру самовоспламенения топлива и его диссоциации, что может вызвать детонацию.Температура самовоспламенения диссоциированного топлива может быть ниже, чем температура самовоспламенения топлива перед его разрушением, что может сбивать с толку при просмотре данных только для топлива.

Во время сжатия, допустим, температура смеси воздуха и диссоциированного топлива ниже температуры самовоспламенения. Волна давления, генерируемая в цилиндре, может препятствовать воспламенению этой смеси. Однако когда волна давления проходит через цилиндр, она может вызвать изменение температуры самовоспламенения смеси.Самовоспламенение может происходить по мере прохождения волны давления из-за сопутствующего падения температуры самовоспламенения, строго из-за изменения химической чувствительности. Кроме того, изменения в головке блока цилиндров из-за сдавливания поршня или открытия впускного клапана могут изменить формирование волны давления и повлиять на общую чувствительность к детонации комбинации.

Выемка для уплотнительного кольца на этой использованной медной прокладке головки вокруг отверстия цилиндра показывает начало прожога на плотной сопрягаемой поверхности уплотнительного кольца непосредственно перед взрывом от топливной смеси нитрометан-метанол.Обогащение этого цилиндра и новая прокладка головки позволили избежать повторения проблемы. Фото: Blown Nitro Racing с бюджетом (Боб Сабо, Szabo Publishing, 2013).

Диссоциация с различными видами топлива

Бензин

Согласно записям покойного Гарри Рикардо (Высокоскоростной двигатель внутреннего сгорания, 3-е издание, Blackie & Son Limited, 1950), который был экспертом в области технологий сгорания, нестабильные пероксиды образуются в виде промежуточных диссоциатов при сгорании бензина, что и происходит. быть очень подверженным детонации.Тетраэтилсвинец — это химически активная металлическая добавка, которая подавляет детонацию этих нестабильных пероксидов. Кроме того, различные компоненты бензинового топлива, используемые в обычных смесях, обладают разными диссоциативными свойствами, что помогает бороться с образованием нестабильных пероксидов. Примерами используемых компонентов являются пентан, гексан и толуол.

Смешивание топлива в современных бензинах выполняется для достижения детонационной стойкости, помимо других характеристик. Некоторые марки бензина для гонок также смешаны с тетраэтилсвинцом с той же целью.Другие характеристики, такие как химическая стабильность, легкость испарения, позволяющая запустить двигатель, и стоимость производства, часто ограничивают добавки и соотношения в смеси. Эти ограничения могут поставить под угрозу способность одних марок бензина к детонации по сравнению с другими при данных обстоятельствах. Идеальный результат — это смесь, наиболее подходящая для конкретных гоночных требований, и почему существует так много различных вариантов гоночного бензина.

Бензиновые смеси, продаваемые на заправочной станции, чаще всего имеют сезонные изменения в соотношении компонентов смеси и содержании топлива.Зимний бензин смешивается для облегчения запуска, а летний бензин предназначен для предотвращения образования паровых пробок. Различные сезонные смеси изменяют характеристики диссоциации и детонации, и их необходимо учитывать в прикладной программе. Бензин для насосов, приобретенный в одном сезоне, может столкнуться с проблемами детонации, если он будет использоваться в другом сезоне, из-за разницы в смеси.

Этанол-бензиновые смеси (E85)

E85 — это преимущественно (85%) этанол с добавлением небольшого количества (15%) бензина.Высокое эффективное октановое число, содержащееся в этаноле, подавляет детонацию в гоночном двигателе с высокой степенью сжатия, если соотношение воздух / топливо богатое. Это будет лямбда меньше единицы в компьютерном мире EFI. Богатая спиртовая топливная смесь также охлаждает цилиндр от температуры самовоспламенения. Такое богатое соотношение воздух / топливо может работать с преобладающим спиртовым топливом, поскольку спирт не загрязняет свечу зажигания, как это может делать другие виды топлива. Однако чрезмерное богатство снижает выходную мощность, поэтому настройка соотношения воздух / топливо имеет жизненно важное значение.С другой стороны, чрезмерно богатые смеси могут слишком сильно охладить воздухозаборник, подавляя испарение и вызывая детонацию из состояния обедненной паром. Это результат избыточной конденсации топлива при охлаждении.

