У автомобилистов слово "детонация" ассоциируется со звонким стуком под капотом, стрелкой указателя охлаждающей жидкости за красной чертой прибора, с видом оплавленного поршня и изъеденной поверхности камеры сгорания в головке цилиндров. Из-за детонации конструкторы вынуждены ограничивать степень сжатия, давление наддува, устанавливать на некоторых режимах поздние углы зажигания, снижая при этом мощностные и экономические показатели мотора. Нефтехимики же для получения высокооктановых бензинов поставлены перед необходимостью либо существенно усложнять производство, либо добавлять к низкокачественным бензинам токсичные присадки, такие, как тетраэтилсвинец, тетраметилсвинец.
О физической сущности этого явления, о том, как его предотвращают, а если оно возникло, то распознают и устраняют, рассказывает кандидат технических наук А. Дмитриевский.
Известно, что процесс сгорания рабочей смеси в цилиндре начинается еще до подхода поршня к верхней мертвой точке (ВМТ). Первая фаза его (индукционный период) протекает без интенсивного нарастания давления. При этом из начального очага, возникающего от искры, формируется фронт пламени. Вторая фаза начинается непосредственно перед подходом поршня к ВМТ, и ее характеризует резкое нарастание давления в цилиндре. Третья фаза – догорание оставшейся за фронтом пламени части заряда и его более холодного пристеночного слоя. Конечно, граница между фазами обозначена условно, и принято считать, что вторую фазу от третьей отделяет момент максимального давления в цилиндре. Именно тогда, как правило, и возникает детонация. Высокие давление и температура еще не сгоревшей части смеси способствует возникновению в ней быстрых окислительных реакций до подхода фронта пламени.
Подготовленная уже к воспламенению часть смеси сгорает почти мгновенно, вызывая распространение по камере сгорания ударных волн, движущихся со скоростью до 1 200 м/с, то есть быстрее звука. При этом ударные волны, разрушая пристеночный слой газов, вызывают повышение отдачи тепла в стенки камеры сгорания и днище поршня, их перегрев, нарушение масляного слоя на стенках цилиндра. Если не прекратить работу двигателя на режиме детонации, то это неизбежно приведет к общему перегреву мотора и его отдельных деталей, местным разрушениям поверхности камеры сгорания и днища поршня, их оплавлению, поломке перемычек между канавками поршневых колец, износу верхнего пояса цилиндра и колец.
Разрушения могут возникнуть не только в зоне очага детонации, но и там, где ударная волна воспламеняет остатки еще не сгоревшей части заряда, находящиеся в относительно холодной зоне камеры сгорания. Этим объясняются случаи прогара прокладки между головкой и блоком цилиндров на участке, соединяющем соседние камеры, или у впускных клапанов.
Детонационные волны могут способствовать появлению в камере сгорания взвешенных частиц нагара, отслоившегося от поверхности поршня или головки цилиндров. При этом появляются характерные "нерегулярные стуки" от возникновения очагов калильного зажигания, и на короткий период детонация прекращается. Однако после выгорания и выброса из цилиндров этих частиц нагара она возобновляется.
От нагара может появиться и такая разновидность калильного зажигания, которую называют грохотом. Обычно он возникает в момент, когда после длительной работы на холостом ходу или малых нагрузках переводят мотор на большие нагрузки, например при разгоне, и сопровождается глухими стуками. Смесь тут, как обычно, воспламеняется от искры, но в процессе сгорания при повышении давления часть заряда воспламеняется от частиц нагара, вызывая резкое возрастание давления в камере сгорания.
Помимо ухудшения динамики разгона и повышения нагрузок на детали кривошипно-шатунного механизма грохот может вызвать перегрев деталей камеры сгорания, что приведет к преждевременному (до появления искры) воспламенению рабочей смеси от тлеющих частиц нагара или раскаленных деталей (центральных электродов свечей зажигания, выпускных клапанов, острых кромок на выступающих поверхностях камер сгорания).
Калильное зажигание, возникающее от перегретой свечи до появления на ней искры, наиболее опасно из-за прогрессирующего перегрева поверхностей в камере сгорания. В связи с тем, что этот вид калильного зажигания возникает при высокой частоте вращения коленчатого вала и большой нагрузке, например при высоких скоростях или движении в гору на пониженной передаче, услышать его за общим шумом довольно трудно. Отличительным признаком аномального сгорания смеси в одном из цилиндров является снижение мощности мотора на величину до 10%.
