В двигателях внутреннего сгорания с искровым зажиганием детонация (также стук , детонация , искровой стук , звон или розовинение ) возникает, когда сгорание части топливовоздушной смеси в цилиндре не является результатом распространения фронта пламени, воспламеняемого свечой зажигания . , но когда один или несколько карманов воздушно-топливной смеси взрываются за пределами нормального фронта сгорания. Заряд топлива и воздуха предназначен для воспламенения только свечой зажигания и в определенной точке хода поршня. Детонация возникает, когда пик процесса сгорания больше не приходится на оптимальный момент четырехтактного цикла . Ударная волна создает характерный металлический «звенящий» звук, и давление в цилиндре резко возрастает. Последствия детонации двигателя варьируются от незначительных до полностью разрушительных.
Не следует путать детонацию с преждевременным зажиганием — это два отдельных события. Однако за преждевременным зажиганием может последовать детонация.
Явление детонации было описано в ноябре 1914 года в письме братьев Лодж (производителей свечей зажигания и сыновей сэра Оливера Лоджа ), разрешающих дискуссию о причине «стуков» или «свиста» в мотоциклах. В письме они заявили, что раннее зажигание может привести к детонации газа вместо обычного расширения, а звук, издаваемый при детонации, такой же, как если бы по металлическим деталям постучали молотком. [1] В дальнейшем он был исследован и описан Гарри Рикардо во время экспериментов, проведенных между 1916 и 1919 годами с целью обнаружить причину отказов авиационных двигателей . [2]
В идеальных условиях обычный двигатель внутреннего сгорания сжигает топливно-воздушную смесь в цилиндре упорядоченным и контролируемым образом. Сгорание начинается свечой зажигания примерно за 10–40 градусов коленчатого вала до верхней мертвой точки (ВМТ), в зависимости от многих факторов, включая частоту вращения двигателя и нагрузку. Такое опережение зажигания дает время процессу сгорания для достижения пикового давления в идеальное время для максимального восстановления работы расширяющихся газов. [3]
Искра на электродах свечи зажигания образует небольшое ядро пламени размером примерно с зазор свечи зажигания. По мере увеличения размера его тепловая мощность увеличивается, что позволяет ему расти с ускорением, быстро расширяясь через камеру сгорания. Этот рост обусловлен перемещением фронта пламени через саму горючую топливно-воздушную смесь, а также нестабильностью Рэлея-Тейлора (в результате расширения горячих газов сгорания с низкой плотностью в относительно холодную и плотную несгоревшую топливно-воздушную смесь). ), который быстро растягивает зону горения в комплекс пальцев горящего газа, которые имеют гораздо большую площадь поверхности, чем простой сферический огненный шар (последний процесс усиливается и ускоряется за счет любой ранее существовавшей турбулентности в топливно-воздушной смеси). смесь). При нормальном сгорании этот фронт пламени перемещается по топливно-воздушной смеси со скоростью, характерной для конкретной смеси. Давление плавно повышается до пика, поскольку почти все имеющееся 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 (в результате увеличения давления, приложенного 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, тем самым максимизируя крутящий момент, передаваемый на коленчатый вал. [3] [4]
Когда несгоревшая топливно-воздушная смесь за границей фронта пламени подвергается воздействию сочетания тепла и давления в течение определенного времени (за пределами периода задержки используемого топлива), может возникнуть 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 возрастет – и, возможно, превысит расчетные пределы – что приведет к повреждению. (Детонация на самом деле более эффективна, чем горение, но ее обычно избегают из-за ее разрушительного воздействия на компоненты двигателя.)
Если позволить детонации сохраняться в экстремальных условиях или на протяжении многих циклов работы двигателя, детали двигателя могут быть повреждены или разрушены. Самым простым вредным воздействием обычно является износ частиц, вызванный умеренной детонацией, которая может в дальнейшем проникать в масляную систему двигателя и вызывать износ других деталей, прежде чем они попадут в масляный фильтр. Такой износ создает вид эрозии, истирания или «пескоструйной обработки», аналогичный повреждению, вызванному гидравлической кавитацией . Сильный детонация может привести к катастрофическому отказу в виде расплавления физических отверстий, проталкиваемых через поршень или головку цилиндра (т. е. разрыв камеры сгорания ), что приводит к разгерметизации пораженного цилиндра и попаданию в него крупных металлических фрагментов, топлива и продуктов сгорания. масляная система. Известно, что заэвтектические поршни легко ломаются от таких ударных волн. [4]
Детонацию можно предотвратить любым или всеми из следующих методов:
Поскольку давление и температура тесно связаны, детонацию также можно уменьшить, контролируя пиковые температуры в камере сгорания за счет снижения степени сжатия , рециркуляции выхлопных газов , соответствующей калибровки графика опережения зажигания двигателя , а также тщательной разработки камер сгорания двигателя и системы охлаждения. как контроль начальной температуры воздуха на впуске. [ нужна цитата ]
Добавление тетраэтилсвинца (TEL), растворимого свинцовоорганического соединения, добавляемого в бензин, было обычным явлением, пока оно не было прекращено по причине токсичного загрязнения. Свинцовая пыль, добавленная во впускной коллектор, также снижает детонацию при использовании различных углеводородных топлив. Соединения марганца также используются для уменьшения детонации бензинового топлива.