Метанол

Метанол, как и этанол, будут диссоциировать на водород и окись углерода во время компрессионного нагрева. Метанол и этанол также будут частично диссоциировать на водород и окись углерода во время наддува в двигателе с достаточно большим давлением от принудительной индукции до сжатия поршня и в дополнение к нему.Однако давление сжатия замедляет происходящую диссоциацию. Поэтому тепло вызывает диссоциацию, идущую в одном направлении, а давление от сжатия (или наддува) заставляет диссоциацию идти в другом. В этом случае горение представляет собой комбинацию водорода, окиси углерода и любых оставшихся паров метанола, которые не диссоциировали.

Funnycar Dragster запускает гонки на скорость 300 миль в час в парке Norwalk Raceway, штат Огайо, во время национального мероприятия IHRA с настройками для борьбы с детонацией из топливных смесей с высоким содержанием нитрометана и метанола

Различия в компрессии, температуре двигателя, фазах газораспределения и наддуве в двигателях с принудительным впуском — все это влияет на величину диссоциации, которая происходит.Затем степень диссоциации влияет на характеристики горения заряда. Например: водород имеет очень низкую температуру воспламенения и более склонен к обратному воспламенению во впускном канале, поскольку ему не обязательно нужен традиционный источник воспламенения. Это часто ошибочно принимают за детонацию, когда на самом деле происходит диссоциация избыточного водорода.

Настройка или изменение плотности воздуха может изменить диссоциацию водорода и вызвать или избежать обратного зажигания двигателя. Когда возникает обратная вспышка от диссоциации водорода, последующая разборка двигателя часто не выявляет никаких повреждений двигателя.Изменение температуры самовоспламенения метанола происходит из-за разной степени диссоциации в результате настройки и изменений плотности воздуха.

В топливе метанол содержится кислород, а в традиционном бензине его нет. Таким образом, метанол может взорваться с меньшим количеством воздуха в смеси, чем бензин. Весовое соотношение воздух / топливо 8: 1 было бы слишком богатым для бензина и не взорвалось бы, но могло бы взорваться с метанольным топливом. Этот порог изменяется с изменением содержания кислорода в воздухе из-за изменения плотности воздуха.

Данные, представленные в документе 5000 HP на метаноле от Germane и Lovell, указывают на взаимосвязь между количеством углерода в молекуле топлива и температурой самовоспламенения. (Джерман, Джефф Дж., Университет Бригама Янга, Технический обзор автомобильного гоночного топлива, SAE 1985, публикация № 852129) (Ловелл, В.Г., Детонационные характеристики углеводородов, Промышленная и инженерная химия, том 40, стр. 2388-2438 , Декабрь 1948 г.)

Нитрометан

Нитрометан диссоциирует на разные фазы.На короткое время некоторые из этих фаз являются последовательными, а некоторые даже одновременными в процессе воспламенения и горения. Однако многие фазы диссоциации нитрометана происходят просто в результате компрессионного нагрева и сгорания.

Первая фаза — эндотермическая. Он поглощает тепло и действует так, как будто его трудно воспламенить. Вот почему магнитное зажигание с длительным временем пребывания искры более эффективно с нитрометановыми топливными смесями, чтобы пройти первую фазу диссоциации сгорания. Вторая и оставшиеся фазы диссоциации при сгорании нитрометана могут быть экзотермическими, то есть горением и выделением тепла (Паспорт безопасности материалов Chem-Supply, нитрометан, 1CHOP, декабрь 2000 г.).

При горении возникают множественные фазы диссоциации с различными промежуточными соединениями и с разными характеристиками самовоспламенения (детонации). Различные смеси нитрометана и метанола еще больше усложняют изменения чувствительности к детонации, поскольку метанол имеет свой собственный набор диссоциаций и поведения. В результате направления настройки могут быть проблемными и непоследовательными от цикла к запуску.

Некоторые настройки нитро могут быть более подвержены детонации при обедненной смеси (более высокое соотношение воздух / топливо).Некоторые настройки нитро могут быть более подвержены детонации при обогащении смеси (более низкое соотношение воздух / топливо). Лучшая процедура настройки — внести как можно меньше изменений в компрессию двигателя, наддув, топливную смесь, температуру топлива и другие параметры, чтобы установить мощность двигателя в соответствии с диапазоном рабочих характеристик. Внесение нескольких изменений от цикла к запуску делает практически невозможным контроль над настройкой из-за блуждающей характеристики температуры самовоспламенения. В результате могут произойти серьезные отказы двигателя.

