Отрицательные последствия детонационного сгорания

Результат высокой температуры:

1. Перегрев стенок и усиление теплоотвода в охлаждающую воду.

2. Увеличение диссоциации продуктов сгорания (на исходные элементы) и, как следствие, сни­жение экономичности двигателя.

3. Разрушение и выгорание днища поршня, клапанов, электродов свечи и др. деталей.

4. Образование окиси азота, которая при соединении с водяными па­рами создает азотную кислоту, разъедающую детали ДВС.

В результате действия первых двух факторов работа двигателя становится неустойчивой, появляется черный дым в отработавших га­зах. Экономичность двигателя снижается.

Результат колебаний давления - вибрация стенок цилиндра, головки, поршня. Внешне эта вибрация проявляется в виде характерного металлического стука («стучат пальцы»).

Колебания давления разрушают антифрикционный слой шатунных подшипников и, разрывая масляную пленку, усиливают износ гильз цилиндров.

45 Перечислите конструктивные факторы снижения детонационного сгорания.

Степень сжатия является определяющим фактором. С ее увеличением повышаются температура и давление в цилиндре и, как следствие, воз­растает не только термический к.п.д., h _т, но и вероятность возникновения детонационного сгорания. В современных автомобильных двигателях e находится в пределах 6,5... 9,0.

Повышению степени сжатия препятствует именно детонационное сгорание. Любые меры, снижающие вероятность возникновения детонационного сгорания, будут способствовать увеличению степени сжатия.

Отвод тепла от сжимаемых газов существенно влияет на процесс сгорания.

Введение воды в камеру сго­рания оказывается весьма эффективной мерой. Объясняется это тем, что на испарение воды затрачивается много тепла (в процессе сжатия) и температу­ра газов соответственно снижается. С целью снижения детонации вода вводилась, например, в камеру сгорания двигателя 1МА (СХТЗ-НАТИ), работавшего на керосине, имеющем весьма небольшую величину октаново­го числа. Даже при введении воды степень сжатия этих двигателей не превышала e = 4,0.

В 2007 г. инженеры Массачусетского технологического института предложили впрыскивать вместо воды этиловый спирт (в объеме ~5% от топлива). Мгновенно испаряясь, он отнимает тепло и препятствует возникновению детонационного сгорания и в итоге позволяет резко поднять степень сжатия и снизить (на 20…30%) удельный расход топлива.

Рисунок 3 Влияние октанового числа на допустимую степень сжатия при различных материалах поршня и цилиндра

Положительно влияют снижение температуры охлаждающей жидкости и увеличение степени перекрытия клапанов, улучшающие охлаждение цилин­дра. Влияет и материал поршня и головки. При переходе с чугуна на алюминий увеличивается теплоотвод от деталей и, как следствие, сни­жаются температура газов и вероятность возникновения детонационно­го сгорания. При этом появляется возможность увеличения степени сжатия (рисунок 3). Переход с чугунных поршней на алюминиевые поз­воляет увеличить e на 0,4…0,6, и с чугунных головок цилиндров на алюминиевые - еще на 0,4…0,6.

Сокращение пути для пламени также препятствует детонационному сгоранию.

При увели­чении диаметра цилиндра открывается больший путь для пламени и соответственно повышается вероятность возникновения детонационного сгорания. Поэтому с увеличением диаметра цилиндра приходится увеличивать октановое число топлива или снижать степень сжатия (рисунок 4).

Рисунок 4 Влияние диаметра цилиндра (D) на допустимую степень сжатия (e)

В современных двигателях диаметр цилин­дра варьирует в пределах 76... 108 мм (Урал – 375, например, имеет пор­шень Æ 108). Путь пламени зависит и от рас­положения клапанов. При верхнем их расположении камера сгорания оказывается более компактной, чем при нижнем, и путь для пламени оказывается короче и

и, как следствие, уменьшается продолжительность нахождения смеси под высокими температурой и давлением, а отсюда ниже и вероятность возник­новения детонационного сгорания. Поэтому двигатели с верхним расположением клапанов допускают более высокие степени сжатия (до 7,5...9): у двигателей Москвича – 412 - e =9,0; Чайки - e =8,5, ЗИЛ – 130 - e =6,7. У дви­гателя ГАЗ - 51А с Г - образной камерой e =6,2.

На протяженность пути пламени влияют также расположение и число свеч. Свечу располагают ближе к более нагретым участкам камеры сгорания, например, к выхлопному клапану. В некоторых случаях (особенно при больших диаметрах цилиндра) для сокращения пути пламени применяют даже две свечи.

Эксплуатационные факторы

В первую очередь здесь следует выделить топлива. Различные топлива имеют при одинаковых условиях и различную склонность к образованию пере­кисей, т.е., как говорят, различную детонационную стойкость.

Топливо, состоящее из нормальных парафиновых углеводородов, под воздействием высоких температур и давлений легко окисляется, образуя перекиси. Содержание таких углеводородов нежелательно в топливах для карбюраторных двигателей.

Детонационная стойкость топлива характеризуется специаль­ным параметром - октановым числом. Чем выше октановое число, тем выше детонационная стойкость топлива.

Октановое число топлива устанавливают методом его сравнения с эталонным топливом на специальной одноцилиндровой установке ИТ9-2М, позволяющей менять степень сжатия от 4 до 10.

С увеличением октанового числа топлива возрастает степень сжатия и, как следствие, мощность двигателя, улучшается экономичность его работы (рисунок 5).

а) б) в)

Рисунок 5 Зависимость величины степени сжатия (e), удельного расхода топлива (б) и эффективной мощности (в) от октанового числа

Нагрузка. Увеличение нагрузки путем открытия дроссельной заслонки) повышает температуру и давление смеси, что способствует повыше­нию вероятности возникновения детонационного сгорания.

Наддув влияет также отрицательно.

Рисунок 6 Влияние опережения впрыска на детонацию

Частота вращения. Увеличение частоты вращения сокращает время нахождения смеси под высокими температурой и нагрузкой и снижает вероятность возникновения детонационного сгорания. Опережение зажигания. В зоне чрезмерно малых опережений зажигания (ниже 20...25 град.) с его уменьшением горение перемещается за ВМТ, т.е. проис­ходит при больших объемах камеры сгорания (малых значениях

давле­ния и температуры). В результате детонация снижается (рисунок 6).

С увеличением опережения зажигания (выше 25 град. п.к.в.) детонация вначале возрастает, поскольку при этом процесс сгорания развивается ближе к ВМТ, повышая температуру и давление во второй фазе. Увеличение опережения зажигания на один град. п.к.в. экви­валентно снижению октанового числа на 1,6 - 2 единицы.

Состав рабочей смеси. При обогащении смеси снижаются температура в цилиндре (тепло отнимается на испарение топлива) и отно­сительное количество воздуха (кислорода). Все это уменьшает вероятность возникновения детонационного сгорания.Турбулизация смеси также существенно снижает детонацию.Нагарообразование затрудняет теплоотвод через стенки деталей. Оно эквивалентно снижению октанового числа на 10-15 единиц.