Войти
Детонация (также детонация, детонация, искровая детонация, пинг или розовый цвет ) в двигателях внутреннего сгорания с искровым зажиганием возникает, когда сгорание некоторой части топливовоздушной смеси в цилиндре не является результатом распространения пламени. передняя часть воспламеняется от свечи зажигания, но один или несколько карманов топливовоздушной смеси взрываются за пределами диапазона нормального фронта горения. Заряд топлива-воздуха предназначен для воспламенения только свечой зажигания и в точной точке хода поршня. Детонация возникает, когда пик процесса сгорания больше не возникает в оптимальный момент для четырехтактного цикла. Ударная волна издает характерный металлический «звенящий» звук, и давление в цилиндре резко возрастает. Эффекты детонации двигателя варьируются от несущественных до полностью разрушительных.
Детонацию не следует путать с предварительным зажиганием - это два разных события. Однако за предварительным зажиганием может последовать детонация.
Явление детонации было описано в ноябре 1914 года в письме от Lodge Brothers (производители свечей зажигания и сыновья сэра Оливера Лоджа ), в котором разрешается дискуссия о причине "Конкинга" или «Пинк» в мотоциклах. В письме они заявили, что раннее возгорание может вызвать детонацию газа вместо обычного расширения, а звук, производимый при взрыве, такой же, как если бы по металлическим частям постучали молотком. Это было дополнительно исследовано и описано Гарри Рикардо во время экспериментов, проведенных между 1916 и 1919 годами, чтобы обнаружить причину отказов в авиационных двигателях.
В идеальных условиях обычный двигатель внутреннего сгорания сжигает топливно-воздушную смесь в цилиндре упорядоченным и контролируемым образом. Горение начинается свечой зажигания примерно на 10-40 градусов поворота коленчатого вала до верхней мертвой точки (ВМТ), в зависимости от многих факторов, включая частоту вращения двигателя и нагрузку. Такое опережение зажигания позволяет процессу сгорания достичь пикового давления в идеальное время для максимального восстановления работы расширяющихся газов.
Искра на электродах свечи зажигания образует небольшое ядро пламени размером приблизительно с зазор свечи зажигания. По мере того, как он увеличивается в размерах, его тепловыделение увеличивается, что позволяет ему расти с ускоренной скоростью, быстро расширяясь через камеру сгорания. Это увеличение происходит из-за прохождения фронта пламени через саму горючую топливно-воздушную смесь, а также из-за турбулентности, которая быстро растягивает зону горения в комплекс пальцев горящего газа, которые имеют гораздо большую площадь поверхности, чем простой сферический шар из пламя было бы. При нормальном сгорании этот фронт пламени перемещается по топливно-воздушной смеси со скоростью, характерной для данной смеси. Давление плавно повышается до пика, так как почти все доступное топливо израсходовано, затем давление падает по мере опускания поршня. Максимальное давление в цилиндре достигается через несколько градусов коленчатого вала после прохождения поршнем ВМТ, так что сила, приложенная к поршню (от возрастающего давления, прилагаемого к верхней поверхности поршня), может дать самый сильный толчок именно тогда, когда скорость поршня и механическое преимущество на коленчатом валу обеспечивает наилучшее восстановление силы от расширяющихся газов, таким образом увеличивая крутящий момент, передаваемый на коленчатый вал.
Когда несгоревшая топливно-воздушная смесь выходит за пределы фронт пламени подвергается воздействию тепла и давления в течение определенного времени (сверх периода задержки используемого топлива), может произойти детонация. Детонация характеризуется почти мгновенным взрывным воспламенением по крайней мере одного кармана топливно-воздушной смеси за пределами фронта пламени. Вокруг каждого кармана создается локальная ударная волна, и давление в цилиндре резко возрастает - и, возможно, превышает проектные пределы, - вызывая повреждения.