Недавняя фотография дрэг-гоночных автомобилей Nitro Funnycar со скоростью 300 миль в час, представленных для запуска во время дрэг-рейсинга IHRA National Event с чувствительными к детонации настройками из 90-процентных нитрометановых смесей.

Изменения соотношения воздух / топливо

Изменения в соотношении воздух / топливо также изменяют характеристики чувствительности самовоспламенения. Это изменение сложно в зависимости от степени обогащения. Обогащение до определенного значения имеет тенденцию к снижению чувствительности самовоспламенения. Обогащение метанолом или этанолом может снизить температуру цилиндра до такой степени, чтобы двигатель не взорвался.Однако чрезмерное обогащение этих видов топлива сверх определенного соотношения воздух / топливо может повысить чувствительность к самовоспламенению. Вызывая чрезмерное охлаждение и конденсацию топлива из входящего воздушного заряда, создается обеднение паром, и может произойти самовоспламенение. Он также может замедлить скорость пламени, увеличивая сгорание до такта выпуска. Это может привести к возгоранию на впуске при открытии впускного клапана.

В другом направлении, меньшее обогащение сверх определенного оптимального отношения воздух / топливо имеет тенденцию к увеличению чувствительности к самовоспламенению.В случае метанола или этанола меньшее обогащение не будет достаточно охлаждать температуру цилиндра, повышая температуру до такой степени, что двигатель может взорваться, особенно при использовании высоких степеней сжатия.

Уникальный трюк гоночной настройки — запустить двигатель до предела детонации, затем разобрать двигатель и измерить толщину подшипников верхней тяги. Подшипник слева не показал истончения после пробега. Подшипник справа от того же цилиндра после другого прогона с некоторым утонением из-за детонации.Некоторые изготовители двигателей / тюнеры используют утончение подшипников как показатель степени детонации. Некоторые ранние производители двигателей / тюнеров для гонок на нитро-дрэг-рейсингах освоили этот метод утонения определенного количества стержневых подшипников в качестве индикатора хорошей настройки.

Чрезмерное снижение обогащения может снизить мощность, поскольку сжигается меньше топлива. Продолжающееся снижение обогащения сверх определенной точки может не привести к детонации, поскольку состояние крайней бедности приводит к нехватке топлива для сжигания, и скорость пламени замедляется.Где-то в этом направлении наклона скорость пламени может быть замедлена, продолжая такт выпуска. Это может, как и чрезмерно богатые условия, вызвать обратный эффект при приеме.

Комбинированные эффекты сложны

Топливная смесь из нитрометанола с содержанием нитро-нитрометана примерно до 87 процентов с повышенной насыщенностью менее подвержена детонации. Это то же самое, что и большинство других видов топлива, особенно спиртосодержащих топлив. Тем не менее, смесь нитрометанола с более чем 87% нитро с повышенной насыщенностью становится более склонной к детонации.Это из-за избытка кислорода в топливе. Этот избыток кислорода в более высоком процентном содержании повышает чувствительность смеси к более низкой температуре самовоспламенения. Более богатая смесь нитросмесей с высоким процентным содержанием имеет больший избыток кислорода и большую чувствительность к детонации.

Если есть что-то, что можно убрать из всего этого, так это то, что в гоночной среде причина детонации может быть сложной проблемой, и не так проста, как «Если произойдет X, выполните Y, чтобы исправить». Когда вы находитесь на этом уровне производительности, ряд факторов, которые могут повлиять на вашу проблему детонации с лишением мощности и потенциально повреждающей двигатель, требует тщательного понимания того, что происходит с вашим топливом между моментом его первого попадания в атмосферу и открытие выпускного клапана.

Детонация двигателя

Детонация — это самовозгорание внутри цилиндра ПОСЛЕ возгорания свечи зажигания. Он похож на предварительное зажигание, но отличается.

При нормальном зажигании свеча зажигания зажигается непосредственно перед достижением поршнем ВМТ. Пламя проходит через камеру сгорания, воспламеняя топливно-воздушную смесь. Это вызывает постоянное увеличение давления в цилиндре и вынуждает поршень опускаться при рабочем ходе.

