2.3. Детонация.

Детонация – сложный химико-тепловой процесс. Внешними признаками детонации являются появление звонких металлических стуков в цилиндрах двигателя, снижение мощности и перегрев двигателя, выброс из выпускной системы черного дыма. Длительная работа двигателя с детонацией приводит к прогоранию поршней и разрушению вкладышей коленчатого вала.

Детонационное сгорание (см. рис. 27) возникает в наиболее удаленном от свечи зажигания месте, расположенном около горячих стенок. Смесь до прихода фронта пламени нормального сгорания (скорость 15-60 м/с) успевает

Рис. 27. Схема распространения фронта пламени в камере сгорания: 1 – продукты сгорания; 2 – несгоревшая рабочая смесь; 3 – место возникновения самовоспламенения горючей смеси; 4 – фронт движения пламени

в таких местах сильно перегреться и подвергается интенсивному сжатию при распространении фронта пламени, что способствует быстрому развитию в ней предпламенных реакций с образованием и накоплением химически активных промежуточных продуктов. В результате таких процессов возникает самовоспламенение смеси с самоускоряющимися процессами. Сгорание приобретает взрывной характер с резким местным повышением температуры и образованием ударной волны давления; скорость ее перемещения в камере может дойти до 1000 – 2300 м/с. Отражаясь от стенок камеры сгорания, ударная волна образует новые волны и новые очаги воспламенения, приводящие к развитию детонации и поглощению большого количества теплоты.

Факторы, вызывающие возникновение детонации: основные - это повышение температуры и давления в камере сгорания.

1 Степень сжатия. Повышение степени сжатия приводит к повышению р и Т.

2 Угол опережения зажигания. При раннем зажигании наблюдается более быстрое нарастание давления и т. мах давления приближается к в.м.т.

3 Форма камер сгорания и расположение свечи зажигания. Чем длиннее путь пламени в камере сгорания , тем благоприятнее условия возникновения детонации. То же касается и размеров цилиндра.

4 Состав смеси. Мах скорость сгорания смеси при α = 0,8 – 0,9 при этом составе она склонна к Д.

5 Интенсивность охлаждения. Недостаточное охлаждение камеры сгорания, головки, выпускных клапанов и т.д. способствуют к возникновению Д.

6 Число оборотов. Увеличение оборотов сопровождается увеличением вихревого движения в камере сгорания, повышением скорости сгорания, повышением теплоотдачи и увеличением количества остаточных газов. Все это снижает склонность двигателя к Д.

7 Свойства топлива. Склонность топлива к детонации оценивается октановым числом (ОЧ).

8 Условия на впуске и выпуске. Дросселирование на впуске и повышение сопротивления на выпуске приводит к увеличению остаточных газов, что снижает склонность двигателя к детонации.

Повышение р и Т на впуске (наддув) увеличивает склонность двигателя к Д. При наддуве требуется другое топливо с большим ОЧ.

2.4. Сгорание в дизельных двигателях

Особенности процесса сгорания, рис. 28:

- подача топлива начинается с опережением на угол θ до в.м.т. и заканчивается после в.м.т.;

- изменение давления от т.1 до т.2 происходит только вследствие сжатия.

- подъем давления вследствие тепловыделения при сгорании начинается с т.2. К этому моменту в цилиндр попало σ₁ топлива;

- φ₁ – задержка воспламенения;

- повышение температуры на участке 1΄ – 2΄ обусловлено сжатием заряда, при этом часть теплоты расходуется на испарение впрыснутого топлива;

- наибольшая интенсивность тепловыделения происходит в начальный период сгорания, но количество выделившейся теплоты δ₃ около 1/3 от общего количества тепла, выделившегося в цилиндре;

- мах значения температура т.4΄ достигает после мах давления т.3.

- Положение т.4΄ зависит от скорости сгорания. К этому моменту т.δ₄ выделилось 70-80% от всей теплоты;

- тепловыделение продолжается и после достижения мах Т , к моменту 5΄ количество выделивщейся теплоты составляет около 97%.

Процесс сгорания можно разделить на 4 фазы:

1. - фаза подготовки очагов воспламенения 1 -2;

2. - фаза развития очагов воспламенения и распространения пламени 2 – 3;

3. - фаза сгорания основной массы рабочей смеси 3 – 4;

4. - фаза относительно медленного догорания оставшихся горючих компонентов смеси 4 – 5.

Фаза 1 (задержка воспламенения) существенно влияет на процесс сгорания. Если процесс задержки велик и к концу его в цилиндр попадет большая часть дозы топлива, то ее сгорание вызовет резкое нарастание

давления и приведет к повышению максимального давления цикла. Экономичность цикла повысится, но нагрузки на детали кривошипно-шатунного механизма возрастут и наоборот. При увеличении вязкости топлива, доза его, попавшая в цилиндр за период задержки воспламенения увеличится за счет снижения утечек в насосе, что приведет к более резкому нарастанию давления и увеличению нагрузок на детали КШМ.

Рис. 28. Процесс сгорания в дизельном двигателе

На продолжительность 1-й фазы влияет:

- физико-химические свойства топлива;

- Т и р сжатого воздуха;

- вихревые движения в камере сгорания;

- содержание в рабочем теле инертных газов.

Фаза 2 определяет жесткость работы двигателя и его экономич-ность.(наилучшее положение т.3 (р_мах) 6 – 10⁰ после в.м.т.) .

На продолжительность 2-й фазы влияют:

- продолжительность задержки воспламенения;

- величина подачи топлива за период задержки;

- равномерность распределения топлива в камере сгорания.

Фаза 3 – от р_мах до Т_мах . К началу 3-й фазы подача топлива обычно заканчивается. Несмотря на повышение температуры давление снижается за счет движения поршня (увеличения объема внутренней полости цилиндра).

Продолжительность 3-й фазы зависит от:

- величины избытка воздуха ( α = (L_факт/L_теор; при α >1 – смесь обедненная; а при α < 1 смесь обогащенная).

- характеристики подачи топлива;

- скорости движения заряда в камере сгорания.

Оптимальным считается, когда Т_мах появляется 20 - 35⁰ после в.м.т.. Для лучшего перемешивания топлива с воздухом используют перетекание заряда из вспомогательной камеры в основную камеру сгорания (вихрекамерные и предкамерные ДВС)

Фаза 4 (период 4-5) характеризуется замедленным сгоранием (95 – 97% теплоты уже выделилось). Если период впрыска растянут, то в 4-й фазе может выделиться 10 – 30% теплоты. Продолжительность сгорания будет соответствовать 50 – 60⁰ поворота коленчатого вала. Условия сгорания в этом случае неблагоприятные. Перенос тепловыделения в 4 фазу понижает эффективность использования теплоты, т.к. повышает температуру выпуска и экономичность двигателя снижается.

На продолжительность 4-й фазы влияет:

- коэффициент избытка воздуха;

- продолжительность подачи топлива в 3-ей фазе.