Детонация и методы борьбы с ней

Детонационное сгорание

Скорость нормального  горения рабочей смеси в цилиндре двигателя имеет определенную скорость - 30-40 м/с. Горение начинается в зоне разряда свечи зажигания, и пламя  быстро распространяется по объему цилиндра. В какой-то момент времени определенная часть смеси сгорает. Другая часть, до которой фронт пламени доходит  в последнюю очередь, нагревается  в результате поджатия (увеличение давления от сгорания) до температуры, превышающей температуру самовоспламенения. 
 
Если же фронт нормального пламя успеет дойти до того, как эта часть смеси самовоспламенится, то сгорание пройдет нормально. Если фронт пламени будет идти дольше, то в оставшейся смеси, начавшиеся выделяться различные перекиси (и что-то еще), активируют смесь и при определенной их концентрации произойдет детонационное сгорание. 
 
В результате детонации определенного объема смеси возникает ударная волна, которая в зависимости от объема смеси ее вызвавшую, может иметь такую интенсивность, что своей энергией заставит сдетонировать весь оставшийся в цилиндре заряд. Скорость ударных волн может достигать 1500 м/с. При отражении ударных волн от стенки камеры сгорания возникает звонкий металлический звук. При сильной детонации стуки становятся громче, мощность двигателя падает, в отработавших газах появляется черный дым. 
 
При сильной детонации двигатель испытывает большие тепловые и механические нагрузки на некоторые детали. Могут обгореть кромки поршней и прокладки ГБЦ, электроды свечей. Ударные волны разрушают масляную пленку в верхней части цилиндра, тем самым вызывают повышенный износ.

Влияние конструкции двигателя на детонацию

Исходя из положения, что  детонация в двигателе есть результат  накопления перекисей в несгоревшей  части смеси, то влияние того или  иного фактора следует рассматривать  с точки зрения воздействия его  на интенсивность образования этих самых перекисей, т.е. на давление и  температуру смеси и время, располагаемое  для процесса. Можно выделить следующие  конструкционные факторы:

• степень сжатия
• форма камеры сгорания и ее охлаждение
• размеры цилиндра
• число и расположение свечей
• конструкция выпускного клапана??

Подробнее:

Степень сжатия

Степень сжатия является основной величиной, влияющей на детонацию. Характерная  зависимость 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.

На фиг. 6 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 фиг. 7 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:

• состав смеси
• температура смеси и стенок цилиндра
• давление наддува
• угол опережения зажигания
• обороты двигателя
• атмосферные условия

 

 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.

НА фиг. 8 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.

 

 Температура смеси и стенок цилиндра

Увеличение температуры  стенок цилиндра или смеси точно  так же способствует образованию  перекисей и, следовательно, детонации  смеси.

На фиг. 9 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.

 

Давление  смеси

Изменение давления смеси  влияет на давления, при которых  протекает процесс в двигателе, а следовательно, на концентрацию перекисей  и обусловливаемую ею детонацию. Установка на двигатель нагнетателя  повышает давление и температуру  смеси на впуске, а следовательно, увеличивает вероятность появления  детонации. Однако при данном топливе, путем наддува, двигатель можно  форсировать, не опасаясь детонации, до значительно больших мощностей, чем путем увеличения степени  сжатия. Так как одинаковому повышению  мощности соответствует при наддуве  значительно меньший рост давления в конце сжатия, и максимального  давления при сгорании.

Это положение хорошо подтверждается опытами А. Ротрок(J.S.A.E. February 1941. Rothrock А М : „Fuel rating—its relation to engine performance"), проведенными на одноцилиндровом двигателе  с размерами D = 120 мм, S = 146 мм при n = 2500 об/мин, температуре охлаждающей  жидкости Тж = 120°С и регулировке  состава смеси на максимум детонации. Результаты обработки данных этих опытов, произведенной автором для топлива  с октановым числом 95, приведены на фиг. 12. Кривые 1 и 2 представляют собой зависимость давления наддува, соответствующего началу детонации, от степени сжатия, при двух температурах на всасывании.

 

Как видно, снижение степени сжатия от 9,0 до 6,0 позволяет  увеличить давление наддува от 0,71 до 1,27 бар при температуре 127°С(400К) и от 0,83 до 1,45 бар при температуре 67°С(340К), т.е. на 75-80%.

Относительное изменение  индикаторной мощности и давления в  конце сжатия представлено на той  же диаграмме кривыми 3 и 5 для T = 340K(67°С) и 4 и 6 для Т = 400К(127°С).

Как видно, уменьшение степени сжатия от 9,0 до 6,0 дает возможность  при работе на топливе с той  же детонационной стойкостью увеличить  мощность двигателя, примерно, на 50%. Интересно отметить, что давление в конце сжатия остается при всех степенях сжатия практически постоянным. 

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 фиг. 13 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.

Впрыск  воды и меры борьбы с детонацией

 

Наиболее простым способом устранения детонации и обеспечения возможности  дальнейшего форсирования является применение более детонационностойких  топлив. Однако стоит учитывать ограниченную распространенность таких топлив. Да и их октановое число в конечном итоге имеет предел. Кроме того, октановое число это лишь одна сторона вопроса, другая - сам двигатель, его конструкция и степень  совершенства, с которой он использует детонационную стойкость топлива.

Эффективными средствами, устраняющими детонацию, являются уменьшение угла опережения зажигания и обогащения смеси. Уменьшение УОЗ ограничивается увеличением  температуры выхлопа. Обогащение смеси - чрезвычайно мощное средство подавления детонации. Однако сильное обогащение не соответствует мощностному составу  смеси, а перерасход топлива будет  значительным.

Охлаждение наддувочного воздуха  также действенный способ воздействия  на детонацию. Охлаждать можно как  в воздушном так и в жидкостном теплообменнике или последовательно  в двух. Хотя охлаждение наддувочного воздуха преследует главным образом  увеличение наполнения цилиндра зарядом, но в то же время снижение температуры  воздуха уменьшает вероятность  возникновения детонации.

Впрыск воды (водометанола)

Еще один способ состоит во впрыске воды во впускную систему или смеси воды и метилового спирта(метанола). По данным книги, о которой я упоминал раньше ("Детонация в двигателях", А.А. Добрынин, 1947 год, Военно-Воздушная Инженерная Академия им. Н.Е. Жуковского), количество впрыскиваемого вещества составляет обычно около 20-30% от расхода топлива.

При впрыске воды резко понижаются рабочие температуры двигателя, причем одновременно удается получить устранение детонации без чрезмерного обогащения смеси. При работе совпрыском воды на средних режимах представляется в некоторых случаях возможным обеднять смесь до значений, при которых суммарный расход топлива и воды получается меньшим, чем расход топлива, необходимый для работы без детонации, при отсутствии впрыска воды.

Влияние впрыска воды на возможность  форсирования двигателя Хорошо иллюстрируется данными, приведенными на фиг. 35 и 36.

На фиг. 35 дана зависимость увеличения допустимого давления наддува от количества впрыскиваемой воды, полученная на основании испытаний, проведенных  в НИИ ВВС КА и ЦИАМ, а также  по данным испытаний некоторых иностранных  двигателей. Как видно, увеличение допустимого  наддува возрастает пропорционально  расходу воды вплоть до расходов, соответствующих 40—50% от расхода топлива. Увеличение допустимого давления наддува составляет около 60— 70 мм рт. ст.(примерно 0,1 бар) на 10% впрыскиваемой воды для бензинов прямой гонки и около 100 мм рт. ст.(0,13 бар) для синтетического бензина  Б-100.