Когда происходит детонация, часть воздуха / топлива воспламеняется до того, как до него дойдет нормальное горение.Это вызывает кратковременный, но сильный скачок давления в цилиндре.

Детонацию также называют «стуком двигателя», «стуком» или «звоном» из-за издаваемого звука.

Как это обозначено?

• Звук стука или звона
• Падение температуры выхлопных газов (EGT)
• Разбитые поршневые кольца и / или свечи зажигания
• Повреждение поршня и / или клапанов

Причины этого?

Детонация может быть вызвана несколькими факторами.Несколько распространенных причин:

Усовершенствованная синхронизация зажигания
Если синхронизация зажигания слишком велика, свеча зажигания загорается слишком быстро. Это приводит к преждевременному прекращению пламени. Оставшееся топливо может взорваться.

Бедная смесь воздуха и топлива
Богатая смесь воздуха и топлива работает холоднее, чем бедная смесь. Нежирная смесь может стать слишком горячей и взорваться.

Слишком сильное сжатие
Сжатие вызывает нагревание. Если топливно-воздушная смесь сжата слишком сильно, она может взорваться.

Перегрев двигателя
Низкий уровень охлаждающей жидкости или неисправный водяной насос могут вызвать перегрев двигателя. Слишком большое количество тепла может вызвать детонацию воздуха / топлива в камере.

Низкооктановое топливо
Октановое число является мерой «детонационной стойкости». Переход на более качественное топливо может помочь при детонации двигателя.

Как это влияет на производительность?

Двигатель разработан для работы определенным образом. Поскольку детонация нарушает эту конструкцию, она лишает двигатель мощности.

Большинство двигателей выдерживают небольшую детонацию. Современные двигатели с впрыском топлива могут распознавать детонацию и регулировать соотношение воздух / топливо и время зажигания. Однако, если детонация не зафиксирована, это приведет к повреждению двигателя. Всего один крупный взрыв может нанести значительный ущерб.

ID ответа 5007 | Опубликовано 30.05.2018 12:58 | Обновлено 12.11.2019 14:46

Детонационное сгорание в двигателях с искровым зажиганием

Детонационное сгорание топлива имеет решающее значение, поскольку оно определяет долговечность двигателя, расход топлива и удельную мощность, а также уровень шума и выбросов.Современные двигатели с искровым зажиганием (SI) страдают как от обычной детонации, так и от сверхдетонации. Обычные пределы детонации повышают степень сжатия для улучшения теплового КПД из-за самовоспламенения конечных газов, в то время как супердетонация ограничивает желаемый наддув для повышения удельной мощности современных бензиновых двигателей из-за детонации. Обычное горение широко изучается в течение многих лет. Хотя основные характеристики ясны, корреляция между индексом детонации и химическим составом топлива, колебаниями давления и теплопередачей, а также распространением фронта самовоспламенения все еще находится на ранних стадиях понимания.Сверхдетонационное сгорание в двигателях с искровым зажиганием с сильным усилением и случайным преждевременным зажиганием интенсивно изучается в последнее десятилетие как в академических кругах, так и в промышленности. Эти работы в основном были сосредоточены на взаимосвязи между преждевременным зажиганием и супердетонацией, анализе источников преждевременного зажигания и влиянии свойств масла / топлива на супердетонацию. Механизм супердетонации был недавно обнаружен в машинах быстрого сжатия (RCM) в условиях, подобных двигателю. Было обнаружено, что детонация может происходить в современных двигателях внутреннего сгорания в условиях высокой плотности энергии.Термодинамические условия и ударные волны влияют на режимы волны горения и инициирования детонации. Три режима волны горения в отходящем газе были визуализированы как дефлаграция, последовательное самовоспламенение и детонация. Наиболее часто наблюдаемым режимом инициирования детонации является детонация, вызванная отражением ударной волны (SWRID). По сравнению с влиянием ударного сжатия и горения с отрицательным температурным коэффициентом (NTC) на задержку воспламенения, отражение ударной волны является основной причиной самовоспламенения / детонации у стенки.Наконец, рассмотрены методы подавления обычных детонаций и супердетонаций в двигателях SI, включая использование рециркуляции выхлопных газов (EGR), стратегию впрыска и интеграцию цикла высокого давления — высокого давления EGR-Аткинсона / Миллера. Эта статья дает глубокое понимание процессов, происходящих при детонационном сгорании в двигателях с искровым зажиганием. Кроме того, кратко описаны стратегии управления детонацией и режимы волн горения, а также обсуждаются будущие направления исследований, такие как теория взаимодействия турбулентности, ударной волны и реакции, подавление и использование детонации, а также решения для сверхдетонационных эффектов.

