В двигателях внутреннего сгорания с искровым зажиганием детонация (также детонация, искровой стук , звон или детонация ) происходит , когда сгорание части воздушно-топливной смеси в цилиндре происходит не в результате распространения фронта пламени, воспламененного свечой зажигания , а когда один или несколько карманов воздушно-топливной смеси взрываются за пределами нормального фронта сгорания. Топливовоздушный заряд должен воспламеняться только свечой зажигания и в точной точке хода поршня. Детонация происходит, когда пик процесса сгорания больше не происходит в оптимальный момент для четырехтактного цикла . Ударная волна создает характерный металлический «звонкий» 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 преждевременное зажигание может сопровождаться детонацией.
Явление детонации было описано в ноябре 1914 года в письме от Lodge Brothers (производители свечей зажигания и сыновья сэра Оливера Лоджа ), разрешившем дискуссию относительно причины «стука» или «звона» в мотоциклах. В письме они заявили, что раннее зажигание может привести к детонации газа вместо обычного расширения, а звук, который производится детонацией, такой же, как если бы металлические детали были простукены молотком. [1] Он был дополнительно исследован и описан Гарри Рикардо во время экспериментов, проведенных между 1916 и 1919 годами, чтобы обнаружить причину отказов в авиационных двигателях . [2]
В идеальных условиях обычный двигатель внутреннего сгорания сжигает топливно-воздушную смесь в цилиндре упорядоченным и контролируемым образом. Сгорание начинается с помощью свечи зажигания примерно за 10–40 градусов коленчатого вала до верхней мертвой точки (ВМТ), в зависимости от многих факторов, включая частоту вращения двигателя и нагрузку. Это опережение зажигания дает время для процесса сгорания развить пиковое давление 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 того, как оно увеличивается в размерах, его теплоотдача увеличивается, что позволяет ему расти с ускоренной скоростью, быстро расширяясь через камеру сгорания. Этот рост происходит из-за перемещения фронта пламени через саму горючую смесь топлива и воздуха, а также из-за неустойчивости Рэлея-Тейлора (возникающей из-за расширения горячих, малоплотных газов сгорания в относительно холодную и плотную несгоревшую смесь топлива и воздуха), которая быстро растягивает зону горения в комплекс пальцев горящего газа, которые имеют гораздо большую площадь поверхности, чем простой сферический шар пламени (этот последний процесс усиливается и ускоряется любой ранее существовавшей турбулентностью в смеси топлива и воздуха). При нормальном сгорании этот фронт пламени движется по всей смеси топлива и воздуха со скоростью, характерной для конкретной смеси. Давление плавно поднимается до пика, поскольку почти все доступное топливо израсходовано, затем давление падает по мере опускания поршня. Максимальное давление в цилиндре достигается через несколько градусов коленчатого вала после того, как поршень проходит ВМТ, так что сила, приложенная к поршню (от увеличивающегося давления, приложенного к верхней поверхности поршня), может дать свой самый сильный толчок именно тогда, когда скорость поршня и механическое преимущество на коленчатом валу обеспечивают наилучшее восстановление силы от расширяющихся газов, тем самым максимизируя крутящий момент, передаваемый на коленчатый вал. [3] [4]
Когда несгоревшая топливно-воздушная смесь за пределами фронта пламени подвергается воздействию комбинации тепла и давления в течение определенного времени (за пределами 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, выходит за пределы его проектных пределов — вызывая повреждения. (Детонация на самом деле более эффективна, чем дефлаграция, но ее обычно избегают из-за ее разрушительного воздействия на компоненты двигателя.)
Если детонация сохраняется в экстремальных условиях или в течение многих циклов двигателя, детали двигателя могут быть повреждены или разрушены. Простейшими вредными эффектами обычно являются износ частиц, вызванный умеренным стуком, который может далее распространяться через масляную систему двигателя и вызывать износ других деталей, прежде чем будет захвачен масляным фильтром. Такой износ создает видимость эрозии, абразивного износа или «пескоструйного» вида, аналогичного повреждениям, вызванным гидравлической кавитацией . Сильный стук может привести к катастрофическому отказу в виде физических отверстий, расплавленных и продавленных через поршень или головку цилиндра (т. е. разрыв камеры сгорания ), любой из которых приводит к снижению давления в пострадавшем цилиндре и попаданию крупных металлических осколков, топлива и продуктов сгорания в масляную систему. Известно, что гиперэвтектические поршни легко ломаются от таких ударных волн. [4]
Детонацию можно предотвратить с помощью любого или всех из следующих методов:
Поскольку давление и температура тесно связаны, детонацию можно также ослабить, контролируя пиковые температуры в камере сгорания путем снижения степени сжатия , рециркуляции отработавших газов , соответствующей калибровки графика опережения зажигания двигателя и тщательного проектирования камер сгорания и системы охлаждения двигателя, а также контролируя начальную температуру всасываемого воздуха. [ необходима ссылка ]
Добавление тетраэтилсвинца (TEL), растворимого органосвинцового соединения, добавляемого в бензин, было обычным делом, пока его не прекратили из-за токсичного загрязнения. Свинцовая пыль, добавляемая в впускной заряд, также снижает детонацию с различными углеводородными топливами. Соединения марганца также используются для снижения детонации с бензиновым топливом.
