Детонация в двигателях (причины детонации)

Детонация в двигателях

ДЕТОНАЦИЯ В ДВИГАТЕЛЯХ, особый характер протекания процесса сгорания в цилиндре двигателя, имеющий следующие внешние признаки. Если в данном двигателе, нормально работающем на некотором топливе, повышать степень сжатия ε, то по достижении некоторой ее величины, вполне определенной для данного топлива, двигателя и режима его работы, работа мотора становится неустойчивой, в цилиндре появляется звонкий металлический стук, из выхлопных патрубков начинают периодически появляться черные выхлопы, указывающие на то, что сгорание рабочей смеси происходит с выделением свободного углерода (неполное сгорание, наблюдается при работе двигателя даже на бедных смесях); мощность двигателя уменьшается. При дальнейшем повышении степени сжатия все перечисленные явления усиливаются и обычно приводят к перегреву мотора и появлению преждевременной вспышки. Явление детонации очень часто смешивают с общеизвестным явлением преждевременной вспышки рабочей смеси, так как оба эти явления очень часто сопутствуют друг другу и каждое из них бывает причиной возникновения другого. Преждевременная вспышка появляется тогда, когда воспламенение рабочей смеси происходит вне зависимости от работы органов зажигания, вследствие общего перегрева двигателя или же чрезмерного накала отдельных деталей, находящихся в камере сгорания (например, электродов свечи).

Преждевременная вспышка, как и детонация, сопровождается неровным ходом, падением мощности и стуком двигателя. Различие заключается в том, что детонация может происходить и при совершенно холодном моторе. Характер стука в обоих случаях также совершенно иной: при детонации слышен ясный металлический звук, а при преждевременной вспышке - глухой стук. Индикаторные диаграммы обоих случаев указывают на значительную разницу в самом характере протекания процесса. При детонации линия расширения имеет ясно выраженную зубчатую форму, указывающую на резкое колебание давления, тогда как преждевременная вспышка, аналогично слишком раннему опережению зажигания, дает отрицательную петлю на диаграмме и плавную линию расширения.

Наиболее подробные исследования явления детонации рабочих смесей непосредственно на двигателе были произведены профессором Рикардо в 1919—20 годах. В СССР исследование явлений детонации было произведено институтами ЦАГИ и НАМИ. Установлено, что основными факторами, от которых зависит детонация, являются степень сжатия двигателя и сорт применяемого топлива. Увеличение степени сжатия вызывает возрастание температуры и давления конца сжатия. Опыты по сжиганию смесей в бомбах (Феннинг) показывают, что повышение любой из этих величин может вызвать детонацию, но повышение давления влияет более сильно. Сравнительно малое изменение температуры конца сжатия в двигателе при увеличении степени сжатия и исчезновении детонации при дросселировании, когда температура в конце сжатия получается несколько выше, чем при работе на полном дросселе, заставляют предполагать, что основным фактором, влияющим на детонацию, является давление конца сжатия. На диаграмме (фиг. 1) представлены результаты опытов Рикардо по изменению среднего индикаторного давления (рi) и давления конца сжатия (рс) при работе без детонации на бензине, детонирующем на полном открытии дросселя при ε = 4,85.

Результаты опытов Рикардо по изменению среднего индикаторного давления и давления конца сжатия при работе без детонации на бензине, детонирующем на полном открытии дросселя

Начиная с этой степени сжатия, двигатель приходилось дросселировать для устранения детонации. Кривые p'i и p'c представляют среднее индикаторное давление и давление конца сжатия при работе на полном дросселе на недетонирующем топливе. Из диаграммы видны потери мощности при высоких значениях ε, а также то, что давление конца сжатия, соответствующее моменту исчезновения детонации, мало изменяется со степенью сжатия.

Опыты Р. У. Феннинга (кривые сгорания при детонации бензиновой смеси)

На фигурах со 2 по 4 представлены, согласно опытам Р. У. Феннинга, кривые сгорания при детонации бензиновой смеси, причем на фиг. 2 весовое отношение бензина к воздуху = 1:10,7, начальная температура 99,5° и начальное давление 6,65 кг/см2, на фиг. 3 - смесь 1:12,95, температура 201° и давление 8,46 кг/см2 и на фиг. 4 - смесь 1:12,95, температура 231° и давление 9,03 кг/см2.

Опыты Р. У. Феннинга (кривые сгорания при детонации бензиновой смеси)

Наивысшая степень сжатия, которая м. б. допущена для двигателя, всецело определяется качеством топлива.

Опыты Р. У. Феннинга (кривые сгорания при детонации бензиновой смеси)

Наименее стойки в отношении детонации бензины, содержащие углеводороды парафинового ряда; далее идут нафтены и, наконец, ароматики (бензол, толуол, ксилол). По опытам Рикардо, допустимая степень сжатия ε для бензина без содержания ароматиков равняется 4,85; при работе же на толуоле начало детонации было замечено лишь при ε = 7,8. Для практической оценки сопротивляемости топлива детонации широким распространением пользуется «толуоловый эквивалент», предложенный Рикардо. При примешивании толуола к бензину, не содержащему ароматиков, увеличение допустимой степени сжатия м. б. принято прямо пропорциональным весовому содержанию толуола в смеси. Толуоловый эквивалент, выражающий собой процентное содержание толуола, непосредственно указывает допустимую для данного топлива степень сжатия. Рикардо принял толуоловый эквивалент равным 0 и 100 для степеней сжатия, соответственно равных 4,85 и 7,8. Указанные величины толуолового эквивалента и степеней сжатия имеют лишь относительное значение, т. к. детонация зависит также от конструктивных форм камеры сгорания и режима работы двигателя. На практике, для ε в пределах 5,6—7,0, применяют так называемые недетонирующие топлива, представляющие собой смеси нормальных бензинов с бензолом и толуолом. При степенях сжатия, превышающих 7,5—8, приходится переходить на спирт или же примешивать к бензину т. н. антидетонаторы, незначительное прибавление которых устраняет детонацию.