Настройка двигателя и рекомендуемые руководства

Никаких оправданий — наши вещи работают … Срок!

Нужна техническая помощь?
Свяжитесь с заводом сегодня!
386-322-7390 (9:00 — 16:00 EST)
Понедельник — пятница или напишите нам по адресу:

Хотя мы не можем дать конкретные рекомендации — мы составили список «основных рекомендаций» Из широкого разнообразия наших технических ресурсов, включая учебники мирового уровня и справочные руководства для индустрии послепродажного обслуживания — пожалуйста, используйте всю информацию, представленную ниже

Соотношение воздух / топливо в двигателе (AFR) — основы и обзор

Увеличение выходной мощности — основная цель настройки двигателя — вот формула:

Подпишитесь на нашу электронную рассылку Daytona Sensors ™

Для большинства двигателей (с учетом степени сжатия и других факторов, таких как соотношение воздуха и топлива / соотношение , находятся в разумных пределах), значение выдержки времени ОБТ на несколько градусов ниже предела детонации.Если вы выберете кривую опережения времени открытия дроссельной заслонки (WOT), которая запаздывает примерно на 3 градуса от точки, где обнаружена детонация, вы должны быть близки к моменту зажигания MBT.

В приведенной здесь таблице перечислены рекомендуемые максимальные опережения зажигания при WOT для различных применений. Элементы управления двигателем Daytona Sensors ™
позволяют настраивать таблицы опережения зажигания, соответствующие этим рекомендациям.

Клиенты часто обращаются к нам за помощью в настройке двигателя

Нужны подробные технические справочные материалы?
Посетите нашу страницу «Настройка и теория двигателей». →

При отсутствии других ограничивающих факторов максимальный крутящий момент двигателя составляет около 13.5 AFR. В условиях широко открытой дроссельной заслонки (WOT) обычно требуется более богатая смесь (от 12,5 до 12,8 AFR) для снижения температуры головки цилиндров и предотвращения детонации.

В то время как кривая крутящего момента кажется относительно плоской от 12 до 14,7 AFR, влияние на температуру головки цилиндров более выражено.

Пожалуйста, помните, что диаграмма основана на лабораторных экспериментах в тщательно контролируемых условиях и с достаточно высоким октановым числом бензина, чтобы избежать ограничивающих эффектов от детонации.

Двигатели с зубчатыми распределительными валами демонстрируют большие циклические колебания на холостом ходу — необходимость относительно богатого холостого хода для предотвращения останова.

Выходная мощность двигателя — основы и подробный обзор

Степень сжатия двигателя — основы и обзор

Найти дилера в США

Нажмите ссылку ниже
(открывает всплывающее окно
для ввода почтового индекса)

Мы часто получаем запросы об оптимизации угла опережения зажигания двигателя во время настройки на динамометрическом стенде.Для определения времени MBT требуются очень чувствительные и точные динамометрические тесты. На диаграмме справа показано, почему (ref: Двигатель внутреннего сгорания в теории и на практике, К. Ф. Тейлор, стр. 443 ).

Кривая крутящего момента двигателя очень плоская около значения синхронизации MBT. Полезное практическое правило состоит в том, что увеличение или уменьшение момента времени на 5 градусов от значения MBT снижает крутящий момент примерно на 1%. Вы не можете надежно измерить изменение крутящего момента на 1% на динамометрическом стенде шасси.Мы были свидетелями многих сессий динамометрических испытаний, когда попытки оптимизировать время зажигания приводили к странным результатам, которые, вероятно, были вызваны ошибкой измерения.

Влияние графика синхронизации двигателя

В то время как чрезмерно высокая степень сжатия является наиболее распространенной ошибкой при изготовлении двигателя, наиболее распространенное заблуждение производителей двигателя состоит в том, что увеличение степени сжатия оказывает значительное влияние на мощность (или крутящий момент) .

Диаграмма справа показывает, что это не так (ref: «Основы двигателя внутреннего сгорания» Дж.Heywood, pp. 843 ).