Стук менее распространен в холодном климате. В качестве решения для вторичного рынка может использоваться система впрыска воды для снижения пиковых температур в камере сгорания и, таким образом, подавления детонации. Пар (водяной пар) подавит стук, даже если дополнительное охлаждение не подается.
Турбулентность, как уже говорилось, оказывает очень важное влияние на детонацию. Двигатели с хорошей турбулентностью, как правило, стучат меньше, чем двигатели с плохой турбулентностью. Турбулентность возникает не только во время всасывания двигателем, но и при сжатии и сгорании смеси. Многие поршни спроектированы так, чтобы использовать «выдавливающую» турбулентность для интенсивного смешивания воздуха и топлива при их воспламенении и сгорании, что значительно снижает детонацию за счет ускорения сгорания и охлаждения несгоревшей смеси. Одним из примеров этого являются все современные двигатели с боковым клапаном или с плоской головкой . Значительная часть пространства головки находится в непосредственной близости от головки поршня, что создает большую турбулентность вблизи ВМТ. В первые дни головок с боковым клапаном этого не делали, и для любого данного топлива приходилось использовать гораздо более низкую степень сжатия. Кроме того, 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. [ требуется цитата ] К этому времени в камере сгорания уже находится некоторое количество топлива, которое воспламенится первым в областях с большей плотностью кислорода до сгорания всего заряда. Это внезапное увеличение давления и температуры вызывает характерный дизельный «стук» или «клац», некоторые из которых должны быть учтены в конструкции двигателя. [ требуется цитата ]
Тщательная конструкция инжекторного насоса, топливной форсунки, камеры сгорания, головки поршня и головки цилиндра может значительно снизить детонацию, а современные двигатели, использующие электронный впрыск Common Rail, имеют очень низкий уровень детонации. Двигатели, использующие непрямой впрыск, 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. Дизельные двигатели на самом деле не страдают от точно такого же «стука», как бензиновые двигатели, поскольку известно, что причиной является только очень быстрая скорость роста давления, а не нестабильное сгорание. Дизельное топливо на самом деле очень склонно к детонации в бензиновых двигателях, но в дизельном двигателе нет времени для возникновения детонации, потому что топливо окисляется только во время цикла расширения. В бензиновом двигателе топливо медленно окисляется все время, пока оно сжимается перед искрой. Это позволяет изменениям происходить в структуре/составе молекул до очень критического периода высокой температуры/давления. [4]
В связи с большим разбросом качества топлива, атмосферного давления и температуры окружающей среды, а также возможностью возникновения неисправностей, каждый современный двигатель внутреннего сгорания оснащен механизмами обнаружения и предотвращения детонации.
Контур управления постоянно отслеживает сигнал одного или нескольких датчиков детонации (обычно пьезоэлектрических датчиков , которые способны преобразовывать вибрации в электрический сигнал). Если обнаружен характерный пик давления детонационного сгорания, момент зажигания отстает на несколько градусов. Если сигнал нормализуется, указывая на контролируемое сгорание, момент зажигания снова увеличивается таким же образом, поддерживая двигатель в его наилучшей возможной рабочей точке - так называемом «пределе детонации». Современные системы контура управления детонацией способны регулировать момент зажигания для каждого цилиндра индивидуально. В зависимости от конкретного двигателя давление наддува регулируется одновременно. Таким образом, производительность поддерживается на оптимальном уровне, при этом в основном устраняется риск повреждения двигателя из-за детонации (например, при работе на низкооктановом топливе). [5] Ранним примером этого являются двигатели Saab H с турбонаддувом , где использовалась система, называемая «автоматическим управлением производительностью», для снижения давления наддува, если оно вызывало детонацию двигателя. [6]
Поскольку предотвращение детонационного сгорания так важно для инженеров-разработчиков, были разработаны различные технологии моделирования, которые могут определить конструкцию двигателя или условия эксплуатации, в которых может возникнуть детонация. Это затем позволяет инженерам разрабатывать способы смягчения детонационного сгорания, сохраняя при этом высокую тепловую эффективность . [ необходима цитата ]
Поскольку возникновение детонации зависит от давления в цилиндре, температуры и химии самовоспламенения, связанной с локальным составом смеси в камере сгорания, моделирование, учитывающее все эти аспекты [7], оказалось наиболее эффективным для определения рабочих пределов детонации и позволяет инженерам определять наиболее подходящую стратегию эксплуатации.
Целью стратегий управления детонацией является попытка оптимизировать компромисс между защитой двигателя от разрушительных событий детонации и максимизацией выходного крутящего момента двигателя. События детонации являются независимым случайным процессом. [8] Невозможно спроектировать контроллеры детонации на детерминированной платформе. Единичное моделирование истории времени или эксперимент методов управления детонацией не могут обеспечить повторяемое измерение производительности контроллера из-за случайной природы поступающих событий детонации. Поэтому желаемый компромисс должен быть выполнен в стохастической структуре, которая могла бы обеспечить подходящую среду для проектирования и оценки производительности различных стратегий управления детонацией со строгими статистическими свойствами. [ необходима цитата ]