Стук менее распространен в холодном климате. В качестве решения для вторичного рынка можно использовать систему впрыска воды для снижения пиковых температур в камере сгорания и, таким образом, подавления детонации. Пар (водяной пар) подавляет детонацию даже при отсутствии дополнительного охлаждения.
Как уже говорилось, турбулентность оказывает очень важное влияние на детонацию. Двигатели с хорошей турбулентностью имеют тенденцию к меньшей детонации, чем двигатели с плохой турбулентностью. Турбулентность возникает не только при вдыхании двигателем, но и при сжатии и сгорании смеси. Многие поршни сконструированы так, чтобы использовать «хлюпающую» турбулентность для резкого смешивания 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 клапаном или плоской головкой . Значительная часть пространства над головкой расположена в непосредственной близости от головки поршня, что приводит к сильной турбулентности вблизи ВМТ. На заре головок с боковыми клапанами этого не делалось, и для любого конкретного топлива приходилось использовать гораздо более низкую степень сжатия. Также такие двигатели были чувствительны к опережению зажигания и имели меньшую мощность. [4]
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 существует небольшая задержка. К этому времени в камере сгорания уже имеется некоторое количество топлива, которое воспламенится сначала в областях с большей плотностью кислорода до сгорания всего заряда. Это внезапное повышение давления и температуры вызывает характерный дизельный «стук» или «стук», некоторые из которых должны быть учтены в конструкции двигателя. [ нужна цитата ]
Тщательная конструкция ТНВД, топливной форсунки, камеры сгорания, днища поршня и головки блока цилиндров может значительно снизить детонацию, а современные двигатели, использующие электронный впрыск 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 низкого давления впрыска, обеспечивающего более полное смешивание топлива и воздуха. Дизели на самом деле не страдают от такого же «детонирования», 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 дизельном двигателе времени для возникновения детонации нет, поскольку топливо окисляется только во время цикла расширения. В бензиновом двигателе топливо все время медленно окисляется, пока оно сжимается до появления искры. Это позволяет происходить изменениям в структуре/составе молекул до наступления очень критического периода высокой температуры/давления. [4]
Из-за большого разнообразия качества топлива, атмосферного давления и температуры окружающей среды, а также возможности неисправности каждый современный двигатель внутреннего сгорания содержит механизмы обнаружения и предотвращения детонации.
Контур управления постоянно контролирует сигнал одного или нескольких датчиков детонации (обычно пьезоэлектрических датчиков , которые способны преобразовывать вибрации в электрический сигнал). При обнаружении характерного пика давления детонационного сгорания момент зажигания запаздывает с шагом в несколько градусов. Если сигнал нормализуется, указывая на контролируемое сгорание, угол опережения зажигания снова увеличивается таким же образом, сохраняя двигатель в наилучшей возможной рабочей точке - так называемом «пределе детонации». Современные системы контроля детонации способны регулировать момент зажигания для каждого цилиндра индивидуально. В зависимости от конкретного двигателя давление наддува регулируется одновременно. Таким образом, производительность поддерживается на оптимальном уровне, практически исключая риск повреждения двигателя из-за детонации (например, при работе на низкооктановом топливе). [5] Ранним примером этого являются двигатели Saab H с турбонаддувом , где система под названием « Автоматический контроль производительности» использовалась для снижения давления наддува, если это вызывало детонацию двигателя. [6]
Поскольку предотвращение детонационного сгорания очень важно для инженеров-разработчиков, были разработаны различные технологии моделирования, которые могут определить конструкцию двигателя или условия эксплуатации, в которых можно ожидать возникновения детонации. Это позволяет инженерам разрабатывать способы смягчения детонационного сгорания при сохранении высокого термического КПД . [ нужна цитата ]
Поскольку начало детонации чувствительно к давлению в цилиндре, температуре и химическому составу самовоспламенения, связанному с локальным составом смеси внутри камеры сгорания, моделирование, учитывающее все эти аспекты [7] , таким образом, оказалось наиболее эффективным при определении рабочих пределов детонации. и предоставление инженерам возможности определить наиболее подходящую операционную стратегию.
Целью стратегий контроля детонации является попытка оптимизировать компромисс между защитой двигателя от разрушительных детонаций и максимизацией выходного крутящего момента двигателя. События детонации представляют собой независимый случайный процесс. [8] Невозможно спроектировать контроллеры детонации на детерминированной платформе. Однократное моделирование временной истории или эксперимент с методами контроля детонации не могут обеспечить повторяемые измерения производительности контроллера из-за случайного характера поступающих событий детонации. Следовательно, желаемый компромисс должен быть найден в стохастической структуре, которая могла бы обеспечить подходящую среду для разработки и оценки эффективности различных стратегий контроля детонации со строгими статистическими свойствами. [ нужна цитата ]