5.2.3.1. Детонація
В міру поширення фронту полум'я від іскри незгоріла суміш буде нагріватися і стискуватися внаслідок росту тиску при згорянні. У цій частині свіжої суміші можуть створитися умови для ініціювання хімічних реакцій, тобто виникнення фронту самозапалювання. Самозапалювання – це прогресуюче прискорення реакцій. Воно настає, коли швидкість тепловиділення за рахунок хімічних реакцій перевищує швидкість відводу тепла в навколишнє середовище. Самозапалювання незгорілої частини заряду називається детонацією (5.12). Хімічно підготовлена остання частина заряду самозаймається з величезною швидкістю, у результаті чого утворюється ударна хвиля.
5.12. Детонація – (адреса файла Блок 4) Детонація в циліндрі двигуна являє собою згоряння останніх частин заряду в результаті його об'ємного самозапалювання, яке супроводжується виникненням ударних хвиль. |
Детонаційне згоряння в циліндрі двигуна являє собою згоряння останніх частин заряду в результаті його об'ємного самозапалювання. Згідно теорії М.М.Семенова до детонації приводять хімічні ланцюгові реакції. Це супроводжується виникненням ударних хвиль, швидкість яких може в десятки разів перевищувати швидкість поширення фронту турбулентного полум'я й досягати 1500÷2500 м/с (при нормальному згорянні Uпол = 15÷20 м/с).
У процесі згоряння частина робочої суміші, до якої фронт полум'я доходить в останню чергу, у результаті збільшення тиску від згоряння нагрівається до температури, що перевищує температуру самозапалювання. У ній можуть виникати вогнища запалення. При достатньому часі в камері згоряння можливі поява й поширення ударних хвиль, які також сприяють самозапалюванню робочої суміші.
У результаті взаємодії ударної хвилі зі стінками простору усередині циліндру і відбиття її від цих стінок з частотою 5000÷7000 Гц виникає дзвінкий металевий стукіт такої ж частоти. Віддача тепла при зіткненні ударної хвилі зі стінками стає надмірною, що приводить до вигоряння металу. При детонації ростуть теплові й механічні навантаження на деталі КШМ, а в результаті тривалої детонації оплавляються крайки поршнів, обгоряють прокладки головок циліндрів й електроди свічі, руйнуються підшипники колінчастого вала.
Зовнішні ознаки детонації.
1. Крива тиску на індикаторній діаграмі наприкінці процесу згоряння має пилкоподібний вигляд (рис.5.7а, 5.7б).
2. Характерний металевий звук.
3. Перегрів двигуна, у результаті різко знижується його економічність.
4. Падіння потужності двигуна.
5. Чорний дим на вихлопі. В ударній хвилі при високої температури йдуть реакції дисоціації з утворенням вільного вуглецю С (сажі), тобто СО2С+О2. Відпрацьовані гази мають колір чорного диму.
Фактори, що впливають на виникнення детонації.
Хімічний склад палива.
а) Груповий склад палива – парафіни, олефіни, ароматичні вуглеводні; парафіни детонують більше, ніж олефіни; олефіни більше, ніж нафтени і т.д.
б) Молекулярна маса. Палива з більшою молекулярною масою детонують сильніше.
в) Структура молекул. Вуглеводні, що мають нормальну будову, детонує сильно, а вуглеводні з розгалуженою структурою детонують слабко.
Ступінь стиску. Збільшення ε підвищує Тс і сприяє детонації.
Тип системи охолодження. Двигуни з повітряним охолодженням мають більш високу температуру в КЗ і більш схильні до детонації.
Частота обертання вала двигуна. З ростом n зростає швидкість поширення полум'я, у результаті чого в незгорілій суміші не встигають виникнути вогнища самозапалювання (остання частина суміші підпалюється фронтом полум'я, що рухається від свічі), тому схильність двигуна до детонації помітно знижується.
Діаметр циліндра D. При збільшенні діаметра подовжується шлях, який проходить полум'я, і, за час процесу згоряння в останніх порціях суміші встигають пройти реакції окислювання, що приводять до ланцюгового вибуху – детонації. Отже, збільшення діаметра циліндра сприяє виникненню детонації.
Виникненню детонації сприяють і інші фактори, що підвищують тепловий стан двигуна, наприклад, збільшення кута випередження запалювання й ін.
Рисунок 5.7. Індикаторні діаграми при порушеннях процесу згоряння у ДВЗ з примусовим запалюванням: а – слабка детонація, б – сильна детонація, в – передчасне запалювання.
Заходи щодо зменшення детонації:
- використання палив з октановим числом (3.3), що відповідають вимогам заводу-виготовлювача. У легких фракцій бензину октанове число менше, ніж у середніх і важких. При швидкому відкритті дросельної заслінки важкі фракції бензину надходять у циліндр із деяким запізненням, тому на початку розгону через тимчасове зниження октанового числа палива можлива поява детонації;
- зменшення кута випередження запалювання для зниження максимального тиску й швидкості наростання тиску циклу;
- збільшення частоти обертання приводить до інтенсифікації процесу згоряння за рахунок підвищення швидкості поширення фронту полум'я. При цьому також росте концентрація відпрацьованих газів у робочій суміші, що знижує ймовірність виникнення детонації;
- зменшення навантаження двигуна прикриттям дросельної заслінки приводить до зниження тиску й температури процесу згоряння й збільшенню частки відпрацьованих газів у робочій суміші;
- конструктивні заходи щодо зниження ймовірності появи детонації зводяться до посилення турбулізації заряду, поліпшення охолодження останніх порцій заряду, зменшення шляху, який проходить фронт полум'я від свічі до найбільш віддалених частин камери згоряння, зменшенню діаметра циліндра, зниженню ступеня стиску.
9.
Передчасне (жарове) запалення виникає під час процесу стиску (до моменту появи іскри) від нагрітих (вище 700÷800°С) зон центрального електрода свічі, головки випускного клапана, тліючих часток нагару. При цьому зростають температура й тиск циклу, відбувається перегрів двигуна й зменшення його потужності. Розвиток жарового запалення відбувається також і при запалюванні від іскри. Основна його відмінність у тім, що при жаровому запаленні має місце некероване запалення. Його ознаки:
1. Індикаторні діаграми в координатах рV мають петлю (рис. 5.8а). Петля на діаграмі виникає при запаленні суміші теплонапруженими поверхнями зі значним кутом випередження запалювання.
2. Глухі стукоти. На тлі загального шуму двигуна при його роботі на великих навантаженнях ці стукоти знайти практично неможливо. Жарове запалення є найбільш небезпечним видом порушення згоряння. За декілька хвилин після появи жарового запалення прогорають поршні. Як правило, жарове запалення виникає в одному з циліндрів.
3. Різко підвищується температура в циліндрі двигуна.
Для усунення жарового запалення гострі крайки клапанів притупляють, установлюють свічі з великим жаровим числом.
Рисунок 5.8. Зміна тиску у циліндрі при жаровому запаленні.
а) передчасне жарове запалення у координатах pV та pφ;
б) подальше жарове запалення: 1 – нормальне згоряння, 2 – жарове запалення