Полезное практическое правило состоит в том, что увеличение степени сжатия на одну точку (т.е. с 10: 1 до 11: 1) увеличивает мощность примерно на 3%.

Однако это потенциальное увеличение мощности доступно только в том случае, если октановое число бензина позволяет двигателю без детонации запускать двигатель с заданным значением времени MBT.

Полезно базовое понимание уравнения, определяющего выходную мощность двигателя

Справочная таблица соотношения воздух / топливо двигателя

Принципы настройки двигателя и рекомендуемые указания

Более высокое соотношение воздух / топливо Значения (AFR) соответствуют более бедной смеси (меньше топлива).Практический рабочий диапазон для большинства двигателей, работающих на бензиновом топливе, составляет приблизительно от 11,5 до 14,7 AFR. Сжигание стехиометрической смеси (ровно столько воздуха, чтобы сжечь все топливо) приводит к показанию AFR 14,7.

Автомобильные двигатели с каталитическими нейтрализаторами работают около 14,7 AFR в крейсерском режиме и на холостом ходу. Мотоциклетные и автомобильные гоночные двигатели с воздушным охлаждением требуют более богатой смеси для ограничения температуры головки цилиндров и предотвращения детонации. В таблице справа перечислены рекомендуемые значения AFR для двигателей без контроля выбросов.

Момент зажигания двигателя — основы и обзор

Понедельник — пятница
9:00 — 16:00 EST

Самая распространенная ошибка, с которой мы сталкиваемся, — это чрезмерно высокая степень сжатия. Помимо серьезных проблем с запуском, проблема обычно проявляется в виде сильной детонации (искровой детонации). В этом случае синхронизация зажигания должна быть замедлена, далеко от значения максимального тормозного момента (MBT), что приведет к потере крутящего момента.Для любой заданной степени сжатия существует минимальное требование к октановому числу бензина, как показано в таблице справа: (ref: Advanced Engine Technology by H. Heisler, pp. 177 ).

Значения в таблице консервативны. При хорошей конструкции головки блока цилиндров, которая способствует сильному завихрению и быстрому распространению фронта пламени, возможна несколько более высокая степень сжатия. Однако практический предел для бензина с октановым числом 93 составляет около 10.5: 1. Если вы попытаетесь использовать более высокое значение, вам придется замедлить синхронизацию зажигания до точки, при которой двигатель фактически будет генерировать меньший крутящий момент, чем двигатель с более низкой степенью сжатия.

Щелкните здесь , чтобы прочитать подробные сведения об этой формуле

Таблица эффектов степени сжатия

Как очищается автомобильное масло

топливо используется в современном автомобиле, будь то бензин, дизель или даже сжиженный газ ( Жидкость Нефть Газ ), должен соответствовать высоким стандартам чистоты, если автомобиль двигатель это к пройди удачно.

Извлечение топлива из сырой нефти

Сырая нефть расщепляется на составляющие углеводороды внутри ректификационной колонны. Более легкие углеводороды, включая бензин, отводятся высоко в колонне, тогда как более тяжелые, такие как дизельное топливо, отделяются ниже.

Современное топливо должно быть достаточно летучим, чтобы быстро воспламениться даже при неблагоприятные условия, и они должны иметь правильное сочетание углеводороды к горят достаточно равномерно, чтобы развивать полезную мощность в двигатель внутреннего сгорания .Топливо также должно иметь октан значение для предотвращения побуждения (детонации слишком рано), что может привести к повреждению двигателя.

Внутренний горение двигатели предназначены для работы на определенном классе топлива и настроен на работу довольно близко к пределам, которые это топливо может поддерживать, поэтому Постоянное качество важно для современных видов топлива.

И бензин, и дизельное топливо получают из сырой нефти, которая представляет собой сложную смесь многих сотен различных углеводородов, а также других продуктов которые необходимо удалить при рафинировании.Сырая нефть варьируется от источника к источник; они обычно содержат легкие летучие жидкости, в том числе бензин, как а также гораздо более тяжелые, почти твердые компоненты, такие как битум.

Для отделения и очистки бензина и дизельного топлива от сырой нефти требуется сложные процессы, которые осуществляются на нефтеперерабатывающем заводе.

Рафинирование

Масло перерабатывается на составляющие с помощью процесса, называемого фракционным. дистилляция . Это разделяет различные составляющие сырой нефти на используя тот факт, что они выкипают и испарять в разных температуры.