Если позволить детонации продолжаться в экстремальных условиях или в течение многих циклов двигателя, детали двигателя могут быть повреждены или разрушены. Самыми простыми вредными эффектами, как правило, являются износ частиц, вызванный умеренной детонацией, которая в дальнейшем может проходить через масляную систему двигателя и вызывать износ других деталей, прежде чем они будут захвачены масляным фильтром. Такой износ дает вид эрозии, истирания или «пескоструйной обработки», аналогично повреждению, вызванному гидравлической кавитацией. Сильный детонация может привести к катастрофическому отказу в виде расплавленных физических отверстий, проталкиваемых через поршень или головку блока цилиндров (т. Е. Разрыв камеры сгорания ), Любой из них сбрасывает давление в цилиндре и попадает в масляную систему с попаданием крупных металлических фрагментов, топлива и продуктов сгорания. Заэвтектические поршни, как известно, легко ломаются от таких ударных волн.
Детонацию можно предотвратить с помощью любого или всех следующих методов:
Поскольку давление и температура тесно связаны, детонация также может быть уменьшена путем регулирования пиковых температур в камере сгорания посредством уменьшения степени сжатия, рециркуляции выхлопных газов, соответствующая калибровка графика угла опережения зажигания двигателя и тщательный дизайн электронного камеры сгорания и система охлаждения двигателя ngine, а также контроль начальной температуры всасываемого воздуха.
Добавление определенных материалов, таких как свинец и таллий, очень хорошо подавляет детонацию при использовании определенных видов топлива. Добавление тетраэтилсвинца (TEL), растворимого органического соединения свинца, добавляемого к бензину, было обычным делом до тех пор, пока его не прекратили по причинам токсического загрязнения. Свинцовая пыль, добавляемая во всасываемую загрузку, также снижает детонацию при использовании различных углеводородных топлив. Соединения марганца также используются для уменьшения детонации при работе с бензиновым топливом.
В холодном климате стук встречается реже. В качестве решения для вторичного рынка можно использовать систему впрыска воды для снижения пиковых температур камеры сгорания и, таким образом, подавления детонации. Пар (водяной пар) подавляет детонацию, даже если дополнительное охлаждение не подается.
Для возникновения детонации сначала должны произойти определенные химические изменения, поэтому топлива с определенными структурами имеют тенденцию к детонации легче, чем другие. Парафины с разветвленной цепью имеют тенденцию сопротивляться ударам, а парафины с прямой цепью - легко. Было высказано предположение, что свинец, пар и т.п. мешают некоторым из различных окислительных изменений, которые происходят во время сгорания, и, следовательно, уменьшают детонацию.
Турбулентность, как было сказано, имеет очень важное влияние на детонацию. Двигатели с хорошей турбулентностью имеют тенденцию к снижению детонации, чем двигатели с плохой турбулентностью. Турбулентность возникает не только при вдыхании двигателя, но и при сжатии и сгорании смеси. Многие поршни предназначены для использования «сдавливающей» турбулентности для интенсивного перемешивания воздуха и топлива при их воспламенении и сгорании, что значительно снижает детонацию за счет ускорения горения и охлаждения несгоревшей смеси. Одним из примеров этого являются все современные двигатели с боковым расположением клапанов или двигатели с плоской головкой. Значительная часть свободного пространства расположена в непосредственной близости от днища поршня, что создает сильную турбулентность вблизи ВМТ. На заре создания головок боковых клапанов этого не было, и для любого топлива приходилось использовать гораздо более низкую степень сжатия. Кроме того, такие двигатели были чувствительны к опережения зажигания и имели меньшую мощность.
Детонация более или менее неизбежна в дизельных двигателях, где топливо впрыскивается в сильно сжатый воздух ближе к концу такта сжатия.. Между впрыском топлива и началом сгорания есть небольшая задержка. К этому времени в камере сгорания уже есть некоторое количество топлива, которое воспламенится первым в областях с большей плотностью кислорода до сгорания всего заряда. Это внезапное повышение давления и температуры вызывает характерный для дизельного двигателя «стук» или «грохот», некоторые из которых должны быть учтены в конструкции двигателя.