Антидетонаторы представляют собою б. ч. органические или металлоорганические соединения. Наиболее известными из них являются тетраэтиловый свинец, карбонильные соединения железа и никеля, бромистый этил, анилин, толуидин, метиланилин, органические перекиси и пр. Причины исчезновения детонации при применении ароматиков и антидетонаторов в точности не известны. В отношении ароматиков довольно удовлетворительным объяснением является указание на то, что они имеют циклическое строение молекулы, более стойкое в отношении распадения, чем ациклическое строение, свойственное нормальным бензинам. Антидетонаторы, по-видимому, действуют, как отрицательные катализаторы, замедляя сгорание рабочей смеси. Это подтверждается опытами Кларка и Гейне по спектрографии пламени, указывающими на то, что появление ультрафиолетовой части в спектре при детонации исчезает после добавления антидетонаторов.

Появление детонации зависит также от конструктивной формы камеры сгорания и режима работы двигателя. Наивысшая допустимая степень сжатия для данного топлива изменяется в зависимости от конструкции камеры сгорания. Чем компактнее камера сгорания, чем меньше в ней имеется выступов и чем меньше отношение ее поверхности к объему, тем выше, при прочих равных условиях, будет степень сжатия, при которой наступает начало детонация. Увеличение количества свечей, уменьшение наполнения (дросселирование) также уменьшают детонацию. На детонацию влияют также состав рабочей смеси, установленное опережение зажигания и число оборотов двигателя. Детонация начинает появляться при составах смеси, дающих наибольшую мощность, чему соответствует в автомобильных и авиационных моторах работа с некоторым недостатком воздуха против теоретически необходимого для полного сгорания. Сравнительно узкие пределы состава рабочих смесей, на которых могут удовлетворительно работать такие двигатели, придают этому обстоятельству второстепенное значение. Увеличение опережения зажигания несколько усиливает детонацию, и наоборот; устранять детонацию изменением момента зажигания можно лишь в очень узких пределах, не имеющих почти никакого практического значения, так как уменьшение опережения зажигания дает сильное догорание по линии расширения и, как следствие этого, перегрев клапанов и возможность появления преждевременной вспышки. Увеличение числа оборотов двигателя уменьшает детонацию, т. е. при работе на больших оборотах можно допускать большее открытие дросселя.

Результаты опытов ЦАГИ с авиамотором Непир

На фиг. 5 представлены результаты опытов ЦАГИ с авиамотором Непир при ε = 5,0. Верхняя кривая дает максимальную мощность, развиваемую мотором на разных числах оборотов при полном открытии дросселя и работе на недетонирующем топливе. Вторая кривая дает степень дросселирования, необходимую для устранения детонации при разных числах оборотов. По мере увеличения числа оборотов степень дросселирования уменьшается, и при нормальном числе 2000 об/мин. мотор может работать на выбранном топливе почти без детонации, при полном открытии дросселя. Испытания производились при работе только на одном блоке в 4 цилиндра. При изучении детонации необходимо различать механические и физико-химические стороны явления. Первая состоит в изучении механических условий, необходимых для образования и протекания взрывной волны. Механическая теория детонации разработана Гугонио (Hugonio), Жуже, Риманом и Беккером. Основные данные этой теории находят себе подтверждение из опытов в трубах. Интересным подтверждением возможности применения основных выводов механической теории к условиям сгорания в двигателе является конструкция ступенчатого поршня, устраняющего детонацию, выполненная профессором Дюмануа. Физико-химическая сторона явления до сего времени еще не вышла из области б. или м. вероятных гипотез.

Теория мгновенного воспламенения, выдвинутая Рикардо, Тизаром и Пайем (Руе), заключается в предположении, что сгорание и повышение давления в сгоревшей части смеси вызывают сильное поджатие и, как следствие этого, повышение температуры и мгновенное воспламенение несгоревшей части, дающее начало детонационной волне. При этом необходимо, чтобы скорость выделения тепла в сгоревшей части превосходила на определенную величину скорость потери тепла, отдаваемого стенкам несгоревшей частью смеси, Это условие и скорость химической реакции, определяют течение процесса детонации. Теория образования ядер, разработанная Каллендером, Кингом и на основании изучения энтропийных диаграмм углеводородных топлив, предполагает, что к концу сжатия может происходить в рабочей смеси явление конденсации с образованием более тяжелых молекул. Так как температура воспламенения углеводородов парафинового ряда ниже для более тяжелых фракций, то образовавшиеся ядра легко воспламеняются, создавая в смеси ряд очагов горения. Действие этих очагов оказывается особенно сильным благодаря лучистой энергии, поглощаемой содержащимися в них молекулами углерода, и вследствие энергичной реакции, происходящей на поверхности раздела жидкости и пара. В результате эти очаги вызывают мгновенное воспламенение большей части смеси, дающее очень резкое повышение температуры.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 6 - 1929 г.