Первый процесс проводят в ректификационной колонне, высокой цилиндрические башни высотой до 250 футов (75 м), внутри которых от 30 до 40 лотки, называемые разделительными лотками, устанавливаются друг над другом. Внизу колонка остается очень горячей, но температура падает по мере продвижения вверх столбец, чтобы каждый лоток был немного холоднее, чем тот, что под ним.

Сырая нефть предварительно нагревается до температуры от 315 ° C до 370 ° C, так что все, кроме самые тяжелые компоненты испаряются.Затем он подается в нижнюю часть ректификационная колонна как смесь газа и жидкости. Масляный пар поднимается вверх колонка через устройства, такие как пузырьковые крышки, в тарелках фракционирования что приводит к его тщательному смешиванию с уже находящейся жидкостью. В более тяжелая, все еще жидкая нефть проходит в нижнюю часть колонны.

По мере того, как пар поднимается, он охлаждается в соответствии с понижением температуры подносы. Всякий раз, когда пар поднимается и пузырится через лоток, содержащий жидкость, температура которой соответствует температуре кипения одного из составляющие пара, составляющие конденсируется на подносе.В другие пары с более высокой температурой кипения продолжают подниматься по колонне.

Фракции

Таким образом, каждый компонент пара встречает поддон, на котором он конденсируется. В результате получается серия отдельных составляющих, называемых фракции, которые можно отводить из колонны по трубам.

Есть шесть основных фракций. Самый легкий, который остается газом, когда он достигает верха колонны, называется нефтеперерабатывающим газом и используется в качестве топлива сам НПЗ.

Остальное перерабатывается на дополнительном заводе. Самый легкий из полученные жидкие фракции очень летучие и используются для смешивания с бензин.

Затем идет нафта (используется для дальнейшей переработки в нефтехимию или в качестве альтернативы для смешивания с бензином), керосин (который в основном парафин), дизельные масла и легкие и тяжелые масла, используемые для промышленных смазка, а затем самая тяжелая фракция, битум, который остается в качестве остаток.

Растрескивание

Основной процесс фракционной перегонки разделяет сырую нефть на чистую. химические углеводороды.Но некоторые из этих углеводородов более ценны, чем другие. В частности, спрос на бензин намного больше, чем на битум, или действительно для дизеля. Таким образом, некоторые из более тяжелых фракций превращаются в масле. нефтепереработка в бензин. Это делается с помощью процесса, называемого взломом.

При термическом крекинге в процессе используется тепло, в то время как при каталитическом крекинге используется химический катализатор.

При термическом крекинге углеводороды нагреваются до температуры от 450 ° C до 540 ° C. на высоком давление . В результате получается низкосортное топливо, которое затем снова очищается на более высокие температуры и давления для производства бензина достаточно хорошего качества, чтобы использование в автомобильных двигателях.

Каталитический крекинг более полезен, чем термический крекинг, поскольку он дает более высокий выход полезных продуктов. Добавляя катализатор (обычно порошок алюминия-диоксида кремния) к маслу во время фазы предварительного нагрева, тяжелые фракции могут быть разделены на более легкие, которые затем загружаются в фракционирующая колонна, подлежащая отделению.

Эти легкие фракции затем подвергаются дальнейшим процессам, называемым конверсией. процессы для производства правильной смеси углеводородов.

Свойства бензина

За этими преобразованиями следуют этапы лечения, если это необходимо. добавки вводятся, чтобы сделать смешанный бензин пригодным для зимы или летнее использование.

Для использования в двигателях внутреннего сгорания бензин должен иметь определенные свойства. Он должен плавно гореть в двигателе в широком диапазоне скорости и мощности без детонация . Это проявляется в «стук» и, если он продолжится, может привести к серьезному повреждению двигателя.

Бензин должен содержать некоторые легко летучие компоненты, которые позволяют двигатель легко заводится в холодную погоду. Но бензин не должен быть таким летучим что он слишком легко испаряется и вызывает закупорку топливной системы, или даже обледенение карбюратора (см. боковую линию справа).

Эффективность бензина определяется в первую очередь его октановым числом. Работать После этого бензин сравнивается с двумя стандартными видами топлива с известными характеристиками. называется н-гептан и изооктан, оба из которых являются углеводородами. N-гептан — это плохое топливо для двигателей внутреннего сгорания и вызывает сильную детонацию; у него есть октановое число 0. Изооктан — противоположное, топливо очень высокого качества, и имеет октановое число 100.