Тщательная конструкция насоса форсунки, топливной форсунки, камеры сгорания, днища поршня и головки блока цилиндров может значительно снизить детонацию, а современные двигатели с электронным впрыском Common Rail имеют очень низкий уровень детонации. Двигатели с непрямым впрыском обычно имеют более низкий уровень детонации, чем двигатели с прямым впрыском, из-за большего рассеивания кислорода в камере сгорания и более низких давлений впрыска, обеспечивающих более полное смешивание топлива и воздух. На самом деле дизельные двигатели не подвержены такому же «стуку», как бензиновые двигатели, поскольку известно, что причиной является только очень высокая скорость повышения давления, а не нестабильное сгорание. Дизельное топливо на самом деле очень склонно к детонации в бензиновых двигателях, но в дизельных двигателях нет времени для возникновения детонации, потому что топливо окисляется только во время цикла расширения. В бензиновом двигателе топливо все время медленно окисляется, пока оно сжимается перед искрой. Это позволяет вносить изменения в структуру / состав молекул до очень критического периода высокой температуры / давления.
Из-за большого разброса качества топлива атмосферное давление и температура окружающей среды, а также возможность неисправности, каждый современный двигатель внутреннего сгорания содержит механизмы для обнаружения и предотвращения детонации.
Контур управления постоянно отслеживает сигнал одного или нескольких датчиков детонации (обычно пьезоэлектрический датчик, который может преобразовывать вибрации в электрический сигнал). Если обнаруживается характерный пик давления детонационного сгорания, момент зажигания замедляется с шагом в несколько градусов. Если сигнал нормализуется, указывая на управляемое сгорание, момент зажигания снова увеличивается таким же образом, сохраняя двигатель в его наилучшей возможной рабочей точке, так называемом «пределе детонации». Современные системы контроля детонации могут регулировать время зажигания для каждого цилиндра индивидуально. В зависимости от конкретного двигателя одновременно регулируется давление наддува. Таким образом, рабочие характеристики поддерживаются на оптимальном уровне, при этом в основном устраняется риск повреждения двигателя, например, детонации. при работе на низкооктановом топливе.
Ранним примером этого является двигатель с турбонаддувом Saab H, где система под названием Автоматический контроль производительности использовался для снижения давления наддува, если оно приводило к детонации.
Поскольку предотвращение детонационного сгорания так важно для инженеров-разработчиков, было разработано множество технологий моделирования, которые может определить конструкцию двигателя или условия эксплуатации, при которых можно ожидать детонации. Это затем позволяет инженерам разрабатывать способы уменьшения детонационного горения при сохранении высокого теплового КПД.
Поскольку начало детонации чувствительно к давлению в цилиндре, температуре и химическому составу самовоспламенения, связанным с локальным составом смеси в камере сгорания, моделирование, которое учитывает все эти аспекты, таким образом, оказалось наиболее эффективным для определения выбить рабочие пределы и дать инженерам возможность определить наиболее подходящую стратегию работы.
Целью стратегий контроля детонации является попытка оптимизировать компромисс между защитой двигателя от разрушительных событий детонации и максимизацией выходного крутящего момента двигателя. Детонационные события - это независимый случайный процесс. Спроектировать контроллеры детонации на детерминированной платформе невозможно. Однократное моделирование хронологии или эксперимент с методами контроля детонации не в состоянии обеспечить повторяемое измерение производительности контроллера из-за случайного характера возникающих событий детонации. Следовательно, желаемый компромисс должен быть сделан в стохастической структуре, которая могла бы обеспечить подходящую среду для проектирования и оценки эффективности различных стратегий управления детонацией со строгими статистическими свойствами.