Современный высокооборотистый двигатель буквально через несколько секунд работы на доискровом калильном зажигании может дойти до аварийного состояния (сгорает свеча, оплавляется или прогорает поршень). Моторы с меньшей степенью форсировки способны работать с калильным зажиганием довольно продолжительное время.
Какие же существуют средства предотвращения названных аномальных процессов сгорания топлива? Одним из основных факторов, определяющих давление и температурный режим в камере сгорания в конце сжатия, а следовательно и возможность появления детонации, является степень сжатия. Процесс ее подбора для заданного товарного бензина непростой. Сначала проводят стендовые детонационные испытания двигателей с разной степенью сжатия на специальных эталонных топливах и товарном бензине. Затем учитывают множество сопутствующих факторов, среди которых один из главных – условия эксплуатации, в частности доля времени, когда мотор работает при полной нагрузке и низких оборотах коленчатого вала.
Как правило, степень сжатия выбирают так, чтобы в зоне минимально устойчивой частоты вращения и полной нагрузки угол опережения зажигания был позднее оптимального на 5–10o по углу поворота коленчатого вала. И хотя на этих режимах характеристики двигателя ухудшаются, на остальных режимах благодаря повышению степени сжатия существенно улучшаются топливная экономичность и мощностные показатели.
Другим важным фактором является уровень производства, определяющий точность изготовления деталей двигателя и, следовательно, разброс действительных величин степени сжатия. Известно, что ее определяют как отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания (рис. 1). В свою очередь, объем камеры образуется из объема камеры в головке, объема отверстия в прокладке, объема цилиндра над поршнем в ВМТ и у некоторых двигателей объема выемки в поршне. Каждый из этих объемов может отличаться от номинального из-за производственных отклонений в пределах допусков на обработку деталей. Могут быть разными объемы камер в головке цилиндров, длина шатунов, расстояние от осей пальцев до днищ у поршней и другие размеры. Даже при высоком уровне производства различие в степени сжатия доходит до 6–7% и определяет соответствующее изменение требований к октановому числу топлива до 5 единиц.
Рис. 1. Определение объема камеры сгорания: 1 – полный объем цилиндра; 2 – объем камеры сгорания; 3 – объем камеры в головке цилиндров; 4 – объем отверстия в прокладке; 5 – объем под поршнем в ВМТ; 6 – объем выемки в поршне. Косвенным показателем действительной степени сжатия является максимальное давление сжатия Рс – компрессия. Определяют его, прокручивая прогретый двигатель стартером при полном открытии дроссельной заслонки и отключенной системе зажигания. На рис. 2 приведена зависимость Рс от степени сжатия. Проверять максимальное давление сжатия целесообразно у нового двигателя после обкатки, а затем повторять замеры через 20–25 тысяч километров пробега.
Рис. 2. Зависимость максимального давления сжатия Рс в цилиндре от степени сжатия. При разборке двигателя действительную величину степени сжатия определяют замерами каждой из составляющих объема камеры сгорания. Для определения объема камеры в головке цилиндров сначала проверяют герметичность клапанов, залив в каналы керосин. Если нет утечки через седла, то головку устанавливают горизонтально камерами сгорания вверх. Накрывают их по очереди куском стекла с отверстием в середине, через которое из мерной посуды с делениями заливают жидкость, например соляровое или другое маловязкое масло, до заполнения камеры. Объемы отверстия в прокладке, цилиндра над поршнем и выемки в поршне обычно определяют замерами действительных величин диаметра и высоты с последующим несложным вычислением.
Одним из факторов, определяющих антидетонационные качества двигателя, является расстояние от свечи до наиболее удаленной точки камеры сгорания. Как правило, это расстояние зависит от диаметра цилиндра. На рис. 3 даны зависимости осредненных основных показателей моторов от степени сжатия.