Если бензин имеет октановое число 90, это означает, что он дает рабочие характеристики. эквивалент смеси 90 частей изооктана и 10 частей нгептана.Большая машина для двигателей требуется бензин с октановым числом от 90 до 100.

В качестве дополнительной меры защиты от детонации по-прежнему является нормальной практикой добавление небольшого количество тетраэтил- или тетра-метилсвинца в бензине. Однако это постоянно сокращается из-за ядовитой природы свинца.

Максимально допустимое количество свинца в бензине снижено с 0,4 до 0,15. граммов на литр в 1986 году, и неэтилированный бензин начинает появляться на Европейский рынок. Это бензин, к которому нет свинца соединения были добавлены.

Летучесть топлива

В волатильность топлива — его доля, испаряющаяся при определенная температура — должна соответствовать определенным ограничениям. Если волатильность слишком низкая, двигатель автомобиля запускается с трудом и требуется много времени, чтобы разогреться. Если он слишком высокий, двигатель может стойло или же работает неравномерно в жаркую погоду, потому что топливо имеет тенденцию испаряться раньше, чем оно достигает карбюратор . В крайних случаях летучее топливо может вызвать обледенение карбюратора, поскольку топливо испаряется, поглощает тепло из окружающей среды, охлаждая корпус карбюратора настолько сильно, что вода в воздухе замерзает и блокирует струи .

Дизельное топливо

Дизельное топливо более вязкое и тяжелое, чем бензин, менее летучее и выходит из колонны фракционирования на нижнем уровне.

Дизельное топливо не классифицируется по октановому числу, как бензин; вместо этого дается цетановый рейтинг. Это получено путем сравнения дизельного топлива с двумя другими углеводороды, цетан и альфа-метилнафталин.

Высококачественное дизельное топливо, используемое в дорожных транспортных средствах, имеет цетановое число около 50, в то время как более медленные двигатели, такие как те, что используются на больших кораблях, могут работать на топливо с более низким цетановым числом.Чем выше цетановое число, тем легче запускается, тем плавнее сгорание и тем ниже уровень дизельного топлива. стучать ‘.

Некоторое низкосортное дизельное топливо (называемое газойлем), используемое для стационарных или внедорожных работ окрашен для идентификации и поэтому известен как красный дизель. Только белый дизель, с которого была уплачена дорожная пошлина, можно законно использовать на дороге.

Дизельное топливо, как и бензин, обычно содержит важные присадки. Антизамерзание в дизельное топливо, используемое в холодную погоду, необходимо добавлять антипарафинистые добавки, чтобы остановить засорение топливные магистрали и форсунки .

Хранение / транспортировка

С нефтеперерабатывающего завода бензин и дизельное топливо привозят в гараж. и выходы на станции технического обслуживания автомобильным или железнодорожным транспортом в специально разработанных цистернах.

Топливо обычно хранится в земля цистерны под привокзальной точка продажи — АЗС. Бензин и дизельное топливо хранятся в отдельные баки, как и бензин разных сортов, пока они не будут подняты в над землей и измеряется для продажи насосы .

Без искр

Автоцистерны заправляют подземные резервуары с борта шланги который подключаются водителем автоцистерны при каждой заправке. Из-за риска взрыва от паров бензина, опасность искры сводится к минимуму использование такого материала, как латунь, для шланговых соединений и используемых инструментов присоединиться к ним.

Как работает АЗС

Топливо хранится под землей на заправочных станциях до продажи, когда насосы поднимают бензин из резервуаров на уровень земли, одновременно измеряя количество проданного топлива.Бензин и дизельное топливо хранятся отдельно друг от друга, как и обычно разные марки бензина. Тщательное внимание к конструкции входных и вентиляционных отверстий заливной горловины предотвращает попадание воды в подземные резервуары и загрязнение топлива.

Бензонасосы обычно могут подавать топливо из любых подземных резервуаров и смешайте его, чтобы предоставить пользователям нужный сорт. Однако свинцовые и неэтилированный бензин нельзя смешивать, поэтому для них нужны отдельные баки и насосы. которые должны быть четко обозначены, чтобы показать, что они содержат.

.

No related posts.