Рис. 3. Зависимость осредненных показателей моторов от степени сжатия: 1 – график удельного расхода топлива; 2 – график крутящего момента; 3 – выброса окислов азота; 4 – требуемое октановое число топлива с оценкой влияния диаметра цилиндра ДЦ. Помимо роста требований к октановому числу топлива повышение степени сжатия приводит к интенсификации процесса сгорания и, естественно, к уменьшению оптимального угла опережения зажигания, снижению удельного расхода топлива и повышению мощностных показателей у мотора. Однако выброс одного из наиболее токсичных компонентов в отработавших газах – окислов азота увеличивается.
На практике кроме точного подбора степени сжатия существуют и иные средства борьбы с детонацией при заданном октановом числе топлива. Один из них – снижение температуры и давления газов в цилиндре при сгорании. Это достигается добавлением к горючей смеси (рециркуляцией) отработавших газов или воды, установкой более позднего угла опережения зажигания, снижением весового наполнения при уменьшении дроссельной заслонкой сечения впускного канала. Любое из перечисленных средств ухудшает мощностные и экономические показатели мотора. В качестве примера на рис. 4 показана зависимость изменения расхода топлива от угла опережения зажигания. Как видно из графика, установка прерывателя на 12–14o позднее оптимального угла приводит к ухудшению на величину до 20% топливной экономичности при низких скоростях движения. К тому же длительная работа двигателя с поздним зажиганием может повлечь обгорание тарелок у выпускных клапанов.
Рис. 4. Зависимость изменения расхода топлива от угла опережения зажигания: 1 – при разгоне; 2 – при скорости 100 км/ч; 3 – при скорости 42 км/ч; 4 – зона оптимального установочного угла опережения зажигания. Другое направление – создание вихревого движения смеси в цилиндре при впуске и турбулизация ее (тщательное перемешивание) применением вытеснителей в камере сгорания, создающих направленный поток смеси при подходе поршня в ВМТ.
Вихревое движение смеси на впуске конструкторы создают наклонным расположением клапана в шатровой камере сгорания, выполнением впускного канала специальной формы, например в виде улитки над клапаном, установкой на тарелке клапана ширмы, приданием камере сгорания специальной, например, сердцеобразной формы. Однако эти способы еще не нашли широкого применения в бензиновых двигателях из-за ухудшения наполнения при высоких оборотах коленчатого вала.
Наиболее широкое применение получила турбулизация смеси вытеснением ее из щели (рис. 5), образующейся между днищем поршня и головкой цилиндров. На интенсивность турбулизации влияет относительная площадь вытеснителя (обычно это 20–30% площади днища у поршня) и его высота. Если сравнить одинаковые камеры сгорания с минимально допустимой высотой вытеснителя, например у мотора ВАЗ-2101 – 1–1,2 мм и увеличенной до 3–3,2 мм у мотора ВАЗ-2103, то, совершенно очевидно, в первом случае турбулизация смеси будет интенсивнее, что при прочих равных условиях обеспечивает более низкие (в среднем на 2–4 единицы) максимальные требования к октановому числу топлива.
Рис. 5. Одинаковые камеры сгорания с вытеснителями разной высоты: 1 – камера сгорания ВАЗ-2101 с низким вытеснителем; 2 – камера сгорания ВАЗ-2103 с высоким вытеснителем. Увеличение же высоты вытеснителя, вызванное необходимостью снизить степень сжатия, приводит к снижению турбулизации и, следовательно, к ухудшению антидетонационных качеств для получаемой степени сжатия.
Еще одно средство в борьбе с детонацией – это снижение температурного режима на поверхности камеры сгорания улучшением процесса отвода тепла, уменьшением самой поверхности камеры, скруглением острых кромок, применением натриевого охлаждения клапанов и другими конструктивными решениями. Это особенно важно еще и для снижения склонности двигателя к калильному зажиганию.
Из числа конструктивных новинок, помогающих снизить склонность мотора к калильному зажиганию, особый интерес представляют свечи зажигания с медным центральным электродом, покрытым в зоне камеры жаростойким сплавом. При этом решении удается сохранить достаточно большую поверхность юбки изолятора, что предотвращает образование нагара во время длительной работы мотора на малых нагрузках и холостом ходу и улучшает пусковые качества. Пониженная температура центрального электрода позволяет применять такие свечи для форсированных двигателей, не опасаясь возникновения калильного зажигания.
Адрес страницы: Детонация Тэги: цилиндропоршневая группа бензин
Комментариев нет:
Отправить комментарий